10kV户内真空断路器储能弹簧便捷拆装专用工具的设计与应用

陈昆 胡得圣 王咿燃 尹学兵 何鑫涛

摘要：本文通过详细阐述了目前真空断路器因其结构问题在日常维护保养时遇见的有个别拆卸难点问题，对此类难点问题进行，深入化研究，并提出设想与解决方案，最后设计了一款方便、快捷、高效、安全的拆卸专用工具。目前大多数对真空断路器的这些零部件的拆卸方式都是传统的撬开方式。通过改进方法，增加对拆卸专用工具的使用，提高了作业人员的工作效率，减少了拆卸工作的时长，保障作业人员的安全性与电气设备的完整性。对企业的连续生产具有较好的实际应用价值。

前言

真空断路器是三相交流系统的配电装置，因其体积小，重量轻等特点要求，被广泛运用到无油化、操作频繁以及检修次数少的工作场所，它可以作为控制和保护发电厂、变电站及工厂、矿产业等大型场所的电器设备。

随着改革开发的步伐，国家电力技术的高速腾飞，真空短路器的技术也得到了蓬勃的发展。它由过去的几种型号，经过这近十年翻天覆地的变化，也发展成了拥有数十种型号产品的大家族，并且在质量和技术方面上也得到很大的提升，结构上更加优化，性能更加出色，工作周期更长。为国内的各种用户提供了良好电器设备保护的服务。

它的工作原理也很简单，主要是：通过触头的特殊形状，在其电流作用下，会生成一个电磁场;通过电磁场可以消除动静触头分合闸时产生电弧，保护电气设备的安全运行，不会因其工作产生的电弧发生火灾或击穿电气设备元件。

本文以真空断路器中的储能电机部件作为研究对象，针对日常储能电机的维护保养中遇到不少拆卸的难点与问题现象，对这些难点问题现象，作深入化的了解研究和技术上的攻关。通过对储能电机结构特点与储能弹簧性能进行结构分析，通过对储能弹簧的特点，解决储能弹簧难拆卸的问题现象，并可保护储能弹簧在拆卸的过程中不被损害，特设计了一款可以方便、安全、快捷拆卸储能弹簧的专业拆卸工具。

一、储能弹簧便捷拆装专用工具研究的背景

10kV户内真空断路器是通过预先设定好的机械机构运动模式，对交流线路進行自动的开关和重合的动作，可以做到自动复位和闭锁，并具有控制保护功能的高压电开关设备。10kV户内真空断路器因其显著特点，它是主网变电站、配网系统中占比最大的电气设备。而10kV的户内小车式真空断路器的储能电机部件是属于易损的元器件，需要作业人员经常性的更换。

对储能电机进行更换的作业中，由于储能电机的结构设计原理，在拆除储能电机的过程中，经常会在拆卸时会出现固定在储能电机上的螺栓被储能弹簧挡住，而此时储能弹簧状态处于完全释能状态，弹簧保持处于被拉伸约10mm的状态，使拆卸作业人员无法正常将储能电机拆下，只能强行将储能弹簧撬开到一定的位置，才能将电机的固定螺栓取下。如果多次以此强行方法撬开弹簧，会对弹簧的劲度与弹性产生一定影响，不利于储能弹簧的有效工作周期。

此外，由于储能弹簧在正常运行期间，长期处于拉伸状态，容易产生疲劳变形，使断路器的机械机构特性出现不合格现象，此时就需要将储能弹簧，进行拆下重新测试或者更换新的储能弹簧。

需要对弹簧进行拆卸工作，就必须将储能弹簧拉伸至储能机构的主轴不受力状态下，使其扣环没有张力，让扣环处于不受力的自由状态，才能将储能弹簧顺利拆除移开。弹簧正常工作状态如图（1），储能弹簧拆卸后样子如图（2）。

弹簧正常工作状态图（1）

储能弹簧拆卸后样子图（2）

通过储能机构部件的结构原理进行分析，可以发现储能弹簧工作状态所处的内部空间很小，可以提供作业人员操作的范围也比较有限，不利于作业人员的展开工作。

每次作业人员需要对储能机构进行更换部分元器件、调整三相同期及分合闸速度的时候，就会出现拆卸元件被储能弹簧遮挡住，不利于作业人员的操作，极大地降低了作业人员工作的效率和提高了更换元件的成本。因为更换元件的时候需要对电气设备进行断电处理，而真空断路器是为了保护高压电路安全的设备，连锁反应就会很大深度上影响了企业的连续生产保障。

将储能弹簧拆下的过程情况中，会因传统的拆卸方式，与传统的拆卸工具如螺丝刀等，极其容易产生不利于安全防护的现象。拆卸作业不但工作效率很低，时间周期长，也会存在拆卸的过程中损伤到作业人员及设备的隐患，不利于现场维护保养的要求。

