超高壓開關斷路器三工位機構銅螺母斷裂失效原因分析

中圖分類號：TG115 文獻標志碼：A 文章編號：1002-4026（2025）05-0056-08

Abstract：The thre-position mechanism representsacrical mechanical component in ultra-high voltage switch circuit breakers，with the copper nut serving asapivotal element.Prematurefailure of thiscomponent can significantly compromise theoperational stabityand longevityofthecircuit breaker.Thiscomprehensive investigation employs advancedanalyticaltechniquestoelucidatetheunderlying fracture mechanismsofthecoppernut.Utizingamultfaceted analyticalapproach，thestudysystematicallyexaminedthefracturemorphologyandmaterialcharacteristics.Optical microscopy，scanning electron microscopy，and metalographic microscopy wereemployed to scrutinize the fracture surfaceand microstructural features.Complementaryanalysesusing X-ray fluorescence spectrometryand electronic universaltesting machinecharacterizedthematerial’scompostionalandmechanicalproperties.Theinvestigationrevealed critical insightsintothefailuremechanism.Multiplecrack initiation sites wereidenifiedwithinthefracture zone， characterized bycoarse grain structures andanextensive network of precipitateparticles locaizedat grainboundaries. Thefailure mode wasdefitivelyclassiedascumulative fatigue damage.The primarycrack source originatedat the diameter transitionof the shaftpinroot’astructuralstress concentration zone that represents themost vulnerablepoint in the coppernut’s mechanical design.The findingsunderscore theimportance of structural geometryandmaterial microstructure in predicting and mitigating mechanical failure in critical electromechanical components.

KeyWords：ultra-highvoltage circuit breaker；three-positionmechanism；copper nut；fatigue；fracture；stress concentration

超高壓開關斷路器在電力系統中承擔著關合、開斷、保護、控制等重要功能，具有廣泛的應用前景和重要的戰略意義[1-2]。隨著國家大力推進智能電網和新能源建設，超高壓開關斷路器在電力傳輸、配電和變電等方面的應用將更加廣泛。智能電網需要更加靈活、可靠的電力控制和保護設備，而超高壓開關斷路器正是滿足這一需求的關鍵設備之一[3]。同時，新能源如風電、太陽能等的接入需要高壓設備來支撐，超高壓開關斷路器在其中扮演著重要角色。全球電力需求的持續增長推動了電力基礎設施的建設和升級，其中就包括超高壓開關斷路器的應用。特別是在發展中國家，由于城市化進程的不斷加速，對電力的需求也在不斷增加，這為超高壓開關斷路器提供了廣闊的市場空間[4]。

超高壓開關斷路器的三工位機構是電力系統中一種重要的機械裝置[5。其具有三個固定工作位置的機構，這三個位置通常包括閉合位、斷開位和隔離位[6-7]。通常由固定部件、移動部件、驅動機構和聯鎖機構部分組成[8]。當操作機構接收到操作指令時，它會通過驅動機構帶動移動部件進行動作。在閉合位時，移動觸頭與固定觸頭接觸，電路處于通路狀態;在斷開位時，移動觸頭與固定觸頭分離，電路被切斷;在隔離位時，移動部件處于特定的位置，以便進行設備的測試和檢修。三工位機構廣泛應用于電網變電站、終端站和配電所等電力系統中，它們可以用于斷路、隔離、短路保護、接地和調節電能等方面。通過機械聯鎖裝置和特定的操作順序，可以防止誤操作和設備損壞。

銅螺母在超高壓開關斷路器三工位機構中具有導電與導熱、耐腐蝕與防銹、機械連接與固定以及注塑加工等多方面的性能優勢。這些優勢使得銅螺母成為該機構中不可或缺的關鍵部件，對于確保斷路器的穩定運行和延長使用壽命具有重要意義[910]。因此，在設計和制造超高壓開關斷路器時，應充分考慮銅螺母的性能特點和作用，確保斷路器的整體性能和可靠性。同時，在使用過程中，也應定期對銅螺母進行檢查和維護，確保其始終處于良好的工作狀態。銅螺母的應用范圍較廣，銅螺母失效直接影響到生產效率和相應產品質量，并且有時一個銅螺母的失效會引起整個裝備的連動斷裂失效，影響儀器裝備的正常運行，因此銅螺母失效問題已受到行業重點關注研究，分析其斷裂原因，及時改進工藝或操作流程具有重要的實際意義[-13]。

