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《電氣制造雜志》2014年第七期

1故障現(xiàn)象及原因分析

某電站斷路器在進(jìn)行出廠試驗(yàn)時，斷路器的B相動靜觸頭沒有分?jǐn)啵l(fā)生了拒分現(xiàn)象。經(jīng)檢查，彈簧操動機(jī)構(gòu)分閘電磁鐵信號已經(jīng)給出，電磁鐵已動作；主拐臂銷軸和保持掣子沒有分開，對機(jī)構(gòu)檢查發(fā)現(xiàn)，分閘彈簧儲存能量沒有釋放，且沒有卡滯現(xiàn)象，主拐臂銷軸工作面已經(jīng)變形，磨損嚴(yán)重，如圖2所示。根據(jù)彈簧操動機(jī)構(gòu)拒分故障現(xiàn)象的分析和調(diào)查，可以排除電磁鐵脫扣力不足造成的拒分和分閘彈簧儲能力小或摩擦卡滯情況造成的拒分。下面重點(diǎn)分析主拐臂和分閘保持掣子自身平衡形成的拒分，其分析的力學(xué)模型如圖3所示。分閘彈簧給主拐臂的力通過主拐臂銷軸作用給分閘保持掣子（見圖1）。從圖3中可以看出，當(dāng)分閘電磁鐵動作后，保持掣子受到主拐臂銷軸的壓力F主垂直于接觸面，受到主拐臂銷軸的摩擦力F摩垂直于F主且與保持掣子的轉(zhuǎn)動方向相反，受到復(fù)位彈簧的恢復(fù)力F復(fù)。要想使保持掣子逆斷路器彈簧操動機(jī)構(gòu)分析時針旋轉(zhuǎn)，機(jī)構(gòu)必須能形成一個力臂不是太小且大于F復(fù)及各種摩擦力作用下形成的順時針力矩。當(dāng)保持掣子受到主拐臂的壓力和摩擦力作用產(chǎn)生的力臂過小（見圖3a）時，其力矩不能克服F復(fù)及其他系統(tǒng)摩擦力產(chǎn)生的順時針力矩，保持掣子將不能脫開，形成拒分；當(dāng)保持掣子受到主拐臂的壓力和摩擦力作用產(chǎn)生動態(tài)順時針力臂（見圖3b）時，主拐臂銷軸將和保持掣子接觸產(chǎn)生F推力，保持掣子就會在合力矩的作用下緊緊扣住主拐臂銷軸，產(chǎn)生自平衡，致使產(chǎn)品拒分。為了驗(yàn)證分析的正確性，采用表面光潔、沒有磨損的主拐臂銷軸在拒分樣機(jī)上做200次合閘、分閘操作試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果是沒有發(fā)生拒分現(xiàn)象，但是銷軸的表面仍然出現(xiàn)了磨損跡象。為了找出機(jī)構(gòu)拒分故障的本質(zhì)原因，繼續(xù)做200次合分試驗(yàn)，在試驗(yàn)做到315次分閘操作時，機(jī)構(gòu)沒有實(shí)現(xiàn)分閘操作，產(chǎn)生了拒分故障。對試驗(yàn)拒分故障的機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查，分析：機(jī)構(gòu)電磁鐵提供的電磁力和分閘彈簧力輸出的分閘力都達(dá)到設(shè)計(jì)要求，只是主拐臂銷軸的磨損更加嚴(yán)重，由此可判斷出造成拒分故障的主要原因是銷軸表面疲勞磨損。

2試驗(yàn)驗(yàn)證及解決措施

根據(jù)故障的現(xiàn)象描述及原因分析，主拐臂銷軸的疲勞磨損是導(dǎo)致拒分故障的主要原因。下面從多個角度進(jìn)行分析、試驗(yàn)、仿真和改進(jìn)，志在解決銷軸疲勞磨損，消除機(jī)構(gòu)拒分故障。

（1）保持掣子的加工工藝優(yōu)化通過比對拒分保持掣子的設(shè)計(jì)圖樣，發(fā)現(xiàn)保持掣子的關(guān)鍵部位尺寸合格，但是保持掣子的“鉤子”R圓弧處與工作平面不相切，有過渡棱臺，如圖4所示。在分閘過程中，主拐臂銷軸從保持掣子中滾動出來，經(jīng)過棱臺過渡位置時，就會產(chǎn)生一個很大的局部沖擊力，對主拐臂銷軸和保持掣子的表面產(chǎn)生破壞。為了驗(yàn)證有棱臺過渡的保持掣子在分閘時對主拐臂銷軸產(chǎn)生的影響，運(yùn)用了運(yùn)動仿真軟件進(jìn)行運(yùn)動學(xué)[4]分析，建立“鉤子”有棱臺的保持掣子和相切過渡的保持掣子分別與主拐臂銷軸配合，模擬分閘運(yùn)動，其仿真模型及其力學(xué)分析結(jié)果如圖5、圖6所示。從分析圖6中銷軸的受力曲線圖可以看出，持掣子有棱臺時，銷軸運(yùn)動到棱臺位置處產(chǎn)生明顯增大的沖擊力作用，這種突然增大的沖擊力會對主拐臂銷軸表面產(chǎn)生破壞，多次沖擊造成銷軸表面沖擊磨損嚴(yán)重。解決措施：保持掣子受力部位要求必須圓滑過渡。