为了解决储能弹簧难拆卸这一难点问题现象，通过对储能机构的结构与储能弹簧的工作原理进行分析，并为了提高作业人员的工作效率，有效地确保作业人员与电器设备的安全，特设计一种新型的安全便捷拆卸储能弹簧的专用工具。

二、储能弹簧便捷拆装专用工具的结构与原理

2.1储能弹簧便捷拆装专用工具的结构

储能弹簧便捷拆装专用工具是由1弹簧插爪、2左右旋丝杠、3丝杠驱动部分（由棘轮棘爪构成，与棘轮扳手相似，可以做到张紧与开合在同一操作位置）、4含油轴套、5棘轮扳手、6上下封板组成、7导柱。储能弹簧便捷拆装专用工具结构如图（3）所示：图（3）为储能弹簧便捷拆装专用工具拆卸储能弹簧总装配图。图（4）为储能弹簧便捷拆装专用工具结构图。

储能弹簧便捷拆装专用工具结构总装图（3）

储能弹簧便捷拆装专用工具结构图（4）

为了能够有效地将储能弹簧安全无损地拆卸下来，这款拆装专用工具在设计上就应具有足够的强度，保证拆装专用工具在运动与拆卸中不会产生变形等不良的情况。通过在材料的选取与结构的设计上满足工作强度的需求，保证拆装工作的顺利进行。

为了符合无损拆装这一设计要求，在弹簧插爪的设计上也做了不小的改进。弹簧插爪设计平面不是平行性，而是为了配合弹簧的曲线形状设计成为曲面形态，这样的设计是为了更好的在储能弹簧被拆装时，与储能弹簧接触面更大，不让所有的应力集中到了一条线上，造成储能弹簧的损伤，做到真正的无损拆装。保护了储能弹簧的外观和它的性能不被破坏。

左右旋丝杠的设计是上端为左旋，下端为右旋，目的是为了保证弹簧插爪可以同时开合运动（或者伸缩运动），并保证导柱传动的精度要求，左右丝杆的作用相当于动能传输部件，保证了动能输出方向和运动轨迹符合设计要求。

丝杠驱动部分是根据棘轮扳手的原理进行设计，目的是保证一个丝杠驱动操作动作就可以做到上下的弹簧插爪同时进行张紧与开合的动作。并通过齿轮组的结构特点，增加了驱动部分的自锁功能，使驱动装置运动到需求部位的时候，不施加外力的情况下，驱动装置可以通过自身的自锁功能，将弹簧插爪自锁在需要张开的部位。丝杠驱动零部件是利用齿轮传动的特点，保证丝杠驱动传动的高效性，齿轮组合给整个专用工具运动提供减速比，放大扭矩的作用，属于整个专用工具的动力装置。

含油轴套中的含油设计目的是为了保证提高导柱与轴套的耐磨性，轴套是为了保证弹簧插爪与导柱运动的精准度，使其上下运动的一致性。含油轴套在整个专用工具中起到了保证弹簧插爪在运动精度上的作用。

棘轮扳手是人为提供动能的初始装置，它可以将作业人员对它做的功转化成专用拆装工具拆装的势能。为了方便作业人员的操作，棘轮扳手内还含螺纹结构，可以通过螺纹连接棘轮扳手杆。通过杠杆力矩的原理，让作业人员可以轻松转动棘轮，从而实现这款专用拆装工具的便捷性能。

上下封板的作用是固定整个专用拆装工具，并起到保证导柱的精准度，使其与左右丝杆始终保持平行状态，不会因左右丝杆与弹簧插爪的运动而发生改变。它是整个专用拆装工具的固定和导向的重要部件。

2.2储能弹簧便捷拆装专用工具的工作原理

将储能弹簧便捷拆装专用工具上的弹簧插爪按插爪的曲面形态与储能弹簧形态一致性的方向，自由状态插入需要拆装的储能弹簧里。通过转动储能弹簧便捷拆装专用工具上的棘轮扳手柄，就可以转动与棘轮扳手咬合的齿轮组，该齿轮在运动后，会将旋转动能通过与左右丝杆连接，传动到了左右丝杆上。左右丝杆也随着一起进行旋转，通过左右丝杆运动，将储能弹簧便捷拆装专用工具上下端的含油轴套与弹簧插爪往导柱的两端同时运动，这样就可以完美将旋转棘轮扳手的动能转化成了弹簧插爪开合运动的势能。利用弹簧插爪的打开动作增加的势能，给储能弹簧一个向外伸张的张力，抵消了储能弹簧两端扣环与螺柱的拉紧力。然后作业人员停止转动棘轮扳手，驱动部分装置通过自身的自锁功能，锁紧齿轮位置。储能弹簧的扣环与螺柱之间没有了拉紧力，作业人员就可以顺利将储能弹簧拆卸下来，或者将储能弹簧装上。