本文從斷口宏觀形態及微觀形貌、顯微組織結構、銅螺母母材的成分以及力學性能等方面對某三工位機構銅螺母的斷裂原因進行了分析。通過分析銅螺母的斷裂原因和失效機理，優化生產工藝，以便不影響機械裝備的正常運作，避免事故隱患。

1 材料與實驗方法

該三工位機構的銅螺母在裝配和測試過程中發生斷裂失效。銅螺母的結構如圖1（a）和（b）所示，正常工況下，銅螺母的兩個軸銷上分別裝配GCr15滾動軸套。動作時螺母由絲杠驅動，帶動驅動盤運動，與驅動盤發生滾動摩擦（軸套與銅螺母軸銷之間發生滾動摩擦）（圖1（c）），軸銷所受的彎矩也隨著驅動盤的運動而發生改變;裝配過程中工人可能會對銅螺母錘擊進行校正，受到錘擊較嚴重的易發生斷裂，而錘擊較輕或者無錘擊的較少發生斷裂。

該斷裂銅螺母的材質為 ZCuZn38 ，鑄造后加工成型。銅螺母長度約為 91.0mm ，高度為 32.0mm 。斷裂銅螺母宏觀形貌如圖1（a）所示，該斷裂銅螺母在使用200余次后發生斷裂。

Fig.1Operational status and macromorphology of the fractured copper nut

使用 ZEISS Smartzoom5 體視顯微鏡對斷裂的銅螺母進行仔細檢查，并使用 ZSXPrimus II全自動掃描型X射線熒光光譜儀測定了該斷裂銅螺母母材的化學成分。將銅螺母斷口進行清洗后，放入ZEISS SUPPA55熱場發射掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）進行微觀檢查，結合 SEM 配備的牛津能量色散X射線譜（energy dispersive spectroscopy，EDS）進行微區成分分析。為檢查銅螺母材質的金相組織，分析人員截取了斷裂銅螺母樣品的縱截面試樣。將該金相試樣經磨制、拋光后，用三氯化鐵鹽酸酒精溶液浸蝕劑進行浸蝕處理，采用ZEISS Axio Observer.Alm 金相顯微鏡進行金相組織觀察。為獲得服役后的斷裂銅螺母母材的力學性能，在銅螺母鑄件上截取了拉伸試樣并使用時代試金WDW-300E萬能試驗機進行力學性能試驗。

2 結果與討論

2.1 銅螺母斷口及周圍的宏觀形貌

該銅螺母斷裂發生在軸銷的根部（過渡圓弧R位置，如圖1（a）所示），為橫向斷裂（垂直于軸銷的軸向方向）。軸銷根部作為結構的薄弱環節，其幾何形狀導致了較為明顯的應力集中，為裂紋的萌生提供了有利條件。斷裂軸銷外表面，肉眼可見環向磨損痕跡，這是由于軸套與軸銷的接觸位置，在工件運行過程中發生了黏著磨損，沿著磨損產生了犁溝。黏著磨損和沿磨損的犁溝在疲勞過程中可能起到了裂紋源的作用，促使局部應力集中并加速了裂紋的擴展。

斷口以及斷裂位置附近均未發現明顯的變形（圖2（a））。斷口表面具有金屬光澤，呈脆性斷裂特征（圖2（b）），斷口及其周圍未見明顯的腐蝕產物及腐蝕坑。斷裂銅螺母側表面可見明顯錘擊痕跡（圖1（a））。這些錘擊痕跡可能在銅螺母表面形成局部塑性變形或應力集中點，從而成為疲勞裂紋的起始源。長期反復的錘擊載荷可能加劇了疲勞損傷，尤其是在脆性較高的部位，如軸銷根部。

圖1銅螺母的工作狀態及斷裂銅螺母的宏觀形貌

圖2斷口及其周圍的宏觀形貌

Fig.2Macromorphology of fracture surfaces and surrounding areas of the copper nut

