基于可拆磁吸原理的合閘線圈快速拆裝工具的設(shè)計及應(yīng)用

梁 璐 張文鋼 王亞旭 蔣延磊 胡建輝

（1．國網(wǎng)電力公司平頂山供電公司，河南 平頂山 467000；2．鄭州華裕電氣設(shè)備有限公司，河南 鄭州 450046）

真空斷路器是變電站中重要的設(shè)備保護和控制單元，合閘線圈通過配合操作機構(gòu)進行斷路器的合閘操作。由于斷路器的頻繁啟動，合閘線圈經(jīng)常損壞，更換合閘線圈時，需要多人配合才能拆除操作機構(gòu)中的大部分部件，是一項拆裝煩瑣、費時費力且重要性強的工作。因此需要針對目前的真空斷路器結(jié)構(gòu)設(shè)計一套能快速拆裝合閘線圈、縮短機構(gòu)合閘線圈拆裝用時的工具，以提高檢修的效率，進一步提升供電質(zhì)量。

1 現(xiàn)有拆裝程序

1.1 拆裝用時長

目前10kV 開關(guān)柜控制線圈包括VSI 型機構(gòu)合閘線圈和其他類型的機構(gòu)合閘線圈。對20 次合閘線圈故障時的拆裝用時進行統(tǒng)計、分析后發(fā)現(xiàn)，VSI 型機構(gòu)合閘線圈的拆裝平均用時為113min，而其他類型機構(gòu)合閘線圈的平均用時為30min，也即現(xiàn)有技術(shù)下，VS1 型機構(gòu)單臺合閘線圈拆裝平均用時遠高于其他類型機構(gòu)合閘線圈拆裝平均用時。

1.2 拆裝流程多

目前，10kV 開關(guān)柜VS1 型操作機構(gòu)合閘線圈位于操作機構(gòu)內(nèi)側(cè)，有擋板、軸等部件遮擋，對合閘線圈的拆裝需要六角扳手、卡簧鉗、螺絲刀和老虎鉗等多種工具進行配合，拆裝過程包括工具準備、遮擋部分拆除、合閘線圈拆除、合閘線圈安裝、遮擋部分恢復(fù)和工具收回環(huán)節(jié)，拆裝流程煩瑣且耗時長。

2 拆裝新工具設(shè)計方案

2.1 總體方案設(shè)計思路

該文借鑒可拆磁吸套頭、傳動軸方向可調(diào)[1]、動力360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)輸出技術(shù)原理[2]，將其運用在10kV 開關(guān)柜VS1 型操作機構(gòu)合閘線圈拆裝操作中，通過可拆卸的磁吸六內(nèi)方套頭、轉(zhuǎn)矩90°交軸傳動、套頭360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)等組合，配以電動驅(qū)動裝置，優(yōu)化VS1 型操作機構(gòu)合閘線圈拆裝的工序，提高合閘線圈拆裝速度，最終實現(xiàn)10kV 開關(guān)柜VS1 型操作機構(gòu)合閘線圈的快速拆裝。

2.2 模擬試驗驗證

分析VS1 型機構(gòu)合閘線圈拆裝可知，如果使用專用檢修工具，僅需在拆開斷路器機構(gòu)面板和合閘板后，伸入斷路器機構(gòu)內(nèi)并360°旋轉(zhuǎn)裝拆螺栓，便可實現(xiàn)合閘線圈的快速拆裝。

在變電檢修中心實驗室，2 名技術(shù)人員使用所組合的檢修工具，對30 臺VS1 型機構(gòu)合閘線圈進行拆裝操作。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，單臺VS1 型機構(gòu)合閘線圈拆裝平均用時為26.9min，滿足預(yù)期要求。

綜上所述，采用萬向軟軸連接桿和電動扳手組合成的90°檢修工具能夠?qū)S1 型操作機構(gòu)單個合閘線圈拆裝作業(yè)用時控制在30min 以內(nèi)，即在理論上是可行的。

2.3 總體設(shè)計方案

根據(jù)上述提出的10kV 開關(guān)柜VS1 型操作機構(gòu)合閘線圈快速拆裝工具的總體設(shè)計思路，繪制工具技術(shù)框架圖，如圖1所示。其中，6、7、8 屬于套具部分，12、13、14、16 屬于傳動部分，17、19、20 屬于驅(qū)動部分，9、10、11 屬于殼體部分。

