梁 璐 張文鋼 王亞旭 蔣延磊 胡建輝

（1．國(guó)網(wǎng)電力公司平頂山供電公司，河南 平頂山 467000；2．鄭州華裕電氣設(shè)備有限公司，河南 鄭州 450046）

真空斷路器是變電站中重要的設(shè)備保護(hù)和控制單元，合閘線圈通過(guò)配合操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行斷路器的合閘操作。由于斷路器的頻繁啟動(dòng)，合閘線圈經(jīng)常損壞，更換合閘線圈時(shí)，需要多人配合才能拆除操作機(jī)構(gòu)中的大部分部件，是一項(xiàng)拆裝煩瑣、費(fèi)時(shí)費(fèi)力且重要性強(qiáng)的工作。因此需要針對(duì)目前的真空斷路器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一套能快速拆裝合閘線圈、縮短機(jī)構(gòu)合閘線圈拆裝用時(shí)的工具，以提高檢修的效率，進(jìn)一步提升供電質(zhì)量。

1 現(xiàn)有拆裝程序

1.1 拆裝用時(shí)長(zhǎng)

目前10kV 開關(guān)柜控制線圈包括VSI 型機(jī)構(gòu)合閘線圈和其他類型的機(jī)構(gòu)合閘線圈。對(duì)20 次合閘線圈故障時(shí)的拆裝用時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析后發(fā)現(xiàn)，VSI 型機(jī)構(gòu)合閘線圈的拆裝平均用時(shí)為113min，而其他類型機(jī)構(gòu)合閘線圈的平均用時(shí)為30min，也即現(xiàn)有技術(shù)下，VS1 型機(jī)構(gòu)單臺(tái)合閘線圈拆裝平均用時(shí)遠(yuǎn)高于其他類型機(jī)構(gòu)合閘線圈拆裝平均用時(shí)。

1.2 拆裝流程多

目前，10kV 開關(guān)柜VS1 型操作機(jī)構(gòu)合閘線圈位于操作機(jī)構(gòu)內(nèi)側(cè)，有擋板、軸等部件遮擋，對(duì)合閘線圈的拆裝需要六角扳手、卡簧鉗、螺絲刀和老虎鉗等多種工具進(jìn)行配合，拆裝過(guò)程包括工具準(zhǔn)備、遮擋部分拆除、合閘線圈拆除、合閘線圈安裝、遮擋部分恢復(fù)和工具收回環(huán)節(jié)，拆裝流程煩瑣且耗時(shí)長(zhǎng)。

2 拆裝新工具設(shè)計(jì)方案

2.1 總體方案設(shè)計(jì)思路

該文借鑒可拆磁吸套頭、傳動(dòng)軸方向可調(diào)[1]、動(dòng)力360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)輸出技術(shù)原理[2]，將其運(yùn)用在10kV 開關(guān)柜VS1 型操作機(jī)構(gòu)合閘線圈拆裝操作中，通過(guò)可拆卸的磁吸六內(nèi)方套頭、轉(zhuǎn)矩90°交軸傳動(dòng)、套頭360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)等組合，配以電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，優(yōu)化VS1 型操作機(jī)構(gòu)合閘線圈拆裝的工序，提高合閘線圈拆裝速度，最終實(shí)現(xiàn)10kV 開關(guān)柜VS1 型操作機(jī)構(gòu)合閘線圈的快速拆裝。

2.2 模擬試驗(yàn)驗(yàn)證

分析VS1 型機(jī)構(gòu)合閘線圈拆裝可知，如果使用專用檢修工具，僅需在拆開斷路器機(jī)構(gòu)面板和合閘板后，伸入斷路器機(jī)構(gòu)內(nèi)并360°旋轉(zhuǎn)裝拆螺栓，便可實(shí)現(xiàn)合閘線圈的快速拆裝。

