低壓開關(guān)柜一次觸頭彈簧斷裂典型案例分析

王 義，李元鵬，馬如海

（廣州白云電器設(shè)備股份有限公司，廣州 510460）

0 引言

低壓開關(guān)柜使用量大面廣，是電力系統(tǒng)中最接近用戶的負(fù)荷，對用電可靠性影響較大，廣泛應(yīng)用于各類發(fā)電廠、軌道交通、機場、數(shù)據(jù)中心、文體場館、醫(yī)院學(xué)校等公用設(shè)施，以及冶金化工、石油石化、造紙、汽車等工業(yè)企業(yè)的配電設(shè)施中，為各行業(yè)的電力使用提供了有力的保障。如何提高產(chǎn)品可靠性、靈活性、實用性、安全性，進(jìn)而提升電網(wǎng)運行質(zhì)量水平，是各低壓開關(guān)柜廠家研發(fā)、制造的重要課題之一。低壓開關(guān)柜抽屜一次回路的接通是通過動、靜觸頭的配合來實現(xiàn)的，一次回路接通時，觸頭本身具有一定的觸頭壓力，觸頭壓力是靠觸頭彈簧來保持的，觸頭彈簧的作用如下。

（1）補償觸頭磨損。觸頭磨損有兩種，一種是電磨損，是由于觸頭間電火花或電弧的高溫使觸頭金屬氣化所造成的；另一種是機械磨損，由于觸頭閉合時的撞擊觸點接觸面滑動摩擦等原因造成，觸頭在使用過程中，因磨損會越來越薄，觸頭在工作時依靠彈簧的變形量保證觸頭有足夠的壓力［1］。

（2）解決觸頭熔焊的問題。動靜觸頭表面被融化后焊在一起而分?jǐn)嗖婚_的現(xiàn)象，稱為觸頭的熔焊。當(dāng)觸頭閉合時，由于撞擊和產(chǎn)生震動，在動靜觸點間的小間隙中產(chǎn)生短路電流、電弧溫度高達(dá)3000～6000 ℃，可使觸頭表面被灼傷或熔化，使動、靜觸頭焊在一起，觸頭彈簧保持一定的初壓力，可以減小觸頭撞擊和產(chǎn)生震動，增大通流能力，避免觸頭發(fā)生熔焊。

本案例的低壓開關(guān)柜抽屜回路一次觸頭組件如圖1 所示，其采用了獨特的雙向插件設(shè)計，插件隨傳動機械滑動于抽屜單元插件和垂直母線之間，實現(xiàn)連接、分離位置的轉(zhuǎn)換，大大增強了產(chǎn)品操作的可靠性和安全性；采用雙向滑動機械傳動機構(gòu)，保證了開關(guān)柜在關(guān)門的狀態(tài)下，方便地實現(xiàn)了抽屜單元在連接、試驗和分離位置的切換，并保證設(shè)備外殼防護(hù)等級不改變［2］。本文針對低壓開關(guān)柜抽屜一次回路觸頭彈簧斷裂問題進(jìn)行技術(shù)分析和研究，從彈簧制造工藝過程中分析和追溯產(chǎn)生問題的原因，并對觸頭彈簧的受力進(jìn)行分析計算及驗證，完善了一次觸頭彈簧的檢驗文件，從工藝流程、管理、技術(shù)層面分析了出現(xiàn)的原因及制定了改善和預(yù)防措施。

圖1 一次觸頭組件

1 故障內(nèi)容

本案例的低壓開關(guān)柜進(jìn)行一次通電檢驗時，發(fā)現(xiàn)個別抽屜（如圖2 所示）一次回路出現(xiàn)缺相現(xiàn)象（即三相回路中有一相未形成回路），主要表現(xiàn)為相電壓低于標(biāo)準(zhǔn)電壓、缺相2 種型式。

圖2 抽屜

從檢查的情況看，相電壓低于標(biāo)準(zhǔn)電壓或缺相的發(fā)生，沒有規(guī)律可言，在抽屜的進(jìn)出線端任意相發(fā)生，對更換下來的一次觸頭組件拆卸后，發(fā)現(xiàn)有問題的回路都為觸頭彈簧斷裂，如圖3 所示。

圖3 斷裂的觸頭彈簧

2 原因調(diào)查

本次故障涉及多臺低壓開關(guān)柜，其中一次觸頭3002 只，使用觸頭彈簧數(shù)量為5000（單片）＋1004（雙片）個。從損壞的數(shù)量上看，所占比例并不大，從統(tǒng)計結(jié)果看，僅占總數(shù)的1%，但問題非常嚴(yán)重，因一次觸頭彈簧斷裂，不確定因素太多。從目前的情況看，觸頭彈簧的斷裂是隨機的，不知道有多少觸頭彈簧會斷裂，也不知道什么時候斷裂，每個一次觸頭隨時都可能發(fā)生事故，所以立即停止本批一次觸頭彈簧的使用，并展開原因調(diào)查。

