弹簧操动机构的质量控制

赵鹏飞等

摘 要：针对目前高压断路器产品所配弹簧操动机构在实际运行过程中存在的问题进行统计分析，运用质量统计工具找出问题的根源，并有针对性地制定有效的纠正措施，确保产品实物质量得到有效控制。

关键词：弹簧操动机构；质量统计分析；纠正措施；质量控制

弹簧操动机构是一种利用弹簧作为储能元件的机械式操动机构，是126kV及以下高压断路器的重要组成部分。其工作原理是通过电动机通过减速装置带动弹簧实现储能，并经过锁扣系统保持在储能状态。当给出合闸命令，锁扣系统脱扣，合闸弹簧释放能量，经过机械传递单元带动断路器触头运动至合闸位置并保持。同样给出分闸命令，合闸状态解除，分闸弹簧释放能量，又经过机械传递单元带动断路器触头运动至分闸位置并保持。因此，弹簧操动机构是高压断路器机械运动的最核心组件。加强弹簧操动机构的质量控制对高压断路器产品的安全运行至关重要。

1 弹簧操动机构目前存在的主要问题

（1）断路器整体机械特性参数不符合要求，以LW34C-40.5大电流断路器所配CT35F-Ⅰ机构为例，主要反映在分、合闸速度偏低（基本上在标准值的下限）。随机选取近期生产的10台该型号产品进行统计，分、合闸速度见表1、表2所示。

从以上统计可以看出，LW34C-40.5大电流断路器产品合闸速度也偏低，其测试数据离散程度较高，波动范围较大，数据不稳定。Cpk指数<0.67，过程能力严重不足。

（2）断路器机械特性参数不稳定，多次操作或者放置若干时间后机械特性数据就发生了变化。

（3）断路器机械操作不可靠，出现储能不到位和合空（即合闸状态不能保持直接分闸）现象。

（4）机构震动较大，容易造成机构箱内二次元器件和二次导线松动等现象，造成二次控制回路异常。

（5）机构分、合闸电磁铁损坏较为严重。

2 存在问题的分析

作为弹簧操动机构，其动作过程分为三个阶段：储能、合闸和分闸。这三个阶段相互独立又相互关联，其动作过程除储能时间为秒级（一般为十几秒），分、合闸过程均为瞬时（毫秒级，几十毫秒）。同时机构的操作功很大，从几百焦到几千焦，震动很大。因此对机构机械传动的分析比较复杂，对机构出现问题的分析需要系统的调查和計算。任何环节出现问题，都会影响产品机械传动出现故障。对于机构质量问题，大体应该从两方面进行分析。

2.1 机构与断路器本体的特性匹配原因

机构作为断路器本体运动的动力来源，必须与本体的特性有效地匹配。要充分了解本体分、合闸过程的摩擦力、重力、转动惯量等能量需求，并可控。对于断路器相关产品，电滑动连接部分（压气缸与表带触指的配合）就非常关键。同样以LW34C-40.5大电流断路器产品为例，装配时普遍反映本体单极运动过程抱紧力较大。根据设计需要本体所需的操作功为1500J：

2.2 机构自身机械稳定性原因

由于弹簧操动机构内部零部件很多且相互关联，因此对机构零部件尺寸、材质、硬度等性能和机构装配时的调试尺寸要求较高。其产生问题的原因主要为：

2.2.1 弹簧性能不良原因。反复操作后，其实际做功将发生变化（降低）。同样以CT35F-Ⅰ机构介绍，其设计的输出功不满足要求，但为了保证机械特性参数符合要求，通常做法是调整合闸弹簧的初压力以增大机构的输出功。但带来的致命问题是往往超出了弹簧的压力极限，致使弹簧性能大幅降低。压缩弹簧强压试验前后力值数据对比见表3所示。

试验结果：从以上数据可以看出，经过强压试验后弹簧的性能发生了较大变化，主要表现在压缩弹簧原始长度和力值的明显降低，操作功降低明显。

2.2.2 机构关键零部件关键尺寸不良原因。对于机构的主要关键零部件例如凸轮、 子、扇形板等，由于机械传动需要，其外型结构较为复杂，对关键尺寸要求非常高。以分闸 子为例，其弧面尺寸如果不符合要求，将直接影响扣接量导致合闸过程失效。

2.2.3 机构零部件材质、硬度等性能不良原因。作为弹簧操动机构，依靠弹簧释放能量产生的巨大碰撞实现机械传动，会产生较大的冲击力，因此对各转动零部件的材质和硬度等指标要求较高。以销轴为例，其材质硬度要符合一定范围，不能过高也不能太低。太低容易造成磨损产生配合配合间隙造成传动不良，太高又容易产生裂纹甚至断裂。

2.2.4 机构零部件装配配合原因。对于目前多数机构，要求传动环节配合的非常有效。对于所有尺寸都在公差范围内合格的零部件，由于加工的公差偏离程度不同，很容易造成各个零部件公差的累积，致使传动过程失效。

2.2.5 机构调试尺寸原因。对于机构关键环节的调试是非常重要的，必须根据严格计算后的尺寸要求对机构进行调整。以扣接量为例，扣接量要调整在规定的范围内（一般为2mm-4mm之间），太小容易造成合闸状态不能有效保持，断路器先合后分即常说的合分、合空现象。太大使得断路器不能有效分闸尤其是低电压下分闸。

3 加强弹簧操动机构质量控制的措施

根据以上的问题统计和原因分析，应采取针对性措施对机构质量进行控制。从两方面着手进行：

（1）加强对试验数据的分析，从系统上对机构质量问题进行分析。收集试验数据，利用质量统计工具定期对其试验数据进行分析，了解产品是否存在质量波动及变化规律，以便从系统上找到问题出现的根本原因，从而可以指定有效的整改措施，防止问题的重复发生。

（2）加强理论计算和仿真分析，不断优化产品设计，提高产品技术的可靠性和先进性。

（3）加强机构装配调试全过程的深入研究，完善各项装配要求和质量控制点，并制定有效的保证措施。

（4）加强检验力度，完善检验试验方法，明确检验标准。

4 结束语

对弹簧操动机构质量的控制，必须通过理论计算和大量试验验证，掌握机构传动和与本体匹配的核心技术，借助先进的设备对机构主要零部件关键尺寸进行检验技术研究，加强装配和调试工艺的研究使之得到明确和具有可操作性，从而有效进行质量控制。

参考文献

[1]GB1984-2014.高压交流断路器[S].