2.2 斷裂銅螺母的化學成分

斷裂銅螺母母材的化學成分，其分析結果見表1。該銅螺母的主要化學元素 Cu 和 Z_n 均符合 GB/T1176—2013鑄造銅及銅合金[14]對 ZCuZn38 化學成分的要求。但成分中微量元素的分布與合金的熱處理狀態可能對最終的機械性能產生了影響，需要進一步結合材料的微觀結構進行分析。

表1斷裂銅螺母的化學成分

Table 1Chemical composition of the fractured copper nut

單位： %

2.3 銅螺母斷口的微觀特征

斷口表面的微觀形貌如圖3所示。斷口表面可見沿晶脆性斷裂微觀形貌（圖3（a）），晶面及晶界上分布有大量析出顆粒（圖3（b）紅色箭頭所示），晶粒尺度較大，可見沿晶二次裂紋。使用EDS分析發現，該析出顆粒為富鉛（Pb）顆粒（圖4）。斷口外邊緣可見多個臺階，為多裂紋源起裂，且起裂區為沿晶開裂（圖3（c）和3（d））。沿晶斷裂通常為脆性開裂，因為晶界本身的抗斷裂強度較低，并且沿晶裂紋擴展時，晶界區域的材料沒有顯著的塑性變形。由于裂紋主要沿晶界擴展，晶界的脆性特征使得裂紋擴展過程中缺乏顯著的塑性變形，因此在表面沒有像穿晶裂紋那樣形成明顯的疲勞輝紋。

圖3斷裂銅螺母斷口表面的微觀形貌

Fig.3Micromorphology of the fracture surface of the copper nut

圖4斷裂銅螺母斷口表面析出顆粒的EDS分析結果及譜圖

銅螺母斷口側面（軸銷外表面）可見機加工痕跡及黏著磨損痕跡（如圖5所示），沒有明顯腐蝕坑，這表明斷裂主要是由疲勞載荷引起，而非環境腐蝕因素。靠近斷口的位置，可見多處平行于斷口表面的裂紋（圖5（a））。并且，主斷面外邊緣多處位置均與軸銷外表面微裂紋連通（圖5（b）），這表明外表面微裂紋在外表面起源并沿軸銷外表面擴展，通過累積損傷形成了多源裂紋，這些裂紋最終交匯并形成了主斷面。

Fig.4EDS analysis of the precipitated particles：results and spectrum

圖5斷裂銅螺母斷口側面的微觀形貌Fig.5Micromorphology of the fracture side

為了進一步確定斷裂銅螺母側面斷口附近微裂紋的形成原因，分別截取了兩個對偶斷口的縱截面，放入掃描電子顯微鏡進行分析。由該縱截面可見，在斷口附近存在多條裂紋，由軸銷外表面向材料內部沿晶界擴展（圖6（a）），裂紋走向與主斷面平行。這些裂紋與軸銷外表面（斷口附近）發現的、形成主斷口的微裂紋特征吻合，表明裂紋從外表面開始，沿晶界向內擴展，進一步確認了疲勞裂紋的起始位置和擴展路徑。裂紋的起源與擴展沿晶界，其擴展方向與主斷面平行，進一步驗證了該銅螺母斷裂主要是由沿晶裂紋引起。這些沿晶裂紋的特征表明，裂紋擴展的脆性特征明顯，缺乏明顯的塑性變形，而是沿著晶界區域進行擴展。

EDS 分析結果表明，裂紋內部存在較高含量的鉛元素（Pb）（圖7（a））。這表明，裂紋可能與晶界上的鉛析出物有關，析出物在晶界處的聚集使得晶界的結合力顯著降低，從而降低了材料的抗斷裂強度，導致裂紋沿晶界擴展。

