10kV戶內(nèi)真空斷路器儲(chǔ)能彈簧便捷拆裝專用工具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳昆 胡得圣 王咿燃 尹學(xué)兵 何鑫濤

摘要：本文通過詳細(xì)闡述了目前真空斷路器因其結(jié)構(gòu)問題在日常維護(hù)保養(yǎng)時(shí)遇見的有個(gè)別拆卸難點(diǎn)問題，對此類難點(diǎn)問題進(jìn)行，深入化研究，并提出設(shè)想與解決方案，最后設(shè)計(jì)了一款方便、快捷、高效、安全的拆卸專用工具。目前大多數(shù)對真空斷路器的這些零部件的拆卸方式都是傳統(tǒng)的撬開方式。通過改進(jìn)方法，增加對拆卸專用工具的使用，提高了作業(yè)人員的工作效率，減少了拆卸工作的時(shí)長，保障作業(yè)人員的安全性與電氣設(shè)備的完整性。對企業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

前言

真空斷路器是三相交流系統(tǒng)的配電裝置，因其體積小，重量輕等特點(diǎn)要求，被廣泛運(yùn)用到無油化、操作頻繁以及檢修次數(shù)少的工作場所，它可以作為控制和保護(hù)發(fā)電廠、變電站及工廠、礦產(chǎn)業(yè)等大型場所的電器設(shè)備。

隨著改革開發(fā)的步伐，國家電力技術(shù)的高速騰飛，真空短路器的技術(shù)也得到了蓬勃的發(fā)展。它由過去的幾種型號(hào)，經(jīng)過這近十年翻天覆地的變化，也發(fā)展成了擁有數(shù)十種型號(hào)產(chǎn)品的大家族，并且在質(zhì)量和技術(shù)方面上也得到很大的提升，結(jié)構(gòu)上更加優(yōu)化，性能更加出色，工作周期更長。為國內(nèi)的各種用戶提供了良好電器設(shè)備保護(hù)的服務(wù)。

它的工作原理也很簡單，主要是：通過觸頭的特殊形狀，在其電流作用下，會(huì)生成一個(gè)電磁場;通過電磁場可以消除動(dòng)靜觸頭分合閘時(shí)產(chǎn)生電弧，保護(hù)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，不會(huì)因其工作產(chǎn)生的電弧發(fā)生火災(zāi)或擊穿電氣設(shè)備元件。

本文以真空斷路器中的儲(chǔ)能電機(jī)部件作為研究對象，針對日常儲(chǔ)能電機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)中遇到不少拆卸的難點(diǎn)與問題現(xiàn)象，對這些難點(diǎn)問題現(xiàn)象，作深入化的了解研究和技術(shù)上的攻關(guān)。通過對儲(chǔ)能電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與儲(chǔ)能彈簧性能進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，通過對儲(chǔ)能彈簧的特點(diǎn)，解決儲(chǔ)能彈簧難拆卸的問題現(xiàn)象，并可保護(hù)儲(chǔ)能彈簧在拆卸的過程中不被損害，特設(shè)計(jì)了一款可以方便、安全、快捷拆卸儲(chǔ)能彈簧的專業(yè)拆卸工具。

一、儲(chǔ)能彈簧便捷拆裝專用工具研究的背景

10kV戶內(nèi)真空斷路器是通過預(yù)先設(shè)定好的機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模式，對交流線路進(jìn)行自動(dòng)的開關(guān)和重合的動(dòng)作，可以做到自動(dòng)復(fù)位和閉鎖，并具有控制保護(hù)功能的高壓電開關(guān)設(shè)備。10kV戶內(nèi)真空斷路器因其顯著特點(diǎn)，它是主網(wǎng)變電站、配網(wǎng)系統(tǒng)中占比最大的電氣設(shè)備。而10kV的戶內(nèi)小車式真空斷路器的儲(chǔ)能電機(jī)部件是屬于易損的元器件，需要作業(yè)人員經(jīng)常性的更換。

