框架断路器操作机构设计可靠性浅析

董 蕾， 张 雷

(1. 海军装备部驻上海地区军事代表局驻宁波地区军事代表室，浙江宁波315000；2. 中国舰船研究设计中心，武汉430064)

0 引言

目前，国内外针对框架断路器操作机构可靠性开展了以下工作，任俊勇[1]通过建立操作机构刚柔耦合模型进行应力分析研究其可靠性与优化设计方法；苏秀萍[2]通过有限元强度分析得到静强度可靠度和疲劳强度可靠度评估方法，Yu Xue[3]分析了锁扣机构对断路器操作机构可靠性的影响。以上研究主要通过建立操作机构运动学和静力学模型，计算各部件在各类工况时的应力水平，构架操作机构的可靠性分析模型，计算各部件在各个工况条件下的应力水平，构建操作机构的可靠性分析模型。但较少从服役中的操作机构全寿命周期表现出发，分析各结构部件的磨损、断裂及破坏失效情况。

本文以某型船用框架式断路器操作机构为例，构建其可靠性分析模型，解析了关键部件对可靠性影响机理，在此基础上提出关键部件加工工艺的改进方法，可明显提升框架式断路器操作机构的可靠性。

1 工作原理及结构

框架断路器操作机构由机构本体、电操装置、手操装置、合闸电磁铁、分励脱扣器、欠压脱扣器（可选）、操作轴等部分组成。

框架断路器的操作机构能够在接收到外部命令或人为干涉的情况下完成储能、闭合、断开、欠压脱扣（可选）等操作。操作机构如下图所示。

2 可靠性分析

通过对某型船用框架式断路器寿命试验及服役期间运行维护数据进行分析，得到操作机构各零部件在寿命末期的表现。分析各零部件在操作机构工作过程中的权重和破损情况，从加工工艺角度提出改进建议，提升操作机构运行可靠性。

2.1 脱扣力影响

2.1.1 脱扣力的形成

断路器处于闭合状态时，其静触头对动触头产生触头反力（一般为几千牛顿），并通过连杆、转轴、连杆、杠杆、连杆传递，作用力逐级递减，最终使杠杆对半轴产生一个压力（一般为几十牛顿）。

距离半轴中心为r的悬臂上作用一驱动半轴旋传并使操作机构脱扣的力P，即断路器操作机构脱扣力（也称断路器的脱扣力）。若忽略半轴两端的支承磨擦力，且作用力指向半轴中心，它基本不产生阻力矩，则欲使机构脱扣。

2.1.2 改进措施解决方法

通过分析脱扣力的影响因素，制订以下几点在不改变断路器结构的情况下，在生产中可快速、有效地解决脱扣力离散度的问题：

1）稳定 T扭簧。半轴由脱扣力驱动后，往往要由扭簧进行复位，T扭簧为构成脱扣力的一部分。因此，要稳定脱扣力扭簧扭矩的公差应控制在较小范围内（一般为±5%）；

2）半轴5、杠杆7扣面部位应较高的硬度和较低的粗糙度值。采用GCr15轴承钢，局部高频淬火（50～53）HRC，淬火后进行外圆磨床磨半轴外圆，保证精确的尺寸，确保产品质量。

2.2 杠杆

杠杆是机构中的关键部件之一，其性能直接关系到断路器的稳定性与可靠性，研究杠杆对机构使用寿命具有重要作用。

2.3 闭合半轴跳扣

通过对闭合系统进行分析，发现其有很多薄弱环节，提出以下几点解决方法：

1）原采用45号钢，在使用中部分有拉开变形，头部与勾部严重磨损，储能不可靠，考虑材料改为强度和硬度更高的锰钢65Mn；

2）改进热处理工艺，调质（22～28）HRC后局部淬火（50～53）HRC，用夹具把工件组合固定淬火，然后调平处理。

2.4 凸轮、轴

经过寿命3000次试验后，观察发现凸轮轴和孔有明显磨损痕迹，前后摇动很大，对比出厂时的操作机构状态，发现其凸轮、轴配合较松，提出以下工艺改进方法：

1）改进轴的热处理工艺，调质（22～28）HRC改为正火（234～283）HB，V型槽加工后再进行高频局部淬火，正火细化材料内部组织，提高材料切削性能，保证铣刀几何形状与加工寿命；