2.1 觸頭彈簧加工過程步驟

觸頭彈簧在加工過程中，需要以下步驟：原材料采購及檢驗；零件模具成形及檢驗；熱處理及檢驗；表面處理及檢驗；

2.2 觸頭彈簧加工過程調(diào)查

觸頭彈簧加工過程調(diào)查如下。

（1）原材料采購及檢驗調(diào)查

結(jié)果：檢驗記錄齊全，有材質(zhì)檢驗報告，符合該零件的材質(zhì)要求。

（2）零件模具成形調(diào)查

結(jié)果：檢驗記錄齊全，符合該零件加工的工藝要求。

（3）熱處理調(diào)查

結(jié)果：檢驗生產(chǎn)記錄不齊全，未按熱處理質(zhì)量控制和檢驗進(jìn)行記錄和檢驗。

（4）表面處理及檢驗調(diào)查

結(jié)果：零件表面采用化學(xué)鍍鎳，鍍件不會滲氫，無氫脆現(xiàn)象，零件不會產(chǎn)生裂紋、斷裂等。

2.3 調(diào)查結(jié)論

觸頭彈簧熱處理的過程控制程序不嚴(yán)格，檢驗生產(chǎn)記錄不齊全，無完善的熱處理質(zhì)量控制和檢驗程序，調(diào)查觸頭彈簧熱處理過程，發(fā)現(xiàn)主要原因為觸頭彈簧淬火后未及時回火，簧片在受到較大壓力或多次變形時出現(xiàn)脆性斷裂現(xiàn)象。

3 問題處理

3.1 處理決定

由于觸頭彈簧淬火后未及時回火，簧片在受到較大壓力或多次變形時出現(xiàn)脆性斷裂，觸頭彈簧的斷裂是隨機的，故立即停止使用目前在制的所有觸頭彈簧。根據(jù)要求，重新計算觸頭彈簧參數(shù)并確認(rèn)，重新制定觸頭彈簧的檢驗要求并驗證，驗證合格后再確認(rèn)批量使用［3］。

3.2 觸頭彈簧參數(shù)計算及確認(rèn)

3.2.1 材料確認(rèn)

在選擇觸頭彈簧材料時，應(yīng)注意材料的力學(xué)性能、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性，也要重視材料的熱處理性能，以確保零件容易達(dá)到預(yù)定的熱處理要求，并且成本低廉，生產(chǎn)周期短。低壓開關(guān)柜觸頭彈簧的選用分2 種情況，對于形成閉合回路的觸頭彈簧，一般選用無磁不銹鋼材料，無磁不銹鋼弱磁場、耐腐蝕、高彈性，并能避免渦流引起的發(fā)熱等，但價格高，加工周期長；對于不形成閉合回路的觸頭彈簧，一般采用普通彈簧鋼，該零件的設(shè)計未形成閉合回路，故使用65Mn材料，該材料易于采購、成本低廉、生產(chǎn)周期短、具有高的強高和硬度、彈性良好、淬透性好［4］。

3.2.2 觸頭彈簧計算參數(shù)確認(rèn)

根據(jù)觸頭彈簧的受力結(jié)構(gòu)，如圖4 所示，按計算公式進(jìn)行計算。

圖4 觸頭彈簧受力結(jié)構(gòu)

（1）撓度計算

撓度計算為：

式中：fy為撓度（彈簧變形量）；F為作用力；L為支點距離；E為彈性摸量；I為截面慣性矩。

（2）截面慣性矩計算

截面慣性矩計算為：

式中：I為截面慣性矩；B為截面寬度；h為截面厚度。

（3）應(yīng)力計算

應(yīng)力計算為：

式中：σmax為彈簧的最大許用應(yīng)力；F為作用力；L為支點距離；Z為抗彎截面系數(shù)。

（4）抗彎截面系數(shù)計算

抗彎截面系數(shù)計算為：

式中：Z為抗彎截面系數(shù)；B為截面寬度；h為截面厚度。

按上述公式在確定觸頭壓力F的前提下，計算彈簧的變形量、彈簧的最大許用應(yīng)力，計算結(jié)果如表1 所示。根據(jù)計算確認(rèn)觸頭彈簧的設(shè)計參數(shù)滿足使用要求［5］。

表1 觸頭彈簧計算結(jié)果

3.2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計及熱處理

關(guān)于觸頭彈簧的設(shè)計，設(shè)計者往往只考慮零件的結(jié)構(gòu)形狀及彈簧的變形量，而忽略了零件材料或結(jié)構(gòu)不合理給熱處理工藝帶來的不便，甚至造成熱處理后零件產(chǎn)生各種缺陷以及零件報廢；因該零件為薄片狀，設(shè)計時應(yīng)特別注意避免各種尖棱或尖角，各倒角應(yīng)圓滑過渡［6］。