對儲(chǔ)能電機(jī)進(jìn)行更換的作業(yè)中，由于儲(chǔ)能電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，在拆除儲(chǔ)能電機(jī)的過程中，經(jīng)常會(huì)在拆卸時(shí)會(huì)出現(xiàn)固定在儲(chǔ)能電機(jī)上的螺栓被儲(chǔ)能彈簧擋住，而此時(shí)儲(chǔ)能彈簧狀態(tài)處于完全釋能狀態(tài)，彈簧保持處于被拉伸約10mm的狀態(tài)，使拆卸作業(yè)人員無法正常將儲(chǔ)能電機(jī)拆下，只能強(qiáng)行將儲(chǔ)能彈簧撬開到一定的位置，才能將電機(jī)的固定螺栓取下。如果多次以此強(qiáng)行方法撬開彈簧，會(huì)對彈簧的勁度與彈性產(chǎn)生一定影響，不利于儲(chǔ)能彈簧的有效工作周期。

此外，由于儲(chǔ)能彈簧在正常運(yùn)行期間，長期處于拉伸狀態(tài)，容易產(chǎn)生疲勞變形，使斷路器的機(jī)械機(jī)構(gòu)特性出現(xiàn)不合格現(xiàn)象，此時(shí)就需要將儲(chǔ)能彈簧，進(jìn)行拆下重新測試或者更換新的儲(chǔ)能彈簧。

需要對彈簧進(jìn)行拆卸工作，就必須將儲(chǔ)能彈簧拉伸至儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)的主軸不受力狀態(tài)下，使其扣環(huán)沒有張力，讓扣環(huán)處于不受力的自由狀態(tài)，才能將儲(chǔ)能彈簧順利拆除移開。彈簧正常工作狀態(tài)如圖（1），儲(chǔ)能彈簧拆卸后樣子如圖（2）。

彈簧正常工作狀態(tài)圖（1）

儲(chǔ)能彈簧拆卸后樣子圖（2）

通過儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)部件的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能彈簧工作狀態(tài)所處的內(nèi)部空間很小，可以提供作業(yè)人員操作的范圍也比較有限，不利于作業(yè)人員的展開工作。

每次作業(yè)人員需要對儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)進(jìn)行更換部分元器件、調(diào)整三相同期及分合閘速度的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)拆卸元件被儲(chǔ)能彈簧遮擋住，不利于作業(yè)人員的操作，極大地降低了作業(yè)人員工作的效率和提高了更換元件的成本。因?yàn)楦鼡Q元件的時(shí)候需要對電氣設(shè)備進(jìn)行斷電處理，而真空斷路器是為了保護(hù)高壓電路安全的設(shè)備，連鎖反應(yīng)就會(huì)很大深度上影響了企業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)保障。

將儲(chǔ)能彈簧拆下的過程情況中，會(huì)因傳統(tǒng)的拆卸方式，與傳統(tǒng)的拆卸工具如螺絲刀等，極其容易產(chǎn)生不利于安全防護(hù)的現(xiàn)象。拆卸作業(yè)不但工作效率很低，時(shí)間周期長，也會(huì)存在拆卸的過程中損傷到作業(yè)人員及設(shè)備的隱患，不利于現(xiàn)場維護(hù)保養(yǎng)的要求。

為了解決儲(chǔ)能彈簧難拆卸這一難點(diǎn)問題現(xiàn)象，通過對儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)能彈簧的工作原理進(jìn)行分析，并為了提高作業(yè)人員的工作效率，有效地確保作業(yè)人員與電器設(shè)備的安全，特設(shè)計(jì)一種新型的安全便捷拆卸儲(chǔ)能彈簧的專用工具。

二、儲(chǔ)能彈簧便捷拆裝專用工具的結(jié)構(gòu)與原理

2.1儲(chǔ)能彈簧便捷拆裝專用工具的結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能彈簧便捷拆裝專用工具是由1彈簧插爪、2左右旋絲杠、3絲杠驅(qū)動(dòng)部分（由棘輪棘爪構(gòu)成，與棘輪扳手相似，可以做到張緊與開合在同一操作位置）、4含油軸套、5棘輪扳手、6上下封板組成、7導(dǎo)柱。儲(chǔ)能彈簧便捷拆裝專用工具結(jié)構(gòu)如圖（3）所示：圖（3）為儲(chǔ)能彈簧便捷拆裝專用工具拆卸儲(chǔ)能彈簧總裝配圖。圖（4）為儲(chǔ)能彈簧便捷拆裝專用工具結(jié)構(gòu)圖。

