框架斷路器操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性淺析

董 蕾， 張 雷

(1. 海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局駐寧波地區(qū)軍事代表室，浙江寧波315000；2. 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢430064)

0 引言

目前，國內(nèi)外針對框架斷路器操作機(jī)構(gòu)可靠性開展了以下工作，任俊勇[1]通過建立操作機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行應(yīng)力分析研究其可靠性與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；蘇秀萍[2]通過有限元強(qiáng)度分析得到靜強(qiáng)度可靠度和疲勞強(qiáng)度可靠度評估方法，Yu Xue[3]分析了鎖扣機(jī)構(gòu)對斷路器操作機(jī)構(gòu)可靠性的影響。以上研究主要通過建立操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和靜力學(xué)模型，計(jì)算各部件在各類工況時(shí)的應(yīng)力水平，構(gòu)架操作機(jī)構(gòu)的可靠性分析模型，計(jì)算各部件在各個(gè)工況條件下的應(yīng)力水平，構(gòu)建操作機(jī)構(gòu)的可靠性分析模型。但較少從服役中的操作機(jī)構(gòu)全壽命周期表現(xiàn)出發(fā)，分析各結(jié)構(gòu)部件的磨損、斷裂及破壞失效情況。

本文以某型船用框架式斷路器操作機(jī)構(gòu)為例，構(gòu)建其可靠性分析模型，解析了關(guān)鍵部件對可靠性影響機(jī)理，在此基礎(chǔ)上提出關(guān)鍵部件加工工藝的改進(jìn)方法，可明顯提升框架式斷路器操作機(jī)構(gòu)的可靠性。

1 工作原理及結(jié)構(gòu)

框架斷路器操作機(jī)構(gòu)由機(jī)構(gòu)本體、電操裝置、手操裝置、合閘電磁鐵、分勵(lì)脫扣器、欠壓脫扣器（可選）、操作軸等部分組成。

框架斷路器的操作機(jī)構(gòu)能夠在接收到外部命令或人為干涉的情況下完成儲能、閉合、斷開、欠壓脫扣（可選）等操作。操作機(jī)構(gòu)如下圖所示。

2 可靠性分析

通過對某型船用框架式斷路器壽命試驗(yàn)及服役期間運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到操作機(jī)構(gòu)各零部件在壽命末期的表現(xiàn)。分析各零部件在操作機(jī)構(gòu)工作過程中的權(quán)重和破損情況，從加工工藝角度提出改進(jìn)建議，提升操作機(jī)構(gòu)運(yùn)行可靠性。

2.1 脫扣力影響

2.1.1 脫扣力的形成

斷路器處于閉合狀態(tài)時(shí)，其靜觸頭對動(dòng)觸頭產(chǎn)生觸頭反力（一般為幾千牛頓），并通過連桿、轉(zhuǎn)軸、連桿、杠桿、連桿傳遞，作用力逐級遞減，最終使杠桿對半軸產(chǎn)生一個(gè)壓力（一般為幾十牛頓）。

距離半軸中心為r的懸臂上作用一驅(qū)動(dòng)半軸旋傳并使操作機(jī)構(gòu)脫扣的力P，即斷路器操作機(jī)構(gòu)脫扣力（也稱斷路器的脫扣力）。若忽略半軸兩端的支承磨擦力，且作用力指向半軸中心，它基本不產(chǎn)生阻力矩，則欲使機(jī)構(gòu)脫扣。

2.1.2 改進(jìn)措施解決方法

通過分析脫扣力的影響因素，制訂以下幾點(diǎn)在不改變斷路器結(jié)構(gòu)的情況下，在生產(chǎn)中可快速、有效地解決脫扣力離散度的問題：

1）穩(wěn)定 T扭簧。半軸由脫扣力驅(qū)動(dòng)后，往往要由扭簧進(jìn)行復(fù)位，T扭簧為構(gòu)成脫扣力的一部分。因此，要穩(wěn)定脫扣力扭簧扭矩的公差應(yīng)控制在較小范圍內(nèi)（一般為±5%）；