薄片狀觸頭彈簧熱處理時應(yīng)注意淬火時的淬硬性和淬透性，材料的淬硬性與鋼的含碳量有關(guān)，含碳量愈高，淬火后的硬度就愈高，淬火后的硬度還受到零件截面尺寸的影響；淬透性主要取決于鋼的合金成分，還受冷卻速度、冷卻劑以及零件尺寸大小的影響。熱處理時應(yīng)特別注意以下幾點。

（1）待處理零件的核查和驗收

為了確保熱處理的質(zhì)量，應(yīng)對觸頭彈簧的外觀、形狀和尺寸等要素進(jìn)行檢查，零件的表面應(yīng)光滑、無劃痕、磕碰、裂紋等引起熱處理后應(yīng)力集中的缺陷，形狀和尺寸應(yīng)符合圖紙要求［7］。

（2）加熱質(zhì)量的控制

首先應(yīng)對加熱爐的爐溫進(jìn)行嚴(yán)格控制，溫度指示記錄表的刻度應(yīng)能正確反映出溫度的波動范圍；其次應(yīng)在保護(hù)氣氛或真空爐內(nèi)加熱，避免材料氧化脫碳，并保持材料表面光亮，在普通空氣爐內(nèi)加熱時，應(yīng)采取裝箱保護(hù)措施［8］；最后應(yīng)正確選擇加熱參數(shù)，包括加熱溫度、加熱時間和加熱速度。薄片狀彈簧的加熱應(yīng)在最短的時間內(nèi)，以最快的加熱速度達(dá)到規(guī)定的溫度，65Mn材料的薄片彈簧加熱溫度約810 ℃左右。

（3）淬火介質(zhì)的選擇

65Mn材料的薄片狀觸頭彈簧應(yīng)選擇專用淬火油作為淬火介質(zhì)，淬火油要保持干凈，淬火油中混入少量的水是極其有害的，會造成淬火時零件出現(xiàn)軟點或畸變，故不能有水混入。為了防止觸頭彈簧在空氣中冷卻過快，達(dá)不到淬火的硬度，觸頭彈簧從爐內(nèi)取出后應(yīng)快速放入淬火油中，最好采用裝箱保護(hù)措施，連同保護(hù)箱一起放入淬火油中，以期達(dá)到最好的淬火效果［8］。

（4）回火的質(zhì)量控制

淬火后的彈簧應(yīng)及時回火，一般情況下室溫停留時間不得超過4 h，65Mn 材料的薄片狀觸頭彈簧的回火溫度為450 ℃，回火保溫時間以4 h為宜，并隨爐冷卻。

3.2.4 觸頭彈簧性能的檢驗和驗證

對觸頭彈簧的外觀、尺寸、力學(xué)性能、熱處理硬度進(jìn)行檢驗和驗證，記錄如表2 所示。

表2 彈簧驗證記錄

4 檢驗要求的重新制定與實施

為了嚴(yán)肅工藝紀(jì)律，杜絕類似的質(zhì)量事故再發(fā)生，對觸頭彈簧的檢測制定了嚴(yán)格的熱處理要求和檢驗要求，檢驗中如果發(fā)現(xiàn)觸頭彈簧不符合要求，應(yīng)對整批觸頭彈簧進(jìn)行隔離，上報相關(guān)部門，查清原因后，按調(diào)查的原因確定是否繼續(xù)進(jìn)行檢驗和使用。同一爐熱處理的零件應(yīng)進(jìn)行一次抽檢，破壞檢驗（抽檢）數(shù)量約為6～12 件，常規(guī)檢驗（抽檢）數(shù)量約為總數(shù)量的5%～10%。熱處理參考數(shù)據(jù)如表3 所示。檢驗要求參考數(shù)據(jù)如表4 所示。

表3 觸頭彈簧熱處理工藝參考數(shù)據(jù)

表4 觸頭彈簧驗證要求

5 結(jié)束語

機械產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量主要取決于材料和熱處理，利用熱處理技術(shù)進(jìn)行金屬材料深加工，能夠提升金屬材料性能和穩(wěn)定性，同時提升產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。加強熱處理的質(zhì)量管理是保證質(zhì)量穩(wěn)定的前提條件，要減小和控制熱處理零件的變形、斷裂，必須從工件的設(shè)計、材料的選擇入手，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計對控制熱處理變形、斷裂非常有利；合理的材料選擇，可以簡化熱處理工藝，降低熱處理過程的質(zhì)量風(fēng)險，確保零件容易達(dá)到預(yù)定的熱處理要求，在保證工件硬度要求和產(chǎn)品性能的同時，才能取得理想的效果。觸頭彈簧為低壓開關(guān)柜抽屜一次觸頭內(nèi)的關(guān)鍵零件，彈簧質(zhì)量的穩(wěn)定，是保證低壓開關(guān)柜安全運行的重要保障；經(jīng)過系列的驗證、檢驗和規(guī)范觸頭彈簧的熱處理工藝，觸頭彈簧的各性能指標(biāo)均符合設(shè)計和使用要求，能夠確保產(chǎn)品的安全運行。