在變電檢修中心實(shí)驗(yàn)室，2 名技術(shù)人員使用所組合的檢修工具，對(duì)30 臺(tái)VS1 型機(jī)構(gòu)合閘線圈進(jìn)行拆裝操作。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，單臺(tái)VS1 型機(jī)構(gòu)合閘線圈拆裝平均用時(shí)為26.9min，滿足預(yù)期要求。

綜上所述，采用萬(wàn)向軟軸連接桿和電動(dòng)扳手組合成的90°檢修工具能夠?qū)S1 型操作機(jī)構(gòu)單個(gè)合閘線圈拆裝作業(yè)用時(shí)控制在30min 以內(nèi)，即在理論上是可行的。

2.3 總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述提出的10kV 開關(guān)柜VS1 型操作機(jī)構(gòu)合閘線圈快速拆裝工具的總體設(shè)計(jì)思路，繪制工具技術(shù)框架圖，如圖1所示。其中，6、7、8 屬于套具部分，12、13、14、16 屬于傳動(dòng)部分，17、19、20 屬于驅(qū)動(dòng)部分，9、10、11 屬于殼體部分。

圖1 工具總體設(shè)計(jì)框架圖

2.4 設(shè)計(jì)功能闡述

該方案包括套具部分、傳動(dòng)部分、驅(qū)動(dòng)部分和殼體4 個(gè)部分，驅(qū)動(dòng)部分為工具提供電能，傳動(dòng)部分可實(shí)現(xiàn)力矩的傳動(dòng)，套具部分可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力360°輸出，殼體將套具部分、傳動(dòng)部分和驅(qū)動(dòng)部分組合起來(lái)，具有絕緣保護(hù)作用。

套具部分包括正反轉(zhuǎn)手柄、擺臂棘輪、棘爪、棘輪支銷、棘輪架、偏心軸套以及M6 六方磁性頭，正、反轉(zhuǎn)手柄通過(guò)棘輪支銷與棘輪架相連接，可以實(shí)現(xiàn)棘輪架正、反轉(zhuǎn)，便于更換合閘線圈。M6 六方磁性頭通過(guò)壓簧和壓簧鋼珠與棘輪架相連接，可自由更換，在較大程度上增強(qiáng)了工具的泛用性。

傳動(dòng)部分包括行星齒輪減速機(jī)構(gòu)（由中心齒輪、行星齒輪、行星齒輪套和行星齒輪架組成）及偏心傳動(dòng)軸，通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)中心齒輪、行星齒輪、行星齒輪架、偏心轉(zhuǎn)動(dòng)軸和擺臂棘輪層層減速，使棘輪架以符合工藝要求的速度旋轉(zhuǎn)，便于更快捷地更換合閘線圈。

驅(qū)動(dòng)部分包括電機(jī)、開關(guān)和鋰電池，電機(jī)提供動(dòng)力，使拆卸合閘線圈時(shí)不用動(dòng)作幅度極小，非常適合在狹小環(huán)境內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，同時(shí)也極大降低了工作人員受機(jī)械傷害的可能性。

殼體部分包括軸承、軸承支撐管、傳動(dòng)殼體以及外殼體，支撐部分整體細(xì)長(zhǎng)，便于在狹小空間內(nèi)進(jìn)行操作，降低了工作人員受機(jī)械傷害的可能性。

3 工具設(shè)計(jì)實(shí)施及測(cè)試

3.1 套具部分設(shè)計(jì)及測(cè)試

套具包括磁吸六內(nèi)方套具及緊固卡件部分。

3.1.1 磁吸六內(nèi)方選擇、設(shè)計(jì)及測(cè)試

先進(jìn)行磁吸六內(nèi)方的設(shè)計(jì)及制作，將鉻釩鋼作為磁吸六方頭，具體設(shè)計(jì)尺寸及成圖如圖2所示。其次，選取10 個(gè)平均質(zhì)量為10g、M6×90 的內(nèi)六角螺栓模仿實(shí)際工作情況進(jìn)行測(cè)試。

