隔離開(kāi)關(guān)減速機(jī)構(gòu)脫離故障分析

劉流，王志鹍，蘇文，過(guò)羿，賈鳳鳴

（國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司，安徽合肥230061）

隔離開(kāi)關(guān)減速機(jī)構(gòu)脫離故障分析

劉流，王志鹍，蘇文，過(guò)羿，賈鳳鳴

（國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司，安徽合肥230061）

隔離開(kāi)關(guān)作為電網(wǎng)的主設(shè)備，其可靠動(dòng)作直接關(guān)系到電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。介紹一起隔離開(kāi)關(guān)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的兩級(jí)減速機(jī)構(gòu)脫離故障，通過(guò)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和受力分析確認(rèn)了故障產(chǎn)生的原因，并針對(duì)性地提出了減速機(jī)構(gòu)的改進(jìn)方案，最后通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)和動(dòng)作測(cè)試驗(yàn)證了方案的有效性，為隔離開(kāi)關(guān)減速機(jī)構(gòu)的制造改進(jìn)提供參考。

電力系統(tǒng)；隔離開(kāi)關(guān)；減速機(jī)構(gòu)；機(jī)構(gòu)脫離

0 引言

隔離開(kāi)關(guān)是發(fā)電廠(chǎng)和變電站電氣系統(tǒng)中重要的開(kāi)關(guān)電器，其與斷路器配合為電力系統(tǒng)運(yùn)行提供了更加多樣和可靠的運(yùn)行方式，同時(shí)，也為緊急情況下隔離電網(wǎng)故障提供了必要的手段。隔離開(kāi)關(guān)種類(lèi)多樣，根據(jù)動(dòng)作方式，可分為曲臂伸縮式、剪刀式、旋轉(zhuǎn)式等。作為電網(wǎng)的主設(shè)備，隔離開(kāi)關(guān)需具備幾百安至幾千安的通流能力，因此，只有設(shè)計(jì)可靠的電動(dòng)機(jī)構(gòu)才能確保其分合閘正確到位，接觸良好，避免發(fā)熱現(xiàn)象。

隔離開(kāi)關(guān)的電動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、故障限位保護(hù)、防寒除濕裝置、手動(dòng)操作部分及電氣控制回路［1］，其中，減速機(jī)構(gòu)是將電機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)齒輪變換輸出額定轉(zhuǎn)速的裝置。近年來(lái)，減速機(jī)構(gòu)常有發(fā)熱和漏油、渦輪或軸承磨損、傳動(dòng)小斜齒輪磨損等故障［2］發(fā)生，為此，通常從提高裝配質(zhì)量、定期潤(rùn)滑維護(hù)、正確選擇減速機(jī)構(gòu)安裝位置等方面提高其運(yùn)行的可靠性。

1 故障經(jīng)過(guò)

2015年10月，在某變電站220 kV隔離開(kāi)關(guān)倒閘操作過(guò)程中，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)隔離開(kāi)關(guān)在合閘開(kāi)始后不久動(dòng)作停止，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)該隔離開(kāi)關(guān)電動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部減速機(jī)構(gòu)損壞，一級(jí)減速機(jī)構(gòu)與二級(jí)減速機(jī)構(gòu)脫離，電機(jī)無(wú)法驅(qū)動(dòng)渦桿動(dòng)作。檢修人員將損壞的電動(dòng)機(jī)構(gòu)取下進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，用于連接兩級(jí)減速機(jī)構(gòu)的法蘭面上的6顆螺絲從槽內(nèi)脫出，蝸桿被頂出，電機(jī)整體垂下，如圖1所示。

圖1 脫落的減速機(jī)構(gòu)

2 減速機(jī)構(gòu)

減速機(jī)構(gòu)作為隔離開(kāi)關(guān)電動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)部分，位于驅(qū)動(dòng)電機(jī)與隔離開(kāi)關(guān)垂直連桿之間，作用為降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，增大輸出力矩，以達(dá)到穩(wěn)定可靠地驅(qū)動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行分合動(dòng)作，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

減速機(jī)構(gòu)由傳動(dòng)零件（齒輪或蝸桿）、軸、軸承、箱體及其附件所組成。箱體是蝸輪蝸桿減速機(jī)中所有配件的基座，是支承固定軸系部件、保證傳動(dòng)配件正確相對(duì)位置并支撐作用在減速機(jī)上荷載的重要配件。蝸輪蝸桿主要作用是傳遞兩交錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，軸承與軸主要作用是動(dòng)力傳遞、運(yùn)轉(zhuǎn)并提高效率。隔離開(kāi)關(guān)使用的是兩級(jí)減速機(jī)構(gòu)，具備更高的傳動(dòng)效率和更小的噪聲。