圖1 工具總體設(shè)計框架圖

2.4 設(shè)計功能闡述

該方案包括套具部分、傳動部分、驅(qū)動部分和殼體4 個部分，驅(qū)動部分為工具提供電能，傳動部分可實現(xiàn)力矩的傳動，套具部分可實現(xiàn)動力360°輸出，殼體將套具部分、傳動部分和驅(qū)動部分組合起來，具有絕緣保護作用。

套具部分包括正反轉(zhuǎn)手柄、擺臂棘輪、棘爪、棘輪支銷、棘輪架、偏心軸套以及M6 六方磁性頭，正、反轉(zhuǎn)手柄通過棘輪支銷與棘輪架相連接，可以實現(xiàn)棘輪架正、反轉(zhuǎn)，便于更換合閘線圈。M6 六方磁性頭通過壓簧和壓簧鋼珠與棘輪架相連接，可自由更換，在較大程度上增強了工具的泛用性。

傳動部分包括行星齒輪減速機構(gòu)（由中心齒輪、行星齒輪、行星齒輪套和行星齒輪架組成）及偏心傳動軸，通過電機旋轉(zhuǎn)帶動中心齒輪、行星齒輪、行星齒輪架、偏心轉(zhuǎn)動軸和擺臂棘輪層層減速，使棘輪架以符合工藝要求的速度旋轉(zhuǎn)，便于更快捷地更換合閘線圈。

驅(qū)動部分包括電機、開關(guān)和鋰電池，電機提供動力，使拆卸合閘線圈時不用動作幅度極小，非常適合在狹小環(huán)境內(nèi)進行作業(yè)，同時也極大降低了工作人員受機械傷害的可能性。

殼體部分包括軸承、軸承支撐管、傳動殼體以及外殼體，支撐部分整體細長，便于在狹小空間內(nèi)進行操作，降低了工作人員受機械傷害的可能性。

3 工具設(shè)計實施及測試

3.1 套具部分設(shè)計及測試

套具包括磁吸六內(nèi)方套具及緊固卡件部分。

3.1.1 磁吸六內(nèi)方選擇、設(shè)計及測試

先進行磁吸六內(nèi)方的設(shè)計及制作，將鉻釩鋼作為磁吸六方頭，具體設(shè)計尺寸及成圖如圖2所示。其次，選取10 個平均質(zhì)量為10g、M6×90 的內(nèi)六角螺栓模仿實際工作情況進行測試。

圖2 磁吸六方頭設(shè)計尺寸圖（mm）

測試結(jié)果表明：制作的磁吸六方頭吸起物體質(zhì)量的平均值為11.4g，大于10g，滿足可以吸起不小于10g 的輕型金屬的要求，即能達到磁吸設(shè)計要求。使用洛氏硬度計B 標(biāo)尺測量鉻釩鋼六內(nèi)方頭的硬度，將六方頭按長度分為三等分，分別進行測試，硬度平均值為65.67HRC，大于60HRC，也滿足設(shè)計要求。

3.1.2 緊固卡件設(shè)計及測試

根據(jù)緊固卡件的卡緊程度、方便取裝六方頭2 個方面的需求，來考量對卡珠式、夾頭式結(jié)構(gòu)套具的選擇。

通過10 組對比試驗，并根據(jù)主要技術(shù)參數(shù)需求，確定緊固卡件采用緊固效果好、取裝卡件方便的卡珠式結(jié)構(gòu)。

該方案設(shè)計包括卡珠式結(jié)構(gòu)的棘輪架加工圖，核心設(shè)計尺寸及成圖如圖3所示。

圖3 緊固卡件設(shè)計尺寸圖（mm）

制作完成后，邀請10 名工作年限不同的變電檢修中心員工參與卡珠式緊固卡件性能測試。分別進行六方頭的取裝，統(tǒng)計取裝所用時間，平均用時2.05s。

接著測試六方頭與卡珠式緊固卡件的契合度，即卡緊程度。測試結(jié)果顯示，在20min～50min 連續(xù)作業(yè)過程中，卡具沒有掉落、滑動現(xiàn)象，即滿足設(shè)計要求。

3.2 驅(qū)動部分設(shè)計及測試

驅(qū)動部分包括電池及電機2 個部分。

3.2.1 電池部分設(shè)計及測試

工具電池單元主要是為工具運行提供穩(wěn)定可靠的電源。經(jīng)過市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鋰和鎳氫2 種充電電池應(yīng)用較廣泛。通過自放電率試驗和記憶效應(yīng)試驗可知，鋰電池的性能優(yōu)于鎳氫電池。