圖2 磁吸六方頭設(shè)計(jì)尺寸圖（mm）

測(cè)試結(jié)果表明：制作的磁吸六方頭吸起物體質(zhì)量的平均值為11.4g，大于10g，滿足可以吸起不小于10g 的輕型金屬的要求，即能達(dá)到磁吸設(shè)計(jì)要求。使用洛氏硬度計(jì)B 標(biāo)尺測(cè)量鉻釩鋼六內(nèi)方頭的硬度，將六方頭按長(zhǎng)度分為三等分，分別進(jìn)行測(cè)試，硬度平均值為65.67HRC，大于60HRC，也滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1.2 緊固卡件設(shè)計(jì)及測(cè)試

根據(jù)緊固卡件的卡緊程度、方便取裝六方頭2 個(gè)方面的需求，來(lái)考量對(duì)卡珠式、夾頭式結(jié)構(gòu)套具的選擇。

通過(guò)10 組對(duì)比試驗(yàn)，并根據(jù)主要技術(shù)參數(shù)需求，確定緊固卡件采用緊固效果好、取裝卡件方便的卡珠式結(jié)構(gòu)。

該方案設(shè)計(jì)包括卡珠式結(jié)構(gòu)的棘輪架加工圖，核心設(shè)計(jì)尺寸及成圖如圖3所示。

圖3 緊固卡件設(shè)計(jì)尺寸圖（mm）

制作完成后，邀請(qǐng)10 名工作年限不同的變電檢修中心員工參與卡珠式緊固卡件性能測(cè)試。分別進(jìn)行六方頭的取裝，統(tǒng)計(jì)取裝所用時(shí)間，平均用時(shí)2.05s。

接著測(cè)試六方頭與卡珠式緊固卡件的契合度，即卡緊程度。測(cè)試結(jié)果顯示，在20min～50min 連續(xù)作業(yè)過(guò)程中，卡具沒有掉落、滑動(dòng)現(xiàn)象，即滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)及測(cè)試

驅(qū)動(dòng)部分包括電池及電機(jī)2 個(gè)部分。

3.2.1 電池部分設(shè)計(jì)及測(cè)試

工具電池單元主要是為工具運(yùn)行提供穩(wěn)定可靠的電源。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鋰和鎳氫2 種充電電池應(yīng)用較廣泛。通過(guò)自放電率試驗(yàn)和記憶效應(yīng)試驗(yàn)可知，鋰電池的性能優(yōu)于鎳氫電池。

同時(shí)，對(duì)同容量的10 節(jié)鋰電池和10 節(jié)鎳氫電池樣品進(jìn)行20 次不完全充、放電，結(jié)果顯示，鋰電池?zé)o記憶效應(yīng)，鎳氫電池有記憶效應(yīng)。

綜上所述，根據(jù)電池的參數(shù)指標(biāo)，即自放電率＜1%/月、無(wú)記憶效應(yīng)、能量密度可達(dá)460W·h/kg 以上且循環(huán)壽命長(zhǎng)，確定工具電池單元的選擇為鋰電池。

該設(shè)計(jì)選擇常見的18650 型充電鋰電池，對(duì)其進(jìn)行自放電測(cè)試，使用萬(wàn)用表間隔5d 測(cè)試輸出電壓，同時(shí)記錄自放電量。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，月自放電量為0.89%，小于設(shè)計(jì)目標(biāo)值1%，符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，使用萬(wàn)用表測(cè)量電池輸出電壓值，共測(cè)試60 次，記錄每次電壓波動(dòng)情況，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)即波動(dòng)率為0.78%，為正常型直方圖，輸出電壓處于正常穩(wěn)定狀態(tài)，也滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 電機(jī)部分設(shè)計(jì)及測(cè)試

電機(jī)單元主要是為工具運(yùn)行提供可靠轉(zhuǎn)矩。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)工具采用無(wú)刷電機(jī)和有刷電機(jī)2 種直流電機(jī)，均能將電池的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能并驅(qū)動(dòng)六方頭旋轉(zhuǎn)。小組成員通過(guò)調(diào)研并對(duì)比2 種電機(jī)后發(fā)現(xiàn)，在額定轉(zhuǎn)速相同的條件下，無(wú)刷電機(jī)的使用壽命大于10000h，遠(yuǎn)大于有刷電機(jī)的最高2000h 的壽命，并且效率也較優(yōu)，因此，電機(jī)單元的選擇為無(wú)刷電機(jī)。

