手輪松動導(dǎo)致的配電箱螺柱損壞故障分析與預(yù)防

江蘇自動化研究所 張 華

某型配電箱在可靠性試驗時發(fā)生了螺柱損壞斷裂的問題，通過對螺柱的斷裂現(xiàn)場進行檢查，結(jié)合試驗過程中的加載條件、配電箱結(jié)構(gòu)、裝配等流程，運用有限元受力分析方法對螺柱實施仿真模擬，通過實驗與仿真結(jié)合的手段確定了螺柱損壞的原因和相關(guān)因素，制定了相應(yīng)的改進措施，以做到舉一反三，杜絕再發(fā)生類似情況。

配電箱作為電氣系統(tǒng)內(nèi)廣泛存在的一種基礎(chǔ)性設(shè)備，因為其中的低壓配電裝置，常被應(yīng)用于電網(wǎng)中以保障后者運行過程中的安全。當(dāng)故障發(fā)生時，配電箱一方面應(yīng)當(dāng)能及時地切斷電路，另一方面還應(yīng)當(dāng)迅速向工作人員提出告警。因此，配電箱自身的安全保障，在整個電網(wǎng)的安全保障中是極其重要的。

軍用的配電箱與民用配電箱相比，除了需要提供同等的功能外，由于其常被應(yīng)用于惡劣、復(fù)雜、極端的環(huán)境，需要滿足更高的力學(xué)和熱學(xué)等性能的要求。故而，為了保證生產(chǎn)的配電箱滿足軍用的需求，設(shè)備在交付用戶前，都應(yīng)當(dāng)經(jīng)歷嚴格的各級試驗審查、篩選。

1 故障現(xiàn)象描述

某型配電箱在進行可靠性試驗的過程中，突發(fā)連接螺柱斷裂損壞的故障，螺柱斷裂現(xiàn)場的情況如圖1所示。該螺柱為不銹圓鋼制造（1Cr17Ni2），具體尺寸如圖2所示。該螺柱的主要功能是連接配電箱的殼體和蓋板，每套配電箱中共有2件。

圖1 配電箱中的斷裂螺柱現(xiàn)場圖

當(dāng)螺柱斷裂破壞時，最直接的結(jié)果便是其無法再連接殼體和蓋板，蓋板將和殼體發(fā)生相對位移，無法再保持原來的相對位置，嚴重時蓋板和殼體會直接脫離。除了這種結(jié)構(gòu)上的破壞，螺柱斷裂還會導(dǎo)致其他的惡劣影響。無論是殼蓋分離，導(dǎo)致配電箱內(nèi)部的關(guān)鍵、重要器件直接暴露在外部惡劣環(huán)境下；還是配電箱無法再起到原本的保護電路的作用，導(dǎo)致更大的電網(wǎng)故障和設(shè)備故障，這些影響都可能導(dǎo)致嚴重的經(jīng)濟損失乃至人員傷亡。因此，必須要及時定位配電箱中螺柱斷裂故障發(fā)生的原因，并舉一反三，杜絕類似現(xiàn)象的再次發(fā)生。

圖2 螺柱的尺寸圖

2 故障原因分析

2.1 配電箱可靠性試驗振動環(huán)境

根據(jù)《XX試驗大綱》要求，振動應(yīng)力按GJB899A《可靠性鑒定和驗收試驗》中的要求執(zhí)行，振動在垂向進行，應(yīng)力的施加程序為：

（1）每24 h周期內(nèi)，隨機抽取6 h施加振動應(yīng)力，并以3 h為一個振動循環(huán)，具體施加時間為：艙內(nèi)設(shè)備剖面，每個循環(huán)的第4 h～7 h、第18 h～21 h。（2）每一個3 h的振動循環(huán)中應(yīng)先施加戰(zhàn)斗損傷頻譜（圖3(a)）10 min，然后在其余時間內(nèi)施加運輸隨機頻譜（圖3(b)），每振動20 min停止10 min，并以此重復(fù)進行。（3）施加戰(zhàn)斗損傷頻譜時應(yīng)按以下規(guī)定進行對數(shù)正弦掃頻，如圖 3(a)所示：頻率范圍為4 Hz～60 Hz；振幅分別為：（0.76±0.15）mm（4Hz～15Hz），7.5 m/s2(15 Hz～60 Hz)；持續(xù)時間：10 min（頻率由低到高5 min，頻率由高到低5 min）。（4）施加運輸隨機頻譜時應(yīng)按以下規(guī)定進行隨機振動，如圖3(b)所示：頻率范圍：10 Hz～200 Hz；量級（總均方根值r.m.s.）：10 m/s2；持續(xù)時間：20 min。

2.2 試驗現(xiàn)場的故障原因分析

故障發(fā)生的力學(xué)原理非常簡單，就是某時刻螺柱的某處受到的應(yīng)力大于該處材料的破壞極限，導(dǎo)致螺柱在該處出現(xiàn)斷裂破壞。然而，想要定位故障的具體原因卻非常困難?，F(xiàn)存關(guān)于配電箱的研究，大多是針對民用配電箱的結(jié)構(gòu)、電氣等設(shè)計，極少有配電箱在復(fù)雜振動環(huán)境下的研究，沒有故例作為故障定位的參考。