同時，對同容量的10 節(jié)鋰電池和10 節(jié)鎳氫電池樣品進行20 次不完全充、放電，結(jié)果顯示，鋰電池?zé)o記憶效應(yīng)，鎳氫電池有記憶效應(yīng)。

綜上所述，根據(jù)電池的參數(shù)指標(biāo)，即自放電率＜1%/月、無記憶效應(yīng)、能量密度可達460W·h/kg 以上且循環(huán)壽命長，確定工具電池單元的選擇為鋰電池。

該設(shè)計選擇常見的18650 型充電鋰電池，對其進行自放電測試，使用萬用表間隔5d 測試輸出電壓，同時記錄自放電量。統(tǒng)計結(jié)果顯示，月自放電量為0.89%，小于設(shè)計目標(biāo)值1%，符合設(shè)計要求。同時，使用萬用表測量電池輸出電壓值，共測試60 次，記錄每次電壓波動情況，統(tǒng)計數(shù)據(jù)即波動率為0.78%，為正常型直方圖，輸出電壓處于正常穩(wěn)定狀態(tài)，也滿足設(shè)計要求。

3.2.2 電機部分設(shè)計及測試

電機單元主要是為工具運行提供可靠轉(zhuǎn)矩。經(jīng)過市場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，電動工具采用無刷電機和有刷電機2 種直流電機，均能將電池的電能轉(zhuǎn)換成機械能并驅(qū)動六方頭旋轉(zhuǎn)。小組成員通過調(diào)研并對比2 種電機后發(fā)現(xiàn)，在額定轉(zhuǎn)速相同的條件下，無刷電機的使用壽命大于10000h，遠大于有刷電機的最高2000h 的壽命，并且效率也較優(yōu)，因此，電機單元的選擇為無刷電機。

該設(shè)計選擇MY4260 型直流無刷電機，并測試該電機性能。測試數(shù)據(jù)顯示，該電機的轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)速誤差均小于+1%，滿足設(shè)計要求。

3.3 傳動部分設(shè)計及測試

傳動部分的涉及包括減速器和傳動軸的設(shè)計。

3.3.1 減速器設(shè)計方案

目前廣泛使用的是行星齒輪減速器和諧波齒輪減速器[3]，兩者均可根據(jù)需求制定尺寸和傳動比。針對電機的回轉(zhuǎn)數(shù)需要減至較低的需求，設(shè)計參數(shù)需要滿足3∶1 的傳動比，使用壽命大于10000h，同時還要兼顧經(jīng)濟成本。

通過調(diào)查，兩者均可實現(xiàn)傳動比為3∶1 的設(shè)計目標(biāo)。但是在使用壽命上行星齒輪可達20000h，遠高于諧波發(fā)生齒輪減速器的5000h～10000h 的壽命，并且成本較低。綜上所述，確定減速器單元采用行星齒輪減速器。

小組成員根據(jù)方案設(shè)計制作了傳動比為3∶1 的行星齒輪減速器。已知電機額定轉(zhuǎn)速為6300r/min，則行星齒輪架額定轉(zhuǎn)速為2100r/min。使用激光轉(zhuǎn)速表對中心齒輪、行星齒輪架轉(zhuǎn)速進行10 次測量，結(jié)果行星齒輪減速器傳動比均為3∶1，滿足設(shè)計要求。

3.3.2 傳動軸設(shè)計及測試

傳動軸需要實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的垂直型傳動和垂直傳遞，同時還要帶動棘輪正、反旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速滿足60r/min，誤差控制在2%，配合減速器實現(xiàn)二級減速且減速比大于等于12。通過調(diào)查分析，傳動軸部分的設(shè)計確定采用減速比范圍比較大的偏心軸傳動系統(tǒng)。

根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準可知，棘輪架轉(zhuǎn)速60r/min 最合適。根據(jù)已經(jīng)選擇的6300r/min的無刷電機轉(zhuǎn)速、傳動比為3∶1的行星齒輪減速器可知，偏心傳動軸轉(zhuǎn)速為2100r/min（35r/s）。為實現(xiàn)棘輪架60r/min（1r/s）的轉(zhuǎn)速，計算可得360°/35=10.2°，即偏心傳動軸旋轉(zhuǎn)一圈需要帶動擺臂棘輪轉(zhuǎn)10.2°，同時也可確定擺臂棘輪、偏心傳動軸以及偏心軸套尺寸。