圖2 電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

3 原因分析

圖1中隔離開(kāi)關(guān)減速機(jī)構(gòu)故障位置位于兩級(jí)減速機(jī)構(gòu)之間的法蘭連接處，為準(zhǔn)確分析故障原因，將從電機(jī)負(fù)載能力、機(jī)構(gòu)運(yùn)行監(jiān)測(cè)與受損法蘭受力三方面進(jìn)行分析。

3.1 電機(jī)負(fù)載試驗(yàn)

本型號(hào)隔離開(kāi)關(guān)分合時(shí)，所需力矩通常在1 050～1 200 N·m之間，為模擬各工況下電機(jī)帶負(fù)載能力，開(kāi)展負(fù)載試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量電機(jī)回路的電流峰值并觀(guān)察熱偶啟動(dòng)情況，結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)作所需力矩范圍內(nèi)，電機(jī)帶負(fù)載能力可完全滿(mǎn)足，當(dāng)負(fù)載超過(guò)1 279 N·m時(shí)，熱偶啟動(dòng)后切斷電機(jī)電源，從而起到保護(hù)電機(jī)及負(fù)載作用。試驗(yàn)排除了因電機(jī)帶負(fù)載能力不足而導(dǎo)致機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械損壞。

表1 機(jī)構(gòu)的負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果

3.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)行檢查

對(duì)減速機(jī)構(gòu)開(kāi)展振動(dòng)信號(hào)測(cè)量是常見(jiàn)的故障判斷手段［3］，在兩級(jí)減速機(jī)構(gòu)外殼（圖2中的1、2處）和法蘭連接處（圖2中的6處，即受損法蘭處）安裝振動(dòng)傳感器，通過(guò)振動(dòng)圖像觀(guān)察設(shè)備運(yùn)行狀況。振動(dòng)圖像如表2所示。

表2 電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)運(yùn)行振動(dòng)檢測(cè)表

由表2可知，位置1與位置2均位于減速機(jī)構(gòu)上，振動(dòng)圖像顯示內(nèi)部齒輪運(yùn)行平穩(wěn)，位置6則在運(yùn)行開(kāi)始時(shí)出現(xiàn)短時(shí)連續(xù)大幅振動(dòng)，由結(jié)構(gòu)圖可知該法蘭面內(nèi)為蝸桿所套軸承與二級(jí)減速機(jī)構(gòu)連接法蘭交界處。經(jīng)分析，造成振動(dòng)的原因?yàn)槲仐U軸承在電機(jī)啟動(dòng)后，由于與外殼所連接的法蘭面間存在約5 mm間隙，運(yùn)行后對(duì)法蘭面產(chǎn)生橫向沖擊力，連續(xù)沖擊對(duì)法蘭連接造成了損害。

3.3 法蘭面受力分析

檢查機(jī)構(gòu)內(nèi)各部件安裝位置可知，運(yùn)行中脫落的一級(jí)減速機(jī)構(gòu)2及電機(jī)本體5未與機(jī)構(gòu)箱連接固定，固定僅靠法蘭面6顆M8×10螺絲。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，該6顆不銹鋼螺絲在鋁材質(zhì)減速機(jī)外殼上擰入深度僅為9 mm，抽檢產(chǎn)品時(shí)發(fā)現(xiàn)部分螺絲安裝存在滑絲現(xiàn)象，而機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中規(guī)定該類(lèi)型螺絲擰入深度不應(yīng)小于12 mm［4］，有效旋合螺牙無(wú)法滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，嚴(yán)重影響到法蘭面的連接強(qiáng)度。

通過(guò)電機(jī)負(fù)載實(shí)驗(yàn)、機(jī)構(gòu)工況檢查和受力分析，可明確造成電機(jī)減速機(jī)構(gòu)脫落的原因?yàn)槲仐U在電機(jī)啟動(dòng)后對(duì)減速機(jī)構(gòu)連接法蘭面間隙處形成橫向沖擊，同時(shí)，原法蘭面連接強(qiáng)度亦無(wú)法滿(mǎn)足要求，故造成啟動(dòng)后螺絲脫離，減速機(jī)構(gòu)脫落。

4 改進(jìn)方案與試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 改進(jìn)方案

在蝸桿與法蘭面之間的空隙處增加膠墊擋圈（圖3中位置8）。緩沖蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)法蘭面的沖擊。

連接螺絲更換為M8×20，增加法蘭面連接螺絲（圖3中位置6）的攻絲深度和擰入深度。

增加電機(jī)與機(jī)構(gòu)箱體之間的連接片（圖3中位置9），消除機(jī)構(gòu)及電機(jī)自重對(duì)法蘭面的作用力。

圖3 改進(jìn)后的電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)

4.2 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

為驗(yàn)證改進(jìn)前后連接法蘭面抗沖擊能力，選擇改進(jìn)前樣品1和改進(jìn)后樣品2進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 改進(jìn)前后機(jī)構(gòu)拉伸試驗(yàn)

