斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)活塞斷裂分析

劉 煜 雷 琴 王永良

（平高集團(tuán)技術(shù)中心 河南平頂山）

液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)是高壓斷路器的核心部件，大量應(yīng)用于高壓、超高壓斷路器中，其中碟簧儲(chǔ)能型液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)稱(chēng)碟簧機(jī)構(gòu)（圖1），通過(guò)壓縮組合碟簧的方式進(jìn)行儲(chǔ)能，結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)械操作特性穩(wěn)定、密封性能優(yōu)越。與傳統(tǒng)壓縮氮?dú)鈨?chǔ)能式相比，具有系統(tǒng)油壓受溫度影響小、操作油壓降小、不存在氮?dú)庑孤┑娘@著優(yōu)勢(shì)，更有利于高壓設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能控制。自ABB公司首先推出后受到用戶(hù)廣泛青睞，近年來(lái)也成為國(guó)內(nèi)各開(kāi)關(guān)設(shè)備廠商的普遍應(yīng)用項(xiàng)目。

目前，對(duì)碟簧機(jī)構(gòu)的研究主要集中在元件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，對(duì)碟簧機(jī)構(gòu)的故障分析相對(duì)較少，而碟簧機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)工作工作壓力可達(dá)55 MPa以上，緩沖壓力峰值可達(dá)150 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)的工程機(jī)械。同時(shí)高壓斷路器的工況，又對(duì)碟簧機(jī)構(gòu)提出了高可靠性的要求。因此，分析碟簧機(jī)構(gòu)的各種故障形成機(jī)理并加以解決是一件極為有意義的工作。以某型號(hào)碟簧機(jī)構(gòu)在機(jī)械壽命試驗(yàn)中出現(xiàn)的活塞斷裂事件為例，進(jìn)行深入分析，探討故障形成的本質(zhì)原因，為碟簧機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)改進(jìn)提供明確的思路。

圖1 ABB公司碟簧機(jī)構(gòu)

一、液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理

圖2為碟簧機(jī)構(gòu)原理圖，其中上側(cè)為分閘狀態(tài)，下側(cè)為合閘狀態(tài)。機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，首先給電機(jī)通電，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)油泵打壓，把油箱中的低壓油轉(zhuǎn)換為高壓油并注入儲(chǔ)能缸的上方，儲(chǔ)能缸中的活塞在油壓力的作用下向下伸出并壓縮儲(chǔ)能碟簧進(jìn)行儲(chǔ)能。達(dá)到設(shè)定行程時(shí)，檢測(cè)模塊發(fā)出斷電信號(hào)，電機(jī)停止工作，儲(chǔ)能結(jié)束。

圖2 碟簧機(jī)構(gòu)原理圖

圖3 工作缸結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)收到分閘信號(hào)時(shí)，分閘先導(dǎo)閥控制主控閥轉(zhuǎn)換到分閘位，工作缸活塞下部的無(wú)桿腔和油箱連通轉(zhuǎn)換為低壓油，工作缸活塞上部的有桿腔仍與儲(chǔ)能缸上部連通，為高壓油腔，工作缸活塞在上部高壓油的推動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)分閘動(dòng)作。其中工作缸是液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的主要部位，圖3所示為工作缸具體結(jié)構(gòu)，在分閘過(guò)程中，緩沖主要是由分閘緩沖套、工作缸活塞與液壓油共同提供，理想的緩沖性能既能提供足夠的緩沖力使得活塞的運(yùn)動(dòng)末速度不至于太高，又可以控制緩沖壓力峰值不會(huì)太高，可以免損壞緩沖部位的零部件。

二、故障說(shuō)明

通常，碟簧機(jī)構(gòu)的工作缸活塞采用兩體式結(jié)構(gòu)：銅緩沖桿+鋼活塞桿，銅緩沖桿一端開(kāi)外螺紋擰入活塞桿并粘牢。在某型號(hào)碟簧機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命試驗(yàn)階段，發(fā)現(xiàn)有工作缸活塞斷裂的現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為，工作缸活塞從工作缸中取出后，發(fā)現(xiàn)緩沖桿從螺紋根部斷裂（圖4、圖5），分閘緩沖套有劇烈碰撞的痕跡，且已變形（圖6）。

三、故障分析

1.特性分析

液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)一個(gè)重要的特征就是機(jī)構(gòu)的行程特性曲線，即工作缸活塞在工作缸內(nèi)部運(yùn)動(dòng)時(shí)的時(shí)間-位移曲線，通過(guò)KoCos軟件配以直線位移傳感器則可以讀出每次分合閘動(dòng)作時(shí)碟簧機(jī)構(gòu)的行程特性曲線。因此，分析壽命試驗(yàn)不同階段的行程特性曲線是了解機(jī)構(gòu)在不同時(shí)期的性能變化情況的一個(gè)有效而直觀的手段。