儲(chǔ)能彈簧便捷拆裝專用工具結(jié)構(gòu)總裝圖（3）

儲(chǔ)能彈簧便捷拆裝專用工具結(jié)構(gòu)圖（4）

為了能夠有效地將儲(chǔ)能彈簧安全無損地拆卸下來，這款拆裝專用工具在設(shè)計(jì)上就應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，保證拆裝專用工具在運(yùn)動(dòng)與拆卸中不會(huì)產(chǎn)生變形等不良的情況。通過在材料的選取與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上滿足工作強(qiáng)度的需求，保證拆裝工作的順利進(jìn)行。

為了符合無損拆裝這一設(shè)計(jì)要求，在彈簧插爪的設(shè)計(jì)上也做了不小的改進(jìn)。彈簧插爪設(shè)計(jì)平面不是平行性，而是為了配合彈簧的曲線形狀設(shè)計(jì)成為曲面形態(tài)，這樣的設(shè)計(jì)是為了更好的在儲(chǔ)能彈簧被拆裝時(shí)，與儲(chǔ)能彈簧接觸面更大，不讓所有的應(yīng)力集中到了一條線上，造成儲(chǔ)能彈簧的損傷，做到真正的無損拆裝。保護(hù)了儲(chǔ)能彈簧的外觀和它的性能不被破壞。

左右旋絲杠的設(shè)計(jì)是上端為左旋，下端為右旋，目的是為了保證彈簧插爪可以同時(shí)開合運(yùn)動(dòng)（或者伸縮運(yùn)動(dòng)），并保證導(dǎo)柱傳動(dòng)的精度要求，左右絲桿的作用相當(dāng)于動(dòng)能傳輸部件，保證了動(dòng)能輸出方向和運(yùn)動(dòng)軌跡符合設(shè)計(jì)要求。

絲杠驅(qū)動(dòng)部分是根據(jù)棘輪扳手的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，目的是保證一個(gè)絲杠驅(qū)動(dòng)操作動(dòng)作就可以做到上下的彈簧插爪同時(shí)進(jìn)行張緊與開合的動(dòng)作。并通過齒輪組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，增加了驅(qū)動(dòng)部分的自鎖功能，使驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)到需求部位的時(shí)候，不施加外力的情況下，驅(qū)動(dòng)裝置可以通過自身的自鎖功能，將彈簧插爪自鎖在需要張開的部位。絲杠驅(qū)動(dòng)零部件是利用齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)，保證絲杠驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)的高效性，齒輪組合給整個(gè)專用工具運(yùn)動(dòng)提供減速比，放大扭矩的作用，屬于整個(gè)專用工具的動(dòng)力裝置。

含油軸套中的含油設(shè)計(jì)目的是為了保證提高導(dǎo)柱與軸套的耐磨性，軸套是為了保證彈簧插爪與導(dǎo)柱運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)度，使其上下運(yùn)動(dòng)的一致性。含油軸套在整個(gè)專用工具中起到了保證彈簧插爪在運(yùn)動(dòng)精度上的作用。

棘輪扳手是人為提供動(dòng)能的初始裝置，它可以將作業(yè)人員對它做的功轉(zhuǎn)化成專用拆裝工具拆裝的勢能。為了方便作業(yè)人員的操作，棘輪扳手內(nèi)還含螺紋結(jié)構(gòu)，可以通過螺紋連接棘輪扳手桿。通過杠桿力矩的原理，讓作業(yè)人員可以輕松轉(zhuǎn)動(dòng)棘輪，從而實(shí)現(xiàn)這款專用拆裝工具的便捷性能。

上下封板的作用是固定整個(gè)專用拆裝工具，并起到保證導(dǎo)柱的精準(zhǔn)度，使其與左右絲桿始終保持平行狀態(tài)，不會(huì)因左右絲桿與彈簧插爪的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生改變。它是整個(gè)專用拆裝工具的固定和導(dǎo)向的重要部件。

