鐘積科，陳 程，李 明，謝豐茜

(武漢長(zhǎng)海電氣科技開(kāi)發(fā)有限公司，武漢430064)

0 引言

應(yīng)用于軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)電壓等級(jí)為1500 V 和750 V 的低壓直流開(kāi)關(guān)設(shè)備一直以來(lái)被國(guó)外瑞士Secheron 公司、美國(guó)GE 公司和英國(guó)FKI 等幾個(gè)跨國(guó)公司的產(chǎn)品所壟斷[1]，其中以瑞士Secheron 公司生產(chǎn)的BMS 系列和UR 系列更為突出，國(guó)內(nèi)有很多企業(yè)以此為基型進(jìn)行了研仿，也有科研院所進(jìn)行了相關(guān)電氣性能和可靠性的研究，均有一定成果。但國(guó)外低壓直流開(kāi)關(guān)設(shè)備依然占據(jù)軌道交通行業(yè)牽引開(kāi)關(guān)設(shè)備很大市場(chǎng)份額，且隨著軌道交通行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)該產(chǎn)品的需求量也越來(lái)越大。不過(guò)，也正是由于軌道交通行業(yè)的不斷發(fā)展，行業(yè)制度的不斷完善，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量要求也越來(lái)越高，無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的直流開(kāi)關(guān)電器都存在一定的質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)此，本文對(duì)低壓直流斷路器和低壓直流接觸器典型故障情況的統(tǒng)計(jì)進(jìn)行了整理，將其故障情況分為非金屬件故障和金屬件故障，根據(jù)故障的危險(xiǎn)程度可以分為不影響開(kāi)關(guān)性能的一般故障和影響開(kāi)關(guān)性能的嚴(yán)重故障。本文針對(duì)以上提出的不同類型的故障進(jìn)行了分析判斷，給出了理由，并提出了解決方法和處理措施，最后總結(jié)出提高產(chǎn)品使用壽命的見(jiàn)解。

1 故障統(tǒng)計(jì)

為保障城市軌道交通設(shè)備的運(yùn)行，車輛檢修部門會(huì)根據(jù)列車的運(yùn)用計(jì)劃制定車輛檢修計(jì)劃，檢修計(jì)劃出臺(tái)后，車輛部門會(huì)按檢修修程和檢修工藝將車輛修竣后交于車輛運(yùn)用部門。通常車輛的檢修修程分日常檢修和定期檢修，日檢、雙周檢、月(三月)檢屬于日常修建范疇，大修、架修、定修(年修)屬定期檢修范疇[2]。

如下表1 所示，為某地鐵檢修部門在對(duì)車輛檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)的斷路器、接觸器部件典型故障情況統(tǒng)計(jì)。從該表中可以看出典型故障情況為零部件的裂紋、破損、斷裂、老化、磨損，非金屬件故障主要在月修時(shí)發(fā)現(xiàn)，而金屬件故障在架修之后發(fā)現(xiàn)。從危險(xiǎn)程度上來(lái)說(shuō)，非金屬件故障基本上為一般故障，一般故障短期內(nèi)不會(huì)對(duì)開(kāi)關(guān)性能產(chǎn)生影響。而金屬件故障基本均為嚴(yán)重故障，對(duì)開(kāi)關(guān)的運(yùn)行和使用產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)不能正常工作。

表1 典型故障統(tǒng)計(jì)

圖1～12 為典型故障實(shí)物圖，從圖中可以看出開(kāi)關(guān)零部件損壞程度。

圖1 典型故障實(shí)物圖

2 非金屬件故障問(wèn)題分析及處理

非金屬件在開(kāi)關(guān)中作為重要的組成部分，主要有以下幾方面的作用：1）作為對(duì)開(kāi)關(guān)本體金屬部分的固定支撐作用；2）作為電氣隔離(絕緣)的作用；3）作為機(jī)械結(jié)構(gòu)力傳動(dòng)的作用；4）出于某種電氣性能和機(jī)械性能的考慮而設(shè)計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)，如增大電弧流體壓強(qiáng)、加快散熱、緩沖、潤(rùn)滑等等作用。以上四方面的作用對(duì)開(kāi)關(guān)的運(yùn)行和使用均有著一定的影響，如1）失效開(kāi)關(guān)可能會(huì)導(dǎo)致部件之間相互脫離；2）失效開(kāi)關(guān)金屬件電氣隔離處會(huì)發(fā)生絕緣擊穿；3）失效開(kāi)關(guān)機(jī)械運(yùn)行失??；4）失效開(kāi)關(guān)的電氣性能和機(jī)械性能指標(biāo)會(huì)降低。