圖4 斷裂后的活塞桿

圖5 脫落下來(lái)的銅緩沖桿

圖7為壽命試驗(yàn)開(kāi)始階段與故障前的機(jī)構(gòu)分閘行程曲線對(duì)比，試驗(yàn)開(kāi)始階段的行程曲線較為平滑，可以發(fā)現(xiàn)2條曲線在分閘行程的末段，出現(xiàn)了明顯的不重疊，圖8為末段的局部放大圖，從數(shù)值上，分閘末速度也有明顯的增加，從0.57 m/s上升到0.74 m/s。

圖6 變形的分閘緩沖套

2.加工過(guò)程分析

由于工作缸活塞桿中的兩個(gè)單件都沒(méi)有便于力矩扳手裝卡的結(jié)構(gòu)（六方、對(duì)邊銑扁等），在將緩沖桿擰入活塞桿的過(guò)程中，只能采用車(chē)床夾緊與管鉗擰緊的方式，如圖9所示。為確保效果，只能加大所施加的力矩，且會(huì)產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力。

3.斷口分析

從斷裂位置看（圖10），斷裂處位于活塞外螺紋最后一扣（螺紋收尾處）的牙底部位，這符合螺紋根部應(yīng)力集中的現(xiàn)象。從斷口形貌分析，從斷面上可以觀察靠明顯的、規(guī)則的斷裂紋路（圖11中A區(qū)域），在活塞桿的邊緣有明顯的徑向裂紋（圖11中B區(qū)域）。

4.分析結(jié)果

根據(jù)活塞桿的結(jié)構(gòu)，在擰緊過(guò)程中主要靠緩沖桿的螺紋端面止位，當(dāng)螺紋端面與活塞桿螺紋孔底面貼合緊密后，如果采用活塞桿固定，旋轉(zhuǎn)緩沖桿的擰緊方式，則所施加的扭矩主要由緩沖桿承擔(dān)，根據(jù)相關(guān)的理論[1～3]，其最后一扣螺紋（收尾處）將承擔(dān)超過(guò)1/3的扭矩；如果采用活塞桿旋轉(zhuǎn)，緩沖桿固定的擰緊方式，則所施加的扭矩主要由活塞桿承擔(dān)，緩沖桿各螺紋處承擔(dān)的扭矩相對(duì)較為平均，而實(shí)際中多采用固定活塞桿，旋轉(zhuǎn)緩沖桿的方式擰緊，緩沖桿的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于活塞桿，故更容易產(chǎn)生裂紋。

圖7 行程特性曲線對(duì)比

圖8 末段局部放大

圖9 加工方法示意

圖10 斷裂部位示意圖

因此，結(jié)合相關(guān)的理論，可以推斷出斷裂的過(guò)程為：活塞桿擰緊后在圖11中S點(diǎn)處存在裂紋，產(chǎn)品在操作時(shí)裂紋受到高油壓及高內(nèi)應(yīng)力的共同作用逐步沿圖11S處曲線擴(kuò)展（圖11S處曲線也可能是擰緊后就存在的裂紋），隨著機(jī)構(gòu)操作次數(shù)的增加，裂紋長(zhǎng)度不斷增加，裂紋的寬度也不斷增加，形成圖11中A區(qū)域所示的規(guī)則紋路。當(dāng)裂紋寬度增加大到一定程度，活塞桿將向一側(cè)傾斜彎曲，由于活塞桿與緩沖套的配合間隙很小，活塞桿的傾斜彎曲將造成機(jī)構(gòu)在分閘緩沖時(shí)活塞桿與緩沖套碰撞（撞擊位置與裂紋源成180°對(duì)稱(chēng)），從而造成活塞桿斷裂。

圖11 斷口形貌

四、結(jié)論

以碟簧機(jī)構(gòu)活塞桿斷裂事件為例，從機(jī)構(gòu)的行程特性、活塞桿的結(jié)構(gòu)、加工方法以及端口特征等方面出發(fā)，分析斷裂發(fā)生的原因，通過(guò)分析過(guò)程，為斷路器碟簧機(jī)構(gòu)活塞桿結(jié)構(gòu)工藝的改進(jìn)，提供參考依據(jù)，有利于提高斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的整機(jī)穩(wěn)定性。

1 劉偉杰.液壓機(jī)構(gòu)精密級(jí)閥芯的加工工藝研究與探討[J].工藝與檢測(cè)，2010（6）：116-118

2 馬曉青．沖擊動(dòng)力學(xué) [M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，1992

3 蒲良貴，紀(jì)名剛．機(jī)械設(shè)計(jì)[M]．北京：高等教育出版社，2001