尺寸設(shè)計完畢后進行測試。經(jīng)測量，擺臂棘輪齒圈中心至偏心軸套中心距離為20.25mm，偏心軸套中心距偏心傳動軸中心距離為11.6mm。根據(jù)公式可得sin10.2°=（偏心軸套中心距偏心傳動軸中心距離）/20.25mm，即偏心軸套中心距偏心傳動軸中心距離為11.6mm，尺寸設(shè)計合理。同時根據(jù)確定的擺臂棘輪與棘輪架尺寸，即可設(shè)計出棘爪、正/反轉(zhuǎn)手柄和棘輪支銷尺寸。

設(shè)計制作完成后，小組成員將各構(gòu)件進行搭配安裝，使用激光測速儀對棘輪架進行正、反轉(zhuǎn)測試，結(jié)果顯示，棘輪架正、反轉(zhuǎn)速度與額定轉(zhuǎn)速的誤差均小于±2%，滿足設(shè)計要求。

3.4 殼體部設(shè)計方案設(shè)計及測試

殼體材質(zhì)的選擇設(shè)計需要保證工具的日常使用與維護，并達到抗沖擊強度≥15J/m、絕緣電阻大于≥5MΩ 的性能指標(biāo)。

目前市場上的電動工具外殼材料多采用ABS+PC 和光敏樹脂2 種材質(zhì)。設(shè)計運用擺錘沖擊試驗法進行試驗.從抗沖擊能力和絕緣電阻試驗結(jié)果來看，ABS+PC 性能更好。

綜上所述，殼體部分設(shè)計采用性能更好的ABS+PC 材料為傳動軸工具外殼材質(zhì)。

利用ABS+PC 塑膠材料，通過3D 軟件對工具外殼進行建模并制作。制作完成后，檢測裝置外殼抗沖擊性能。即從13kJ/m2開始施加沖擊強度，每次增加0.5kJ/m2，直至沖擊達到17.5kJ/m2，記錄受到?jīng)_擊后裝置外殼的狀態(tài)。同時，小組成員使用絕緣電阻測試儀對外殼體及地施加1000V 電壓，測試殼體對地的絕緣電阻值。結(jié)果顯示，當(dāng)施加沖擊強度為17.5kJ/m2時，工具外殼仍未變形，裝置外殼的抗沖擊強度≥15kJ/m2，殼體對地絕緣電阻值為10MΩ，大于設(shè)計要求的5MΩ，滿足設(shè)計要求。

3.5 組裝及試驗

將制作好的各部件進行組裝，測試工具的功能完整性，可滿足可吸起≥10g 的螺栓、轉(zhuǎn)矩90°交軸傳動以及轉(zhuǎn)速為60r/min這3 個功能及參數(shù)需求。

使用組裝好的工具對VS1型機構(gòu)合閘線圈進行更換工作，共測試50 次，記錄每次工作過程中工具各功能的使用情況。測試結(jié)果顯示，3 項功能均能100%達到。

經(jīng)過第三方檢測機構(gòu)檢測，裝置準確度滿足檢測設(shè)備的要求且裝置安全性符合要求，不會影響被測設(shè)備的正常穩(wěn)定運行。

4 合閘線圈快速拆裝工具應(yīng)用效果分析

2022年11月期間，使用該工具在10 所變電站完成10 臺VS1 型機構(gòu)合閘線圈的更換工作，并對流程及時間進行統(tǒng)計。和新工具使用前相比，拆裝流程由12 步縮短為現(xiàn)在的8 步，同時單個合閘線圈更換平均用時為25.1min，實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)，有效縮短了現(xiàn)場作業(yè)時間，降低了作業(yè)難度。

5 結(jié)論

該設(shè)計工具可實現(xiàn)故障合閘線圈的快速更換及機構(gòu)狹小空間內(nèi)螺栓的360°旋轉(zhuǎn)拆裝，改進了工作方法，減少了更換工序，節(jié)省了人力。檢修時間由使用前的130min 縮短為使用后的28.5min，縮短了更換時間。同時還根據(jù)設(shè)計需求，對套具、減速器、傳動軸及殼體材料進行了創(chuàng)新設(shè)計制作，針對內(nèi)六角卡珠式套具的創(chuàng)新設(shè)計可方便不同型號六方頭的更換，實現(xiàn)3s 內(nèi)取裝，顯著提高了檢修效率，具有較高的推廣價值，確保了供電服務(wù)質(zhì)量，提升了企業(yè)的形象，切實保障了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。