（2）保持掣子和主拐臂銷軸的表面粗糙度由機(jī)械理論可知，表面粗糙度大的零部件容易產(chǎn)生磨損，通過對拒分保持掣子和主拐臂銷軸表面粗糙度的測量，發(fā)現(xiàn)兩者配合的工作面的表面粗糙度值較高。但是由于主拐臂銷軸的疲勞磨損是導(dǎo)致機(jī)構(gòu)產(chǎn)生拒分的主要原因，所以應(yīng)盡可能地減小摩擦力，改善銷軸磨損狀況，避免產(chǎn)生拒分故障。解決措施：由于保持掣子和主拐臂銷軸的配合工作面是機(jī)構(gòu)分閘脫扣的主要工作面，為了減小保持掣子對主拐臂銷軸的磨損，減小保持掣子對主拐臂銷軸的工作面的表面粗糙度值。

（3）提高主拐臂銷軸的強(qiáng)度根據(jù)故障現(xiàn)象描述，拒分的主拐臂銷軸產(chǎn)生了疲勞磨損或破壞，如圖7所示。由材料的力學(xué)特性可知，材料的組成成分、熱處理工藝和表面硬度等都會影響零部件的機(jī)械強(qiáng)度，而零部件的強(qiáng)度越低，越容易產(chǎn)生磨損變形破壞。首先利用光譜儀對主拐臂銷軸材料進(jìn)行成分測定，其測定結(jié)果為：拒分的主拐臂銷軸材料不滿足技術(shù)要求。其中C含量偏低，這將導(dǎo)致零部件硬度降低，而硬度與零部件的機(jī)械強(qiáng)度成正比；Si含量偏高，將起到脫氧、脫硫的作用，但是過量促δ－Fe生成；Mo的含量偏高，將導(dǎo)致材料的加工性能不好，脆性增強(qiáng)。這些成分的不符合標(biāo)準(zhǔn)都會加快零部件產(chǎn)生疲勞破壞。對主拐臂銷軸的熱處理工藝進(jìn)行檢測，通過金相試驗(yàn)得到如圖8所示的在500倍下的主拐臂銷軸金相組織圖。從金相圖可看出，此主拐臂銷軸的熱處理工藝也比較差，組織粗大，容易產(chǎn)生疲勞磨損，沒有達(dá)到性能要求。解決措施：嚴(yán)格檢測主拐臂銷軸的材料元素量，提高熱處理工藝要求，并通過滲碳等工藝增大銷軸工作面硬度，以提高其機(jī)械強(qiáng)度裕度。

最終改進(jìn)方案：經(jīng)過對本次故障的分析、試驗(yàn)、仿真、改進(jìn)和驗(yàn)證等一系列步驟，確定的改進(jìn)方案是：保持掣子與主拐臂銷軸的配合面必須圓滑過渡；將保持掣子和主拐臂銷軸的配合工作面表面粗糙度值降低；將主拐臂銷軸硬度提高。最后加工出修改的保持掣子和主拐臂銷軸，裝配到試驗(yàn)樣機(jī)上，進(jìn)行2000次分合閘操作試驗(yàn)，試驗(yàn)后的主拐臂銷軸如圖9所示。對比圖2發(fā)現(xiàn)，銷軸工作狀況得到大幅度改善，實(shí)驗(yàn)沒有出現(xiàn)拒分現(xiàn)象，銷軸和保持掣子完好無損，達(dá)到了斷路器機(jī)構(gòu)的使用性能，成功解決拒分故障。

3結(jié)束語

前文所提到的拒分故障本質(zhì)是保持掣子和主拐臂銷軸相對運(yùn)動產(chǎn)生的摩擦力增大，導(dǎo)致保持掣子所受的合力（摩擦力和銷軸作用給保持掣子的正壓力形成的合力）方向改變，逆時針力臂減小或形成順時針力臂（見圖3），使保持掣子在合力作用下形成自平衡，進(jìn)而拒分。通過對彈簧操動機(jī)構(gòu)拒分故障的分析、試驗(yàn)、仿真等方法，找出拒分問題產(chǎn)生的根本原因是主拐臂銷軸磨損嚴(yán)重所致，并提出了一系列的優(yōu)化改進(jìn)方法，成功解決拒分故障。為斷路器彈簧操動機(jī)構(gòu)拒分問題提供了有效的排查方法，具有很好的指導(dǎo)意義。

作者：楊秋蓉劉宇宋廣民單位：平高集團(tuán)有限公司