2）半軸5、杠桿7扣面部位應(yīng)較高的硬度和較低的粗糙度值。采用GCr15軸承鋼，局部高頻淬火（50～53）HRC，淬火后進(jìn)行外圓磨床磨半軸外圓，保證精確的尺寸，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2 杠桿

杠桿是機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部件之一，其性能直接關(guān)系到斷路器的穩(wěn)定性與可靠性，研究杠桿對機(jī)構(gòu)使用壽命具有重要作用。

2.3 閉合半軸跳扣

通過對閉合系統(tǒng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其有很多薄弱環(huán)節(jié)，提出以下幾點(diǎn)解決方法：

1）原采用45號鋼，在使用中部分有拉開變形，頭部與勾部嚴(yán)重磨損，儲能不可靠，考慮材料改為強(qiáng)度和硬度更高的錳鋼65Mn；

2）改進(jìn)熱處理工藝，調(diào)質(zhì)（22～28）HRC后局部淬火（50～53）HRC，用夾具把工件組合固定淬火，然后調(diào)平處理。

2.4 凸輪、軸

經(jīng)過壽命3000次試驗(yàn)后，觀察發(fā)現(xiàn)凸輪軸和孔有明顯磨損痕跡，前后搖動(dòng)很大，對比出廠時(shí)的操作機(jī)構(gòu)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)其凸輪、軸配合較松，提出以下工藝改進(jìn)方法：

1）改進(jìn)軸的熱處理工藝，調(diào)質(zhì)（22～28）HRC改為正火（234～283）HB，V型槽加工后再進(jìn)行高頻局部淬火，正火細(xì)化材料內(nèi)部組織，提高材料切削性能，保證銑刀幾何形狀與加工壽命；

2）軸與凸輪孔采用過盈配合，凸輪孔60°處，要求不能小于 60°，R符合要求，然后用夾具固定在氣壓機(jī)上整體壓合。

2.5 脫扣杠桿

2.5.1 跳扣軸壓鉚

1）設(shè)計(jì)左右兩片，跳扣鉚接工裝。分析了跳扣較薄，經(jīng)過熱處理出現(xiàn)工件變形大，脫落很多氧化層造成孔與軸配合過松，兩片前后不齊等缺陷產(chǎn)生的原因，并給出解決方案。通過工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)的可靠性與穩(wěn)定性有了很大的提高，解決了滑扣現(xiàn)象；

2）零件工藝分析。ZW系列斷路器都有的類似零部件，要將軸臺階上的余料壓鉚在跳扣平面上。壓鉚后需要滿足一定的扭矩檢測要求。采用原工裝進(jìn)行零件加工，由于定位軸與跳扣孔公差較大，導(dǎo)致跳扣處單片與夾具上摩擦，一但夾具松掉，跳扣回到原變形狀態(tài)，孔與軸配合較松，鉚牢小鉚釘后，造成跳扣前后不齊，軸與跳扣板打圈。同時(shí)軸硬度不高，跳扣有較高的硬度，經(jīng)過短暫試驗(yàn)就產(chǎn)生3處較深的勾槽，縮短機(jī)構(gòu)使用壽命。

2.5.2 改進(jìn)方法

1）設(shè)計(jì)易于加工裝配的工裝夾具。在生產(chǎn)中實(shí)際檢驗(yàn)，鉚接強(qiáng)度穩(wěn)定可靠安全，上壓塊內(nèi)孔臺階比零部件軸的臺階少0.1～0.2 mm左右，軸與跳扣孔采用過盈公差配合，鉚壓整體；

2）軸保留兩端40°錐度，頂住兩軸端，專用磨夾具固定整體跳扣進(jìn)行外圓磨R65。改進(jìn)加工工藝使得零件加工精度大有提高，確保了同心度與加尺寸要求，增強(qiáng)扭矩力與強(qiáng)度，保證可靠穩(wěn)定。

