液压操动机构碟簧开裂后性能评估及原因分析

王中辉，郑栋文，屈文锋，张兆闯，许小梅

（溪洛渡水力发电厂，云南 昭通 657300）

液压操动机构（图1）普遍应用于超高压、特高压开关以及大容量发电机出口断路器设备上，是断路器唯一动力来源，而碟簧（图2）则是液压操动机构储能的重要部件，主要由多个碟簧片通过定位钢丝圈进行重叠及对叠而成。当液压操动机构储存能量达不到相应功能（重合闸、合分、单分）要求时，会直接造成断路器开断时间超标，从而导致断路器拉弧时间过长，轻则触头烧伤，重则断路器发生爆炸。因此，液压操动机构碟簧的安全及可靠性对断路器的稳定运行极为重要。

本文解析评估了液压操动机构碟簧开裂后的整体性能，分析了开裂的根本原因，同时提出预防液压操动机构碟簧开裂的建议及改进措施。

图1 液压操动机构

图2 碟簧

1 情况简介

此液压操动机构安装于550 kV超高压开关上，已持续运行5年。设备运行期间，液压操动机构内的碟簧长期处于压缩状态，只有开关在操作时，碟簧会释放部分能量并再次压缩。在例行停电检修时，检查发现此台液压操动机构内部其中一个碟簧片开裂（图3），但碟簧并未散开。

图3 贯穿性裂纹

2 碟簧开裂后性能测试及评估

为科学的了解碟簧开裂后液压操动机构工作性能，首先对其进行了储能压力测试，然后对其开裂的碟簧材质取样进行硬度测试，并对液压操动机构碟簧散开风险进行了分析与评估。

2.1 储能压力测试

测试结果如表1。

测试结果表明，在液压操动机构碟簧处于额定储能位置时（油泵停止节点），机构的压力（50.1 MPa）高于合分操作闭锁压力（48.2 MPa），其储存的能量能够满足设备合分操作，但不能满足更高要求的重合闸功能。

表1 储能压力测试结果

2.2 开裂碟簧硬度测试

对开裂的碟簧进行了硬度测试，测试结果符合GB/T 1972-2005的要求。具体测试结果如表2。

表2 硬度测试结果

2.3 液压操动机构碟簧散开风险分析及评估

在材料工艺方面，液压操动机构碟簧的材料为50CrVA弹簧钢，由于其加工工艺上得到了有效热处理，使得其碟簧具有较高的屈服强度和弹性，即使碟簧开裂出现轻微翻转迹象，仍然具有良好的韧性和抗拉强度，碟簧不会在其他部位发生新的断裂情况。在碟簧组合设计工艺方面，由于碟簧采用多片组合对叠的方式（图4），每个碟簧片均设计有钢丝支撑槽（图3），碟簧片之间采用钢丝圈进行连接组合（图4），这种组合方式能有效地控制碟簧发生侧向位移，使碟簧保持较为安全的组合状态。因此，在碟簧发生开裂短时期内，液压操动机构的碟簧不会发生散开危险。

图4 碟簧结构图

2.4 综合分析

虽然此液压操动机构的碟簧出现了单片开裂情况，当其碟簧压缩至额定状态时，储存的能量能够满足液压操动机构完成单次合分的要求，同时在碟簧发生开裂短时期内，碟簧不会发生散开危险。因此，此液压机构在性能上依然能够维持正常的工作状态，但对于高要求的重合闸操作，无法满足其能量需求。

3 液压操动机构碟簧开裂原因分析

3.1 外观检查

通过外观观察，此液压操动机构碟簧由16个碟簧片两两对拼组成，每个碟簧片上开有支撑槽，碟簧片之间通过置于支撑槽的钢丝圈隔开以及压力传递，具体结构如图4，整个碟簧外部涂抹有厚厚的一层防锈油。本次开裂的碟簧仅有其中一个碟簧片贯穿破裂（图3、图5），裂缝宽度超过10 mm，在断口一个局部小区域有轻微锈蚀（图3），且紧邻一个小区域有内部有油液渗透现象（图3），以上现象均位于外圆钢丝圈附近，其余断裂面清晰光洁。

图5 贯穿破裂的碟簧片

3.2 应力分析

由于此液压操动机构内开裂的碟簧片与相邻的碟簧片是通过外圆及内圆的钢丝圈进行力学传递的。而外观检查时，出现锈蚀及油液渗透的部位主要位于外圆钢丝圈附近。因此，我们需要重点对碟簧片定位圈附近的质点进行受力分析。具体应力分析图如下（图6），在轴向方向接触部位受到外压应力产生的最大切应力，切向方向受到最大拉应力，径向方向受到推应力。

图6 应力分析

3.3 检测分析

通过对液压操动机构开裂的碟簧片材质进行化学成分分析，其化学成分满足国标关于50CrVA弹簧钢的技术要求。对其断口处理后进行显微观察中，发现有多边小孔隙（图7）。在对其进行扫描电镜观察及能谱分析时发现在锈蚀及油液渗透部位孔隙较为集中（图8），且孔隙中存在有害夹杂物氧化铁（图9）及二氧化硅（图10）。

图7 多边小孔隙

图8 孔隙集中部位

图9 疏松孔隙中的氧化铁

图10 疏松孔隙中的二氧化硅

3.4 综合分析

液压操动机构碟簧在运行过程中发生开裂，主要是由于开裂的碟簧片外圆与钢丝圈接触面的交汇处存在较集中的疏松孔隙，并伴有害夹杂物氧化铁及二氧化硅，当外围防锈油逐步渗透，无法填补孔隙时，潮湿的空气进入，致使内部孔隙表面氧化锈蚀，进一步加剧孔隙疏松程度。同时，液压操动机构在储存及释放能量时造成此部位应力集中。在化学腐蚀及应力的共同作用下，使其优先发展成疲劳裂纹源，并导致液压操动机构的碟簧最终开裂。

4 结论及建议

此液压操动机构的碟簧在发生单个碟簧片开裂后，液压操动机构在短期内仍然能可靠地完成合分操作。但是，如果断路器设置有更高要求的重合闸操作时（例如线路侧断路器），则需要立刻更换开裂的碟簧。

本次液压操动机构碟簧开裂的原因主要是由于开裂的碟簧片本身存在的缺陷（在交变切应力作用点处存在有害夹杂物），在应力与化学腐蚀共同作用下，使该液压机构碟簧片内部缺陷发展成裂纹源并导致碟簧开裂。

为防范液压操动机构碟簧开裂的问题发生，建议在液压操动机构的生产制造过程中完善原料进厂及产品出厂检验制度，改进碟簧材料生产工艺提高产品出厂质量，在液压操动机构的运维过程中，要强化对其碟簧的检查及维护，加强对其外观及防锈检查，及时发现并排除开裂隐患。