除沿晶裂紋外，在斷口附近還發現了多處析出物沿晶界連續網狀分布的現象（圖6（b））。EDS 分析結果表面，晶界上的析出物主要含有鉛元素（Pb）（圖7（b））。這些鉛析出物的網狀分布進一步降低了晶界的結合力，使得晶界在受到交變載荷作用時容易發生脆性開裂。結合對該位置沿晶裂紋的EDS 分析，可以確定沿晶裂紋的形成是由于材料沿晶界上連續鏈狀析出物的存在。整體而言，鉛元素在晶界的析出和網狀分布，顯著降低了晶界的結合強度，使得銅螺母在交變載荷作用下，沿晶界易于發生裂紋擴展，最終導致了斷裂。這種現象表明，材料中的鉛析出物對銅螺母的力學性能產生了不利影響，是斷裂失效的關鍵因素之一。

圖6斷裂銅螺母斷口縱截面微觀形貌

Fig.6Micromorphology of the vertical section of the fracture

圖7裂銅螺母斷口縱截面EDS分析結果及譜圖

Fig.7EDS analysis of the vertical section of the fracture：results and spectrum

2.4 金相分析

斷裂銅螺母試樣的裂紋從靠近軸銷根部（過渡圓弧R位置）處軸銷表面起裂，沿晶界擴展，金相組織為灰色 β 相 + 白色塊狀、針狀 ∝ 相 + 黑色顆粒狀的鉛，白色針狀、塊狀 ∝ 相較粗大并沿晶界分布，起裂處鉛顆粒沿晶界呈連續網狀分布，晶粒非常粗大，根據標準 YS/T 347—2004 銅及銅合金平均晶粒度測定方法[15]，晶粒度級別為1級。表明銅螺母的晶粒尺寸較大，這可能是由于鉛元素的析出和材料的熱處理過程所導致的。

粗大晶粒與鉛顆粒的結合進一步削弱了晶界的結合力，增加了裂紋沿晶界擴展的可能性。針狀 α 相較粗大并沿晶界分布，晶界處有 ∝ 相存在，晶界的結合力被削弱，導致材料在交變載荷作用下容易發生脆性開裂，降低了銅螺母的力學性能，如圖8所示。這些微觀結構特征嚴重影響了材料的力學性能，使銅螺母在長期受力和疲勞過程中易發生脆性斷裂，成為其斷裂失效的根本原因。

圖8斷裂銅螺母斷口縱截面試樣金相組織

Fig.8Microstructure of the vertical section of the fracture

2.5 力學性能分析

斷裂銅螺母母材的力學性能結果如表2所示。分析表明，銅螺母材料的抗拉強度符合鑄造銅及銅合金[14]對 ZCuZn38 力學性能的要求;斷后伸長率不符合鑄造銅及銅合金[14]對 ZCuZn38 力學性能的要求，說明該材料已經非常脆，較低的斷后伸長率應與前面提到的斷口微觀特征相關，晶界處的析出顆粒顯著降低了晶界的結合力，導致材料無法承受較大變形，易發生脆性斷裂。

表2銅螺母材料的拉伸力學性能

Table 2Mechanical properties of the fractured copper nut material

2.6 開裂原因分析

銅螺母的斷裂失效是由疲勞破壞引起的，屬于累積損傷破壞。疲勞斷裂是工件在承受交變循環應力或應變時，局部結構變化和內部缺陷不斷發展，導致材料的力學性能下降，最終發生完全斷裂的過程。在本案例中，銅螺母在往復的運動過程中會受到交變彎曲載荷及交變扭轉載荷的共同作用。安裝過程中，工作人員對銅螺母的反復錘擊過程，也會使得銅螺母承受交變載荷。

對于長期在交變應力下工作的工件，主要應控制裂紋的萌生，確保工件所有薄弱部位的工作應力幅在任何情況下都低于其疲勞極限值或裂紋擴展的門檻值。疲勞裂紋源一般產生于結構件的應力集中部位（如截面變化的過渡位置）外表面，或由工件表面的缺陷、裂紋等導致的應力集中位置。在交變載荷的作用下，疲勞裂紋會在這些位置萌生并擴展，形成累積損傷。