2.6 軸與孔配合

機(jī)構(gòu)中的鉚合件，軸與孔都采用過盈配合，放長了軸的鉚合長度，要求高的孔進(jìn)行鉸孔處理，保證了孔的公差要求，增強(qiáng)鉚合的強(qiáng)度。

2.7 消除機(jī)構(gòu)側(cè)板變形

機(jī)構(gòu)兩側(cè)板是機(jī)構(gòu)主要骨架零件，它的加工精度直接關(guān)系到機(jī)構(gòu)其他關(guān)鍵零部件的安裝定位精度，因此需重點(diǎn)關(guān)注機(jī)構(gòu)側(cè)板的加工變形情況。

在某型斷路器操作機(jī)構(gòu)的加工過程中，左右側(cè)板材料較薄，在沖制加工中發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重彎曲變形情況，孔距不準(zhǔn)，孔切面深造成喇叭孔口，孔成橢圓形，尺寸及粗糙度均不滿足技術(shù)要求。部分連接寬度較小處有斷裂現(xiàn)象，在機(jī)構(gòu)整體裝配完成后，側(cè)板開檔尺寸不準(zhǔn)，導(dǎo)致半軸不能靈活轉(zhuǎn)動(dòng)卡死，直接影響機(jī)構(gòu)質(zhì)量。

根據(jù)上述問題提出了實(shí)際可行解決方案，彌補(bǔ)了沖制加工過程中存在的薄弱環(huán)節(jié)：

1）材料明確規(guī)定使用3mm20號冷軋鋼板（原為Q235-A板）；

2）軸與孔靜配合一律采用過盈配合，關(guān)鍵孔進(jìn)行精沖孔，保證孔公差配合技術(shù)要求。

2.8 機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸與動(dòng)觸頭連接

機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸與動(dòng)觸頭連接的連接使操作機(jī)構(gòu)與觸頭系統(tǒng)的接口，操作機(jī)構(gòu)通過此處連接為觸頭系統(tǒng)提供合閘時(shí)保持力和分閘力，其動(dòng)作穩(wěn)定性是合分閘可靠性的重要保證。在拆卸壽命試驗(yàn)后的連接機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸與動(dòng)觸頭連接銷軸發(fā)現(xiàn)，銷軸表面、操作機(jī)構(gòu)懸臂、動(dòng)觸頭連桿等連接處有一定的塑性變形。對此，提出了以下改進(jìn)方案：

1） 對連接件進(jìn)行材料更換或表面處理提高硬度；

2） 在裝配技術(shù)要求中提高連接處的裝配精度要求。

2.9 彈簧、扭簧、拉簧

彈簧、扭簧、拉簧是機(jī)械杠桿傳遞的機(jī)構(gòu)是不可缺少的關(guān)鍵元件之一，其在斷路器的合分閘過程中彈簧力和形變反復(fù)變化，會放大材料內(nèi)部缺陷，產(chǎn)生低周疲勞導(dǎo)致破壞失效。因此，在材料的選擇、熱處理，加工樣品測試等環(huán)節(jié)需嚴(yán)格把控。

1）將原關(guān)鍵的部位（觸頭彈簧、儲能彈簧）選用的碳素彈簧鋼絲更換為硅錳鋼絲60Si2MnA，提高耐壓，穩(wěn)定性以及安全系數(shù)；

2）嚴(yán)格把關(guān)彈、扭、拉簧的質(zhì)量，關(guān)鍵零件按照技術(shù)要求施行全檢；

3 結(jié)論

本文以某型船用框架斷路器操作機(jī)構(gòu)為研究對象，立足于國內(nèi)外現(xiàn)有成熟技術(shù)，提出了操作機(jī)構(gòu)可靠性影響因素分析方法，給出了通過關(guān)鍵部件加工工藝改進(jìn)促進(jìn)可靠性提升的建議，達(dá)到了產(chǎn)品可靠性的要求。保證了用戶的可靠安全使用，對整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。