2.2儲(chǔ)能彈簧便捷拆裝專用工具的工作原理

將儲(chǔ)能彈簧便捷拆裝專用工具上的彈簧插爪按插爪的曲面形態(tài)與儲(chǔ)能彈簧形態(tài)一致性的方向，自由狀態(tài)插入需要拆裝的儲(chǔ)能彈簧里。通過轉(zhuǎn)動(dòng)儲(chǔ)能彈簧便捷拆裝專用工具上的棘輪扳手柄，就可以轉(zhuǎn)動(dòng)與棘輪扳手咬合的齒輪組，該齒輪在運(yùn)動(dòng)后，會(huì)將旋轉(zhuǎn)動(dòng)能通過與左右絲桿連接，傳動(dòng)到了左右絲桿上。左右絲桿也隨著一起進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過左右絲桿運(yùn)動(dòng)，將儲(chǔ)能彈簧便捷拆裝專用工具上下端的含油軸套與彈簧插爪往導(dǎo)柱的兩端同時(shí)運(yùn)動(dòng)，這樣就可以完美將旋轉(zhuǎn)棘輪扳手的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了彈簧插爪開合運(yùn)動(dòng)的勢能。利用彈簧插爪的打開動(dòng)作增加的勢能，給儲(chǔ)能彈簧一個(gè)向外伸張的張力，抵消了儲(chǔ)能彈簧兩端扣環(huán)與螺柱的拉緊力。然后作業(yè)人員停止轉(zhuǎn)動(dòng)棘輪扳手，驅(qū)動(dòng)部分裝置通過自身的自鎖功能，鎖緊齒輪位置。儲(chǔ)能彈簧的扣環(huán)與螺柱之間沒有了拉緊力，作業(yè)人員就可以順利將儲(chǔ)能彈簧拆卸下來，或者將儲(chǔ)能彈簧裝上。

這樣的操作既方便，省力，還安全性很高，不會(huì)對儲(chǔ)能彈簧造成二次傷害。還有效地保護(hù)了作業(yè)人員與電氣設(shè)備的安全。

2.3儲(chǔ)能彈簧便捷拆裝專用工具設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能彈簧的拆卸在之前一直都是采用傳統(tǒng)的方式撬開，如用螺絲刀插入儲(chǔ)能彈簧里直接用力撬開儲(chǔ)能彈簧的一頭，讓其彈簧扣環(huán)與螺柱的拉緊應(yīng)力相互抵消，彈簧扣環(huán)恢復(fù)自由狀態(tài)后，再將其從電器設(shè)備上面拆卸下來。這樣的后果，不但對儲(chǔ)能彈簧和電氣設(shè)備都造成不同程度的損傷，還有可能對作業(yè)人員造成人身傷害，屬于對元件的有損拆卸行為，不利于元件的重復(fù)性利用。

對于儲(chǔ)能彈簧的拆裝一直都是真空斷路器維護(hù)保養(yǎng)的難點(diǎn)問題。針對該難點(diǎn)問題現(xiàn)象，并通過對儲(chǔ)能電機(jī)的結(jié)構(gòu)深入分析，提出對儲(chǔ)能彈簧拆卸進(jìn)行無損拆裝的目的要求，特專門設(shè)計(jì)了這款儲(chǔ)能彈簧便捷拆裝專用工具。

利用儲(chǔ)能彈簧對螺柱扣環(huán)的連接方式進(jìn)行分析，當(dāng)儲(chǔ)能彈簧處于工作狀態(tài)的情況下，儲(chǔ)能彈簧會(huì)有一個(gè)拉伸力。只有當(dāng)給這個(gè)儲(chǔ)能彈簧在彈簧的中間部分施加一個(gè)張力，抵消儲(chǔ)能彈簧兩端扣環(huán)與螺柱之間的拉緊力，才能順利地將儲(chǔ)能彈簧取下。針對這一特性，最先設(shè)計(jì)了一款是通過杠桿傳動(dòng)原理的拆裝專用工具，這一款工具的工作原理是利用杠桿傳動(dòng)原理的開合運(yùn)動(dòng)原理設(shè)計(jì)的。其工作運(yùn)動(dòng)方式是：通過作業(yè)人員單手握住兩根杠桿施加壓力，通過杠桿原理，將彈簧插爪張開，或者收合達(dá)到對儲(chǔ)能彈簧中間施加的張力，使儲(chǔ)能彈簧的扣環(huán)與螺柱之間的拉力被這一張力抵消，順利地將儲(chǔ)能彈簧拆卸下來。但是該設(shè)計(jì)方案存在不少的缺點(diǎn)，其一就是當(dāng)彈簧插爪張開的時(shí)候，作業(yè)人員不能松開已經(jīng)握緊的手，其二專用拆卸工具在保持運(yùn)動(dòng)的情況下，專用拆卸工具自身的固定性與定位性比較差，而且安全性也不高。