在本案例中，銅螺母裂紋源產生于銅螺母軸銷根部（過渡圓弧R處）的變徑位置，該位置在結構上即為應力集中區，是銅螺母結構的薄弱位置。結合金相分析結果，該樣品軸銷根部（過渡圓弧R處）的晶粒非常粗大，鉛顆粒和顆粒狀及星花狀的 γ 相均沿晶界呈斷續網狀分布，顯著降低了晶界的結合能力，導致銅螺母在交變載荷作用下，在軸銷根部（過渡圓弧R處）外表面產生大量沿晶裂紋，裂紋進一步擴展、交匯，由于晶界的抗斷裂強度較低，裂紋擴展過程中缺乏顯著的塑性變形。與穿晶裂紋不同，沿晶裂紋擴展不會伴隨位錯滑移或疲勞條紋，這進一步證明了材料的脆性特征。

最終，沿晶裂紋的擴展導致了銅螺母在軸銷根部的斷裂，表明該部位的微觀結構特征（如晶粒粗大和析出顆粒的分布）以及應力集中作用是銅螺母疲勞失效的主要原因。因此，疲勞斷裂的發生不僅與外部載荷的交變作用有關，還與材料的微觀組織和晶界特性密切相關。

3結論

（1）失效銅螺母軸銷的斷裂由疲勞破壞導致，是多個初始疲勞裂紋擴展的結果。（2）失效銅螺母軸銷的多裂紋源是由交變彎曲與扭轉疲勞載荷及軸套與軸銷之間的磨損協同作用導致的。（3）失效銅螺母材料晶粒粗大，大量析出顆粒存在于晶界處形成網狀分布，嚴重降低了晶界的結合力，使銅螺母異常脆化，是多個位置產生初始裂紋并沿晶界疲勞擴展，最終斷裂的主要原因。

參考文獻：

[1]李建基．超高壓開關技術（1）超高壓開關設備技術總論[J].大眾用電，2009，24（11）：48-49.

[2]唐專敏，高興宇，蘇毅，等.高壓斷路器操動機構機械特性實驗研究[J].裝備制造技術，2023（5）：84-88.DOI：10.3969/j.issn.1672-545X.2023.05.021.

[3]郝慶暢. SF₆ 超高壓斷路器的智能化研究與監控系統設計［D].北京：中國科學院大學，2012.

[4]李建基.高壓及超高壓 SF₆ 斷路器和GIS市場與技術進步［J].電力設備，2007，8（11）：108-110.

[5]孫龍勇，李付永，姚燦江，等.復合式組合電器三工位組合開關的設計與開發[J]．高電壓技術，2021，47（1）：296-304.DOI：10.13336/j.1003-6520.hve.20201027.

[6]劉朋，馬明.一種新型三工位開關機構的設計[J]．電大理工，2009（3）：21-23.DOI：10.3969/.issn.1003-3319.2009.03.009.

[7]獨田娃，許錫盛.三工位開關操作機構開發中的問題解析[J].城市軌道交通研究，2011，14（11）：90-92.DOI：10.16037/j.1007-869x.2011.11.030.

[8]獨田娃.基于三工位隔離開關用簡易型手動操作機構的研制[J].高壓電器，2011，47（5）：100-102.DOI：10.13296/j.1001-1609.hva.2011.05.020.

[9]李冬梅，蘇國秀，陳明，等.三工位開關操作機構手動操作的設計[J]．煤礦機械，2005，26（11）：33-34.DOI：10.3969/j.issn.1003-0794.2005.11.015.

[10]徐志偉.高壓開關柜隔離接地三工位操作裝置設計研究[J]．電工電氣，2021（10）：59-62.DOI：10.3969/j.issn.1007-3175.2021.10.013.

［11]董克謹.J53—160A 型摩擦壓力機銅螺母和橫梁斷裂的改進措施［J]．中國設備工程，1994，2：28-29.

[12]李玉鳳，張慶魁，王盛，等.軋機壓下銅螺母的堆焊修復工藝研究［J].金屬加工（熱加工），2013，24：58-59.

[13]胡傳順，秦華，朱健，等.截止閥閥桿螺母斷裂原因分析[C]//全國金相與顯微分析學術研討會.昆明：中國體視學學會，2012： 77-80.

［14］全國鑄造標準化技術委員會.鑄造銅及銅合金：GB/T1176—2013[S]．北京：中國標準出版社，2014.

[15］全國有色金屬標準化技術委員會.銅及銅合金平均晶粒度測定方法：YS/T347—2004[S].北京：中國標準出版社，2004.