斷路器液壓操動機構活塞斷裂分析

劉 煜 雷 琴 王永良

（平高集團技術中心 河南平頂山）

液壓操動機構是高壓斷路器的核心部件，大量應用于高壓、超高壓斷路器中，其中碟簧儲能型液壓操動機構，簡稱碟簧機構（圖1），通過壓縮組合碟簧的方式進行儲能，結構緊湊、機械操作特性穩定、密封性能優越。與傳統壓縮氮氣儲能式相比，具有系統油壓受溫度影響小、操作油壓降小、不存在氮氣泄漏的顯著優勢，更有利于高壓設備實現智能控制。自ABB公司首先推出后受到用戶廣泛青睞，近年來也成為國內各開關設備廠商的普遍應用項目。

目前，對碟簧機構的研究主要集中在元件和結構設計方面，對碟簧機構的故障分析相對較少，而碟簧機構的系統工作工作壓力可達55 MPa以上，緩沖壓力峰值可達150 MPa，遠遠超出傳統的工程機械。同時高壓斷路器的工況，又對碟簧機構提出了高可靠性的要求。因此，分析碟簧機構的各種故障形成機理并加以解決是一件極為有意義的工作。以某型號碟簧機構在機械壽命試驗中出現的活塞斷裂事件為例，進行深入分析，探討故障形成的本質原因，為碟簧機構的設計、生產改進提供明確的思路。

圖1 ABB公司碟簧機構

一、液壓操動機構工作原理

圖2為碟簧機構原理圖，其中上側為分閘狀態，下側為合閘狀態。機構動作時，首先給電機通電，電機運轉帶動油泵打壓，把油箱中的低壓油轉換為高壓油并注入儲能缸的上方，儲能缸中的活塞在油壓力的作用下向下伸出并壓縮儲能碟簧進行儲能。達到設定行程時，檢測模塊發出斷電信號，電機停止工作，儲能結束。

圖2 碟簧機構原理圖

圖3 工作缸結構圖

當收到分閘信號時，分閘先導閥控制主控閥轉換到分閘位，工作缸活塞下部的無桿腔和油箱連通轉換為低壓油，工作缸活塞上部的有桿腔仍與儲能缸上部連通，為高壓油腔，工作缸活塞在上部高壓油的推動下向下運動，實現分閘動作。其中工作缸是液壓操動機構動作的主要部位，圖3所示為工作缸具體結構，在分閘過程中，緩沖主要是由分閘緩沖套、工作缸活塞與液壓油共同提供，理想的緩沖性能既能提供足夠的緩沖力使得活塞的運動末速度不至于太高，又可以控制緩沖壓力峰值不會太高，可以免損壞緩沖部位的零部件。

二、故障說明

通常，碟簧機構的工作缸活塞采用兩體式結構：銅緩沖桿+鋼活塞桿，銅緩沖桿一端開外螺紋擰入活塞桿并粘牢。在某型號碟簧機構的機械壽命試驗階段，發現有工作缸活塞斷裂的現象。具體表現為，工作缸活塞從工作缸中取出后，發現緩沖桿從螺紋根部斷裂（圖4、圖5），分閘緩沖套有劇烈碰撞的痕跡，且已變形（圖6）。

三、故障分析

1.特性分析

液壓操動機構一個重要的特征就是機構的行程特性曲線，即工作缸活塞在工作缸內部運動時的時間-位移曲線，通過KoCos軟件配以直線位移傳感器則可以讀出每次分合閘動作時碟簧機構的行程特性曲線。因此，分析壽命試驗不同階段的行程特性曲線是了解機構在不同時期的性能變化情況的一個有效而直觀的手段。

圖4 斷裂后的活塞桿

圖5 脫落下來的銅緩沖桿

圖7為壽命試驗開始階段與故障前的機構分閘行程曲線對比，試驗開始階段的行程曲線較為平滑，可以發現2條曲線在分閘行程的末段，出現了明顯的不重疊，圖8為末段的局部放大圖，從數值上，分閘末速度也有明顯的增加，從0.57 m/s上升到0.74 m/s。

圖6 變形的分閘緩沖套

2.加工過程分析

由于工作缸活塞桿中的兩個單件都沒有便于力矩扳手裝卡的結構（六方、對邊銑扁等），在將緩沖桿擰入活塞桿的過程中，只能采用車床夾緊與管鉗擰緊的方式，如圖9所示。為確保效果，只能加大所施加的力矩，且會產生較大的彎曲應力。

3.斷口分析

從斷裂位置看（圖10），斷裂處位于活塞外螺紋最后一扣（螺紋收尾處）的牙底部位，這符合螺紋根部應力集中的現象。從斷口形貌分析，從斷面上可以觀察靠明顯的、規則的斷裂紋路（圖11中A區域），在活塞桿的邊緣有明顯的徑向裂紋（圖11中B區域）。

4.分析結果

根據活塞桿的結構，在擰緊過程中主要靠緩沖桿的螺紋端面止位，當螺紋端面與活塞桿螺紋孔底面貼合緊密后，如果采用活塞桿固定，旋轉緩沖桿的擰緊方式，則所施加的扭矩主要由緩沖桿承擔，根據相關的理論[1～3]，其最后一扣螺紋（收尾處）將承擔超過1/3的扭矩；如果采用活塞桿旋轉，緩沖桿固定的擰緊方式，則所施加的扭矩主要由活塞桿承擔，緩沖桿各螺紋處承擔的扭矩相對較為平均，而實際中多采用固定活塞桿，旋轉緩沖桿的方式擰緊，緩沖桿的強度遠低于活塞桿，故更容易產生裂紋。

圖7 行程特性曲線對比

圖8 末段局部放大

圖9 加工方法示意

圖10 斷裂部位示意圖

因此，結合相關的理論，可以推斷出斷裂的過程為：活塞桿擰緊后在圖11中S點處存在裂紋，產品在操作時裂紋受到高油壓及高內應力的共同作用逐步沿圖11S處曲線擴展（圖11S處曲線也可能是擰緊后就存在的裂紋），隨著機構操作次數的增加，裂紋長度不斷增加，裂紋的寬度也不斷增加，形成圖11中A區域所示的規則紋路。當裂紋寬度增加大到一定程度，活塞桿將向一側傾斜彎曲，由于活塞桿與緩沖套的配合間隙很小，活塞桿的傾斜彎曲將造成機構在分閘緩沖時活塞桿與緩沖套碰撞（撞擊位置與裂紋源成180°對稱），從而造成活塞桿斷裂。

圖11 斷口形貌

四、結論

以碟簧機構活塞桿斷裂事件為例，從機構的行程特性、活塞桿的結構、加工方法以及端口特征等方面出發，分析斷裂發生的原因，通過分析過程，為斷路器碟簧機構活塞桿結構工藝的改進，提供參考依據，有利于提高斷路器液壓操動機構的整機穩定性。

1 劉偉杰.液壓機構精密級閥芯的加工工藝研究與探討[J].工藝與檢測，2010（6）：116-118

2 馬曉青．沖擊動力學 [M]．北京：北京理工大學出版社，1992

3 蒲良貴，紀名剛．機械設計[M]．北京：高等教育出版社，2001