2）轴与凸轮孔采用过盈配合，凸轮孔60°处，要求不能小于 60°，R符合要求，然后用夹具固定在气压机上整体压合。

2.5 脱扣杠杆

2.5.1 跳扣轴压铆

1）设计左右两片，跳扣铆接工装。分析了跳扣较薄，经过热处理出现工件变形大，脱落很多氧化层造成孔与轴配合过松，两片前后不齐等缺陷产生的原因，并给出解决方案。通过工装的结构设计，机构的可靠性与稳定性有了很大的提高，解决了滑扣现象；

2）零件工艺分析。ZW系列断路器都有的类似零部件，要将轴台阶上的余料压铆在跳扣平面上。压铆后需要满足一定的扭矩检测要求。采用原工装进行零件加工，由于定位轴与跳扣孔公差较大，导致跳扣处单片与夹具上摩擦，一但夹具松掉，跳扣回到原变形状态，孔与轴配合较松，铆牢小铆钉后，造成跳扣前后不齐，轴与跳扣板打圈。同时轴硬度不高，跳扣有较高的硬度，经过短暂试验就产生3处较深的勾槽，缩短机构使用寿命。

2.5.2 改进方法

1）设计易于加工装配的工装夹具。在生产中实际检验，铆接强度稳定可靠安全，上压块内孔台阶比零部件轴的台阶少0.1～0.2 mm左右，轴与跳扣孔采用过盈公差配合，铆压整体；

2）轴保留两端40°锥度，顶住两轴端，专用磨夹具固定整体跳扣进行外圆磨R65。改进加工工艺使得零件加工精度大有提高，确保了同心度与加尺寸要求，增强扭矩力与强度，保证可靠稳定。

2.6 轴与孔配合

机构中的铆合件，轴与孔都采用过盈配合，放长了轴的铆合长度，要求高的孔进行铰孔处理，保证了孔的公差要求，增强铆合的强度。

2.7 消除机构侧板变形

机构两侧板是机构主要骨架零件，它的加工精度直接关系到机构其他关键零部件的安装定位精度，因此需重点关注机构侧板的加工变形情况。

在某型断路器操作机构的加工过程中，左右侧板材料较薄，在冲制加工中发现有严重弯曲变形情况，孔距不准，孔切面深造成喇叭孔口，孔成椭圆形，尺寸及粗糙度均不满足技术要求。部分连接宽度较小处有断裂现象，在机构整体装配完成后，侧板开档尺寸不准，导致半轴不能灵活转动卡死，直接影响机构质量。

根据上述问题提出了实际可行解决方案，弥补了冲制加工过程中存在的薄弱环节：

1）材料明确规定使用3mm20号冷轧钢板（原为Q235-A板）；

2）轴与孔静配合一律采用过盈配合，关键孔进行精冲孔，保证孔公差配合技术要求。

2.8 机构转轴与动触头连接

机构转转轴与动触头连接的连接使操作机构与触头系统的接口，操作机构通过此处连接为触头系统提供合闸时保持力和分闸力，其动作稳定性是合分闸可靠性的重要保证。在拆卸寿命试验后的连接机构转轴与动触头连接销轴发现，销轴表面、操作机构悬臂、动触头连杆等连接处有一定的塑性变形。对此，提出了以下改进方案：

1） 对连接件进行材料更换或表面处理提高硬度；

2） 在装配技术要求中提高连接处的装配精度要求。

2.9 弹簧、扭簧、拉簧

弹簧、扭簧、拉簧是机械杠杆传递的机构是不可缺少的关键元件之一，其在断路器的合分闸过程中弹簧力和形变反复变化，会放大材料内部缺陷，产生低周疲劳导致破坏失效。因此，在材料的选择、热处理，加工样品测试等环节需严格把控。

1）将原关键的部位（触头弹簧、储能弹簧）选用的碳素弹簧钢丝更换为硅锰钢丝60Si2MnA，提高耐压，稳定性以及安全系数；

2）严格把关弹、扭、拉簧的质量，关键零件按照技术要求施行全检；

3 结论

本文以某型船用框架断路器操作机构为研究对象，立足于国内外现有成熟技术，提出了操作机构可靠性影响因素分析方法，给出了通过关键部件加工工艺改进促进可靠性提升的建议，达到了产品可靠性的要求。保证了用户的可靠安全使用，对整个供电系统的可靠性、稳定性具有重要的现实意义。