該設(shè)計(jì)選擇MY4260 型直流無(wú)刷電機(jī)，并測(cè)試該電機(jī)性能。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，該電機(jī)的轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)速誤差均小于+1%，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)及測(cè)試

傳動(dòng)部分的涉及包括減速器和傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)。

3.3.1 減速器設(shè)計(jì)方案

目前廣泛使用的是行星齒輪減速器和諧波齒輪減速器[3]，兩者均可根據(jù)需求制定尺寸和傳動(dòng)比。針對(duì)電機(jī)的回轉(zhuǎn)數(shù)需要減至較低的需求，設(shè)計(jì)參數(shù)需要滿足3∶1 的傳動(dòng)比，使用壽命大于10000h，同時(shí)還要兼顧經(jīng)濟(jì)成本。

通過(guò)調(diào)查，兩者均可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比為3∶1 的設(shè)計(jì)目標(biāo)。但是在使用壽命上行星齒輪可達(dá)20000h，遠(yuǎn)高于諧波發(fā)生齒輪減速器的5000h～10000h 的壽命，并且成本較低。綜上所述，確定減速器單元采用行星齒輪減速器。

小組成員根據(jù)方案設(shè)計(jì)制作了傳動(dòng)比為3∶1 的行星齒輪減速器。已知電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為6300r/min，則行星齒輪架額定轉(zhuǎn)速為2100r/min。使用激光轉(zhuǎn)速表對(duì)中心齒輪、行星齒輪架轉(zhuǎn)速進(jìn)行10 次測(cè)量，結(jié)果行星齒輪減速器傳動(dòng)比均為3∶1，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3.2 傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)及測(cè)試

傳動(dòng)軸需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的垂直型傳動(dòng)和垂直傳遞，同時(shí)還要帶動(dòng)棘輪正、反旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速滿足60r/min，誤差控制在2%，配合減速器實(shí)現(xiàn)二級(jí)減速且減速比大于等于12。通過(guò)調(diào)查分析，傳動(dòng)軸部分的設(shè)計(jì)確定采用減速比范圍比較大的偏心軸傳動(dòng)系統(tǒng)。

根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可知，棘輪架轉(zhuǎn)速60r/min 最合適。根據(jù)已經(jīng)選擇的6300r/min的無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)比為3∶1的行星齒輪減速器可知，偏心傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為2100r/min（35r/s）。為實(shí)現(xiàn)棘輪架60r/min（1r/s）的轉(zhuǎn)速，計(jì)算可得360°/35=10.2°，即偏心傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)一圈需要帶動(dòng)擺臂棘輪轉(zhuǎn)10.2°，同時(shí)也可確定擺臂棘輪、偏心傳動(dòng)軸以及偏心軸套尺寸。

尺寸設(shè)計(jì)完畢后進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)測(cè)量，擺臂棘輪齒圈中心至偏心軸套中心距離為20.25mm，偏心軸套中心距偏心傳動(dòng)軸中心距離為11.6mm。根據(jù)公式可得sin10.2°=（偏心軸套中心距偏心傳動(dòng)軸中心距離）/20.25mm，即偏心軸套中心距偏心傳動(dòng)軸中心距離為11.6mm，尺寸設(shè)計(jì)合理。同時(shí)根據(jù)確定的擺臂棘輪與棘輪架尺寸，即可設(shè)計(jì)出棘爪、正/反轉(zhuǎn)手柄和棘輪支銷尺寸。

設(shè)計(jì)制作完成后，小組成員將各構(gòu)件進(jìn)行搭配安裝，使用激光測(cè)速儀對(duì)棘輪架進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)測(cè)試，結(jié)果顯示，棘輪架正、反轉(zhuǎn)速度與額定轉(zhuǎn)速的誤差均小于±2%，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 殼體部設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)及測(cè)試