三相合閘力矩最大值Tmax和渦輪承受的軸向力F分別為

式中：t為單相合閘力矩最大值；η為傳動(dòng)效率；d為渦輪分度圓直徑。

隔離開(kāi)關(guān)相間采用軸銷(xiāo)傳動(dòng)，單相合閘力矩最大值t取400 N·m，η為約95%，d取0.121 8 m，則Tmax=1 263 N·m，F(xiàn)=20 738 N。

由于減速機(jī)工作瞬間有沖擊，沖擊系數(shù)k為1.6～2.1，因此取最大載荷時(shí)，軸向沖擊力Fmax為

軸向最大沖擊約為43.5 kN，將其作為法蘭面許用應(yīng)力，安全系數(shù)n為［5］

式中：σ0為極限應(yīng)力，即表3中抗拉力，［σ］為許用應(yīng)力。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可計(jì)算出，改進(jìn)前試品1安全系數(shù)為1.22，改進(jìn)后試品2安全系數(shù)為1.94。由此可見(jiàn)，改進(jìn)后的減速機(jī)構(gòu)安全系數(shù)提升，抗拉強(qiáng)度獲得顯著增強(qiáng)。

4.3 分合試驗(yàn)

經(jīng)3 000次分合閘實(shí)驗(yàn)后，開(kāi)關(guān)均分合到位，電機(jī)溫升正常，減速機(jī)構(gòu)及電機(jī)無(wú)異響，連接法蘭固定良好。解體機(jī)構(gòu)內(nèi)部各元件無(wú)磨損或變形，如圖4所示。可見(jiàn)改進(jìn)后的減速機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)可靠運(yùn)行的目標(biāo)。

圖4 分合實(shí)驗(yàn)后機(jī)構(gòu)解體照片

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)隔離開(kāi)關(guān)兩級(jí)減速機(jī)構(gòu)脫離故障，通過(guò)電機(jī)負(fù)載實(shí)驗(yàn)、減速機(jī)構(gòu)運(yùn)行監(jiān)測(cè)、法蘭面受力分析三方面確認(rèn)了故障原因，并提出減速機(jī)構(gòu)的改進(jìn)方案，通過(guò)拉伸試驗(yàn)和分合試驗(yàn)對(duì)改進(jìn)后的機(jī)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示改進(jìn)方案有效緩解了蝸桿運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的軸向沖擊，同時(shí)一、二級(jí)減速機(jī)構(gòu)間連接強(qiáng)度亦獲得增強(qiáng)，顯著提高了隔離開(kāi)關(guān)的運(yùn)行可靠性。

同時(shí)，為避免類(lèi)似問(wèn)題重復(fù)出現(xiàn)，首先應(yīng)加強(qiáng)隔離開(kāi)關(guān)減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中的間隙控制和標(biāo)準(zhǔn)控制，確保隔離開(kāi)關(guān)可靠運(yùn)行。其次應(yīng)提高新投設(shè)備的驗(yàn)收全面性，驗(yàn)收時(shí)即觀(guān)察運(yùn)行是否存在異常，同時(shí)抽檢其安裝是否滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)，便于及早發(fā)現(xiàn)隱患，確保投運(yùn)后長(zhǎng)久可靠運(yùn)行。

［1］張琛，楊少選.高壓負(fù)荷及隔離開(kāi)關(guān)的電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)研制［J］.鐵道學(xué)報(bào)，1996，18（1）：123-126.

［2］陳磊.蝸輪蝸桿減速機(jī)常見(jiàn)故障及解決方法［J］.城市建設(shè)理論研究，2011（33）：22-23.

［3］閆冰一，李培軍，張瑞娟.基于LabVIEW的挖掘機(jī)行走機(jī)構(gòu)中減速機(jī)的振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.液壓與氣動(dòng)，2010（7）：70-72.

［4］聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［5］許本安，李秀治.材料力學(xué)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1988.

Fault Analysis on Reducing Mechanism Break-off of the Disconnector

LIU Liu，WANG Zhikun，SU Wen，GUO Yi，JIA Fengming
（State Grid Anhui Electric Power Maintenance Company，Hefei 230061，China）

As the main equipment of the power grid，the reliable operation of the disconnector is directly related to the stable operation of the power system.A two-stage reducing mechanism break-off fault of the disconnector is introduced.Causes of the failure are analyzed by working monitoring and force analysis.Improvement programs of the reducing mechanism are proposed，and the effectiveness of the scheme is verified by the tensile&action test，which provides references for the improvement of reducing mechanism manufacturing.

power system；disconnector；reducing mechanism；mechanism break-off

TM564

B

1007－9904（2017）05－0051－03

2016-12-08

劉流（1988），男，工程師，從事超特高壓變電設(shè)備檢修維護(hù)工作。