因此，首先默認試驗所用的配電箱為完全滿足要求的設(shè)備，之后通過對現(xiàn)場殘骸的檢查分析，發(fā)現(xiàn)配電箱內(nèi)與手輪嚙合的墊塊部分出現(xiàn)異常，比正常情況下更薄，其余除螺柱部分都完全正常，而螺柱部分由于斷裂破壞，無法檢查其狀態(tài)是否符合試驗要求。

圖3 配電箱可靠性試驗中施加的載荷頻譜

2.3 有限元仿真方法

近年來，隨著計算機性能的高速發(fā)展，CAE（Computer Aided Engineering，計算機輔助工程）也同樣迅猛發(fā)展，以此為基礎(chǔ)建立的有限元方法的計算規(guī)模和計算精度也得到了大幅的提升?，F(xiàn)在，通過建立有限元模型進行設(shè)備的動力學(xué)仿真分析在結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析中占據(jù)越來越重要的地位。當(dāng)前，有限元仿真模擬廣泛應(yīng)用于汽車NVH分析、建筑結(jié)構(gòu)、材料力學(xué)性能分析等方面，模擬實際實驗時的載荷、約束條件等，對設(shè)備性能進行實驗前的預(yù)估。然而，當(dāng)前的有限元方法在工程應(yīng)用上更多的是集中在研究設(shè)備的預(yù)研、可靠性和環(huán)境適應(yīng)性確認等方面，針對設(shè)備的具體的故障原因定位則比較罕見。而通過仿真模擬的方法，建立準確的有限元模型，并對其在各階段載荷作用中的受力進行分析，是探索實際實驗中發(fā)生故障的原因的一種行之有效的方法。

3 設(shè)備的有限元模型

為了盡可能的仿真出配電箱的真實試驗情況，建立了如圖4所示的配電箱模型。其中，連接蓋板和殼體的螺柱、拉桿和手輪材質(zhì)為不銹鋼（1Cr17Ni2），其余部分材質(zhì)為鋁合金（ZL102）。螺柱部分通過兩個螺母固定，而手輪部分則是通過與卡扣結(jié)構(gòu)的嚙合以實現(xiàn)蓋板和殼體的相對固定，拉桿結(jié)構(gòu)僅為蓋板與殼體內(nèi)部鏈接的結(jié)構(gòu)，防止蓋板打開過大，不承擔(dān)固定作用。

圖4 配電箱的三維仿真模型

結(jié)合試驗標準的要求和現(xiàn)場試驗的具體實施，在進行有限元分析時采用的是關(guān)閉狀態(tài)下的配電箱模型，且整個試驗過程中配電箱未安裝減振器（圖4中殼體足部四個黑色部分）。對模型的網(wǎng)格劃分，以六面體網(wǎng)格單元為主，以四面體網(wǎng)格單元為輔，兼顧了計算的精度和速度。在模型中原來的減振器處施加固定約束，對整個模型添加垂向向下的9.8 m/s2的重力加速度（X軸負方向），最終得到如圖5所示的理想的配電箱有限元模型。

圖5 理想的配電箱有限元模型

整個配電箱中各個部件靜態(tài)條件下的強度極限可以直接采用材質(zhì)的數(shù)據(jù)，各單元的參數(shù)分別如表1所示：

表1 配電箱中各單元的組成參數(shù)

3.1 配電箱理想模型的模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力學(xué)的一種重要方法，可以得到機械結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型等關(guān)鍵參數(shù)。在本文中，由于試驗使用的戰(zhàn)斗損傷譜和運動隨機頻譜都是寬頻的激勵，在這種頻譜的激勵下，結(jié)構(gòu)的某些固有模態(tài)很可能會被激發(fā)顯示，因此，研究設(shè)備的模態(tài)對于后續(xù)的受力分析時非常必要的。在圖3所示的寬頻頻譜激勵下，重點研究設(shè)備的頻率在200 Hz以內(nèi)及200 Hz相近的固有頻率。綜合計算結(jié)果和實際試驗的設(shè)置，表2為整個配電箱模型的前六階仿真計算的固有頻率的匯總。

圖6所示為關(guān)閉狀態(tài)的配電箱在前六階固有頻率所表現(xiàn)出來的振型和模態(tài)應(yīng)力圖。前四階模型中的振型都是優(yōu)先表現(xiàn)在破壞螺柱與螺母的連接，進而使蓋板和殼體發(fā)生相對位移。而第五六階時模型的振型主要表現(xiàn)為蓋板與殼體各自或共同發(fā)生變形。同時，可以觀察到前六階模態(tài)中最大等效應(yīng)力都發(fā)生在手輪處。前四階振型的固有頻率都小于200 Hz，說明在2.1施加的頻譜載荷下，設(shè)備的主要風(fēng)險集中在連接蓋板和殼體的螺柱和手輪嚙合處。