2.4儲(chǔ)能彈簧便捷拆裝專用工具優(yōu)化

針對上面杠桿原理設(shè)計(jì)方案產(chǎn)生的問題現(xiàn)象，做出問題的相應(yīng)分析，并且對拆卸專用工具的優(yōu)化設(shè)計(jì)，找到了固定性和定位性比較好的零部件——齒輪組。

齒輪傳動(dòng)是連續(xù)咬合傳遞動(dòng)能和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械元件，它擁有傳動(dòng)精度高、適用范圍很廣、工作可靠、適用壽命周期長，傳動(dòng)效率高，還有可以實(shí)現(xiàn)不同軸之間的傳動(dòng)。并且齒輪組可以提供減速比，放大扭矩等優(yōu)勢，并通過增加了自鎖功能這一環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)單人操作也可以方便快速拆裝儲(chǔ)能彈簧。

通過將齒輪傳動(dòng)代替了杠桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)，并增加自鎖功能。不但實(shí)現(xiàn)了拆裝工具的固定性好，定位性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)人員可以輕松轉(zhuǎn)動(dòng)拆裝工具，轉(zhuǎn)動(dòng)到指定部位后，就可以通過自身的自鎖功能，固定位置，不出現(xiàn)彈簧插爪倒回現(xiàn)象，有效解決了第一種方案出現(xiàn)的問題;齒輪組的方案設(shè)計(jì)還可以在工具的整體體積上做了不少的縮小，在結(jié)構(gòu)簡單的同時(shí)，還比較美觀，工具的收藏也很方便。從齒輪組設(shè)計(jì)方案的這些特點(diǎn)上，大大提高了儲(chǔ)能彈簧便捷拆裝專用工具的工作性能和維護(hù)保養(yǎng)性。

三、研究項(xiàng)目的應(yīng)用效果

儲(chǔ)能彈簧便捷拆裝專用工具在實(shí)際的應(yīng)用中，將由原來作業(yè)人員需要數(shù)分鐘甚至十?dāng)?shù)分鐘才能拆裝的儲(chǔ)能彈簧，現(xiàn)在通過這款專用工具僅僅只需不到一分鐘的時(shí)間，就可以將儲(chǔ)能彈簧安全而又輕松地從電器設(shè)備上拆除下來，或者安裝上去，有效地縮短了作業(yè)人員的工作時(shí)間，并可以進(jìn)行單人操作，大大地提高了作業(yè)人員的工作效率。

因其可以高效快速地更換元件，就可將需要停電維修的時(shí)間大大地縮短了，有效地為連續(xù)生產(chǎn)提供了保障，減少企業(yè)在時(shí)間成本上的資源浪費(fèi)，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。

在作業(yè)安全方面，因?qū)Ｓ霉ぞ吲c彈簧之間的相互卡緊作用，沒有將多余的應(yīng)力對外釋放，大大保護(hù)作業(yè)人員的人身安全與設(shè)備的安全。讓作業(yè)人員擁有一個(gè)良好與安全的工作環(huán)境。

四、結(jié)論

這款儲(chǔ)能彈簧便捷拆裝專用工具的設(shè)計(jì)原理比較簡單，它的加工工藝也不復(fù)雜，很容易加工裝配成型。在使用操作方面也非常簡單方便，不需要經(jīng)過復(fù)雜的人員技術(shù)培訓(xùn)就可以直接熟練使用。真正做到了方便與快捷。

這項(xiàng)專用拆裝工具的設(shè)計(jì)解決了儲(chǔ)能電機(jī)在維護(hù)保養(yǎng)檢修時(shí)不方便拆裝的難題，大大提高了對儲(chǔ)能彈簧拆裝的工作效率，減少了企業(yè)停電時(shí)間和對作業(yè)人員與設(shè)備的安全進(jìn)行有效的防護(hù)，為企業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)和安全生產(chǎn)提供了保障。并通過操作人員的無數(shù)次實(shí)踐檢驗(yàn)，證明了該專用拆裝工具的高效性、可靠性與安全性。