这样的操作既方便，省力，还安全性很高，不会对储能弹簧造成二次伤害。还有效地保护了作业人员与电气设备的安全。

2.3储能弹簧便捷拆装专用工具设计

储能弹簧的拆卸在之前一直都是采用传统的方式撬开，如用螺丝刀插入储能弹簧里直接用力撬开储能弹簧的一头，让其弹簧扣环与螺柱的拉紧应力相互抵消，弹簧扣环恢复自由状态后，再将其从电器设备上面拆卸下来。这样的后果，不但对储能弹簧和电气设备都造成不同程度的损伤，还有可能对作业人员造成人身伤害，属于对元件的有损拆卸行为，不利于元件的重复性利用。

对于储能弹簧的拆装一直都是真空断路器维护保养的难点问题。针对该难点问题现象，并通过对储能电机的结构深入分析，提出对储能弹簧拆卸进行无损拆装的目的要求，特专门设计了这款储能弹簧便捷拆装专用工具。

利用储能弹簧对螺柱扣环的连接方式进行分析，當储能弹簧处于工作状态的情况下，储能弹簧会有一个拉伸力。只有当给这个储能弹簧在弹簧的中间部分施加一个张力，抵消储能弹簧两端扣环与螺柱之间的拉紧力，才能顺利地将储能弹簧取下。针对这一特性，最先设计了一款是通过杠杆传动原理的拆装专用工具，这一款工具的工作原理是利用杠杆传动原理的开合运动原理设计的。其工作运动方式是：通过作业人员单手握住两根杠杆施加压力，通过杠杆原理，将弹簧插爪张开，或者收合达到对储能弹簧中间施加的张力，使储能弹簧的扣环与螺柱之间的拉力被这一张力抵消，顺利地将储能弹簧拆卸下来。但是该设计方案存在不少的缺点，其一就是当弹簧插爪张开的时候，作业人员不能松开已经握紧的手，其二专用拆卸工具在保持运动的情况下，专用拆卸工具自身的固定性与定位性比较差，而且安全性也不高。

2.4储能弹簧便捷拆装专用工具优化

针对上面杠杆原理设计方案产生的问题现象，做出问题的相应分析，并且对拆卸专用工具的优化设计，找到了固定性和定位性比较好的零部件——齿轮组。

齿轮传动是连续咬合传递动能和运动的机械元件，它拥有传动精度高、适用范围很广、工作可靠、适用寿命周期长，传动效率高，还有可以实现不同轴之间的传动。并且齿轮组可以提供减速比，放大扭矩等优势，并通过增加了自锁功能这一环节，实现单人操作也可以方便快速拆装储能弹簧。

通过将齿轮传动代替了杠杆传动设计，并增加自锁功能。不但实现了拆装工具的固定性好，定位性强，实现了作业人员可以轻松转动拆装工具，转动到指定部位后，就可以通过自身的自锁功能，固定位置，不出现弹簧插爪倒回现象，有效解决了第一种方案出现的问题;齿轮组的方案设计还可以在工具的整体体积上做了不少的缩小，在结构简单的同时，还比较美观，工具的收藏也很方便。从齿轮组设计方案的这些特点上，大大提高了储能弹簧便捷拆装专用工具的工作性能和维护保养性。

三、研究项目的应用效果

储能弹簧便捷拆装专用工具在实际的应用中，将由原来作业人员需要数分钟甚至十数分钟才能拆装的储能弹簧，现在通过这款专用工具仅仅只需不到一分钟的时间，就可以将储能弹簧安全而又轻松地从电器设备上拆除下来，或者安装上去，有效地缩短了作业人员的工作时间，并可以进行单人操作，大大地提高了作业人员的工作效率。

因其可以高效快速地更换元件，就可将需要停电维修的时间大大地缩短了，有效地为连续生产提供了保障，减少企业在时间成本上的资源浪费，提高企业的生产效率。

在作业安全方面，因专用工具与弹簧之间的相互卡紧作用，没有将多余的应力对外释放，大大保护作业人员的人身安全与设备的安全。让作业人员拥有一个良好与安全的工作环境。

四、结论

这款储能弹簧便捷拆装专用工具的设计原理比较简单，它的加工工艺也不复杂，很容易加工装配成型。在使用操作方面也非常简单方便，不需要经过复杂的人员技术培训就可以直接熟练使用。真正做到了方便与快捷。

这项专用拆装工具的设计解决了储能电机在维护保养检修时不方便拆装的难题，大大提高了对储能弹簧拆装的工作效率，减少了企业停电时间和对作业人员与设备的安全进行有效的防护，为企业的连续生产和安全生产提供了保障。并通过操作人员的无数次实践检验，证明了该专用拆装工具的高效性、可靠性与安全性。