圖6 閉合狀態(tài)的配電箱前六階模態(tài)應(yīng)力圖：（I）1階，（II）2階，（III）3階，（IV）4階，（V）5階，（VI）6階

表2 配電箱模型的前四階固有頻率及最大等效應(yīng)力表

圖7 閉合狀態(tài)的配電箱分別在（a）戰(zhàn)斗損傷譜下的等效應(yīng)力響應(yīng)和（b）運輸隨機頻譜下的等效應(yīng)力圖

圖7為模型分別加載2.1中戰(zhàn)斗損傷頻譜和運輸隨機頻譜后的等效應(yīng)力圖。易見，兩種頻譜加載后，最大等效應(yīng)力都作用在拉桿部位且都遠小于拉桿材料的彈性模量。而在實際試驗中發(fā)生斷裂的螺柱退刀槽處，更是遠遠小于理論的彈性模量。此種情況下，如果可能因材料疲勞而發(fā)生破壞的話，也是優(yōu)先發(fā)生在拉桿與殼體、蓋板的連接處，而不是螺柱退刀槽處。

在該理想模型中，不同單元間的相互連接都是出于最理想狀態(tài)，為接觸綁定狀態(tài)。在此狀態(tài)下，圖5的模型用來分析整個配電箱的可靠性綽綽有余，但想要用來定位螺柱斷裂的原因則略顯不足。在試驗中，更換斷裂螺柱后，配電箱通過了2.1的試驗，說明正常情況下不會發(fā)生該故障，前文仿真得到的結(jié)果是可信的。

3.2 手輪嚙合存在問題

模型中蓋板和殼體間的連接約束有四處，分別為兩個螺柱處和兩個手輪處，當(dāng)不考慮殼體時，這四處可以視為固定約束。結(jié)合實際情況，在進行設(shè)備的故障定位分析時，首先考慮的是正常試驗條件中出現(xiàn)概率最高的現(xiàn)象，譬如手輪部分未能完全嚙合，導(dǎo)致約束條件無法達到理想情況。手輪未能完全嚙合，在工程中是有可能存在的，客觀的原因如鍥形輪、墊塊等松動，主觀原因如試驗人員未嚙合完全等。因此，先后分析了嚙合完全，上手輪未完全嚙合，下手輪未完全嚙合，上下手輪都未完全嚙合的情況下模型的受力情況。

表3 不同的手輪嚙合情況對應(yīng)的受力分析表

易見，由于手輪未能完全嚙合，導(dǎo)致在該處不能產(chǎn)生固定約束，會導(dǎo)致一階固有頻率的降低。如表3所示，當(dāng)上下手輪都松動時，一階固有頻率降至210 Hz（200Hz×(1+10%)），在該情形下，當(dāng)施加隨機振動頻譜時，由于掃頻的最大頻率為200 Hz，設(shè)備有因隨機載荷而發(fā)生共振的可能。

表4 一個固定約束生效或全部松動時的受力分析表

3.3 更多固定約束松動情況

3.2中的問題會導(dǎo)致在試驗過程中設(shè)備的固定約束進一步松動。而當(dāng)更多的固定約束松動時，如表4所示，進一步分析不同約束條件下的設(shè)備的模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)在這些約束情況下，模型的一階模態(tài)固有頻率基本都落在隨機譜范圍內(nèi)，會隨著隨機譜的施加而發(fā)生共振，此時的最大等效靜應(yīng)力都大于螺柱材料的彈性模量，導(dǎo)致螺柱受到破壞，設(shè)備發(fā)生故障。

4 改進措施

預(yù)防再次出現(xiàn)第1章節(jié)中的類似現(xiàn)象，針對第3章節(jié)中的問題，應(yīng)當(dāng)做到以下幾點，才能從根本上杜絕故障再次出現(xiàn)。

（1）裝配前應(yīng)檢查設(shè)備材料、工藝，保證各零部件滿足標準要求，多數(shù)情況下目視不足以確定材料、工藝是否合格，應(yīng)當(dāng)采用合適的方法來進行確認；

（2）試驗前應(yīng)當(dāng)全面檢查設(shè)備，發(fā)現(xiàn)手輪嚙合出問題不夠緊密時應(yīng)當(dāng)及時更正，保證各零部件能夠充分發(fā)揮其作用。

總結(jié)：本文通過有限元仿真模擬的方法，分析了實際試驗中突發(fā)的配電箱螺柱斷裂的故障。通過對配電箱理想模型的受力分析，確定了正常工作時的配電箱不會發(fā)生故障。之后針對理論和現(xiàn)實中都可能存在的手輪嚙合處固定約束松動的情況，對螺柱及蓋板等模型進行了進一步的受力分析，明確了材料在這種情境下的破壞風(fēng)險。最后，則針對前面受力分析的條件，針對性地提出了設(shè)備在生產(chǎn)、試驗過程中的改進措施。

本文從理論上分析了手輪嚙合處松動導(dǎo)致的配電箱在工程實際中出現(xiàn)故障的可能性，進而提出了相應(yīng)的整改措施，從理論上指導(dǎo)了生產(chǎn)、試驗過程中對該故障的預(yù)防工作，從根本上杜絕了類似現(xiàn)象的再次出現(xiàn)。