殼體材質(zhì)的選擇設(shè)計(jì)需要保證工具的日常使用與維護(hù)，并達(dá)到抗沖擊強(qiáng)度≥15J/m、絕緣電阻大于≥5MΩ 的性能指標(biāo)。

目前市場(chǎng)上的電動(dòng)工具外殼材料多采用ABS+PC 和光敏樹脂2 種材質(zhì)。設(shè)計(jì)運(yùn)用擺錘沖擊試驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn).從抗沖擊能力和絕緣電阻試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，ABS+PC 性能更好。

綜上所述，殼體部分設(shè)計(jì)采用性能更好的ABS+PC 材料為傳動(dòng)軸工具外殼材質(zhì)。

利用ABS+PC 塑膠材料，通過(guò)3D 軟件對(duì)工具外殼進(jìn)行建模并制作。制作完成后，檢測(cè)裝置外殼抗沖擊性能。即從13kJ/m2開始施加沖擊強(qiáng)度，每次增加0.5kJ/m2，直至沖擊達(dá)到17.5kJ/m2，記錄受到?jīng)_擊后裝置外殼的狀態(tài)。同時(shí)，小組成員使用絕緣電阻測(cè)試儀對(duì)外殼體及地施加1000V 電壓，測(cè)試殼體對(duì)地的絕緣電阻值。結(jié)果顯示，當(dāng)施加沖擊強(qiáng)度為17.5kJ/m2時(shí)，工具外殼仍未變形，裝置外殼的抗沖擊強(qiáng)度≥15kJ/m2，殼體對(duì)地絕緣電阻值為10MΩ，大于設(shè)計(jì)要求的5MΩ，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 組裝及試驗(yàn)

將制作好的各部件進(jìn)行組裝，測(cè)試工具的功能完整性，可滿足可吸起≥10g 的螺栓、轉(zhuǎn)矩90°交軸傳動(dòng)以及轉(zhuǎn)速為60r/min這3 個(gè)功能及參數(shù)需求。

使用組裝好的工具對(duì)VS1型機(jī)構(gòu)合閘線圈進(jìn)行更換工作，共測(cè)試50 次，記錄每次工作過(guò)程中工具各功能的使用情況。測(cè)試結(jié)果顯示，3 項(xiàng)功能均能100%達(dá)到。

經(jīng)過(guò)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)，裝置準(zhǔn)確度滿足檢測(cè)設(shè)備的要求且裝置安全性符合要求，不會(huì)影響被測(cè)設(shè)備的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

4 合閘線圈快速拆裝工具應(yīng)用效果分析

2022年11月期間，使用該工具在10 所變電站完成10 臺(tái)VS1 型機(jī)構(gòu)合閘線圈的更換工作，并對(duì)流程及時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。和新工具使用前相比，拆裝流程由12 步縮短為現(xiàn)在的8 步，同時(shí)單個(gè)合閘線圈更換平均用時(shí)為25.1min，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，有效縮短了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間，降低了作業(yè)難度。

5 結(jié)論

該設(shè)計(jì)工具可實(shí)現(xiàn)故障合閘線圈的快速更換及機(jī)構(gòu)狹小空間內(nèi)螺栓的360°旋轉(zhuǎn)拆裝，改進(jìn)了工作方法，減少了更換工序，節(jié)省了人力。檢修時(shí)間由使用前的130min 縮短為使用后的28.5min，縮短了更換時(shí)間。同時(shí)還根據(jù)設(shè)計(jì)需求，對(duì)套具、減速器、傳動(dòng)軸及殼體材料進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)制作，針對(duì)內(nèi)六角卡珠式套具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)可方便不同型號(hào)六方頭的更換，實(shí)現(xiàn)3s 內(nèi)取裝，顯著提高了檢修效率，具有較高的推廣價(jià)值，確保了供電服務(wù)質(zhì)量，提升了企業(yè)的形象，切實(shí)保障了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。