以上四方面的作用也需要注意零部件的使用壽命問(wèn)題，零部件的使用壽命直接關(guān)系到了開(kāi)關(guān)整機(jī)的使用壽命，在給定的開(kāi)關(guān)有效使用壽命內(nèi)非金屬件未出故障，說(shuō)明該非金屬件是滿足使用要求的。

如圖1（1）所示滅弧罩有裂紋，該滅弧罩的非金屬部分(絕緣柵片)起著支撐和絕緣的作用，同時(shí)為保證電弧能有效噴出和散熱的作用，絕緣柵片壁設(shè)計(jì)的很薄，這樣不可避免的在該零件的生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝、使用過(guò)程中造成裂紋，由于滅弧罩為靜置件，其中的絕緣柵片按力矩要求被壓實(shí)，之間不存在動(dòng)態(tài)力的傳動(dòng)。對(duì)于機(jī)車上使用的開(kāi)關(guān)電器，實(shí)際工況中會(huì)存在一定程度的振動(dòng)和沖擊，在開(kāi)關(guān)驗(yàn)收前需按標(biāo)準(zhǔn)GB/T21563 I類B 級(jí)進(jìn)行振動(dòng)和沖擊型式試驗(yàn)。因此，該裂紋在不會(huì)對(duì)開(kāi)關(guān)性能產(chǎn)生影響，只需更換有裂紋的絕緣柵片即可。

如圖1（2）所示外殼有裂紋，該外殼起著支撐和絕緣的作用，出現(xiàn)裂紋處有外部金屬件對(duì)其施加壓力，使其出現(xiàn)裂紋，此處需考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，需考慮多大應(yīng)力才能導(dǎo)致此處出現(xiàn)裂紋，從圖中結(jié)果來(lái)看，此處強(qiáng)度不足。

如圖1（3）所示安裝緊固孔附近裂紋，該裂紋對(duì)開(kāi)關(guān)性能有很大的影響，支撐框架與金屬支架間，通過(guò)螺栓緊固，由于二者接觸面并非真正的平面且支撐應(yīng)力全集中在安裝孔附近，導(dǎo)致安裝孔附近的非金屬間應(yīng)變量很明顯，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋，更嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂，甚至是框架斷裂，后果很嚴(yán)重。

如圖1（4）所示滅弧罩有破損，如同圖1 所示絕緣柵片壁設(shè)計(jì)的很薄，該零件不可避免的在生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝、使用過(guò)程中造成裂紋。從圖中可以看出，明顯人為造成的。其破損處對(duì)開(kāi)關(guān)性能無(wú)影響。

如圖1（5）所示為杠桿斷裂，杠杠在開(kāi)關(guān)中起著機(jī)械結(jié)構(gòu)力的傳動(dòng)的作用，其斷裂產(chǎn)生的后果很嚴(yán)重，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)不能正常工作，造成其斷裂的原因主要有以下原因：杠杠材料強(qiáng)度不夠，可能選用了物性參數(shù)較差的材料；材料生產(chǎn)工藝存在問(wèn)題，此處產(chǎn)生熔接痕，導(dǎo)致杠桿受力后，熔接痕處存在較大的應(yīng)力，導(dǎo)致杠桿斷裂；此處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的太薄弱導(dǎo)致局部應(yīng)力過(guò)大超過(guò)了材料能夠承受的應(yīng)力范圍，導(dǎo)致斷裂。

如圖1（6）所示的滅弧罩老化現(xiàn)象，跟使用工況和滅弧柵片自身的承受能力有關(guān)，當(dāng)操作次數(shù)達(dá)到了一定數(shù)值后，滅弧罩內(nèi)引弧角燒蝕、滅弧柵片燒蝕程度會(huì)很明顯，絕緣柵片表面也會(huì)有明顯的碳化現(xiàn)象。因此，只要規(guī)定的電壽命參數(shù)合理且滿足，滅弧罩老化現(xiàn)象的存在是合理的。

通過(guò)以上分析，非金屬件故障問(wèn)題還是至關(guān)重要的，除了滅弧罩有裂紋、滅弧罩有破損、滅弧罩老化外，其余情況對(duì)開(kāi)關(guān)性能都有嚴(yán)重影響。解決方法主要有以下三種：1）首先確定材料的物性參數(shù)是否能達(dá)到要求，否則選用性能更為優(yōu)良的材料；2）確定零部件的生產(chǎn)加工工藝，特別是通過(guò)模具成型的非金屬零件，其成型工藝的把控對(duì)材料的強(qiáng)度有著很重要的影響，而且控制不好也易造成零件變形或尺寸變化；3）零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理，對(duì)于強(qiáng)度不足或結(jié)構(gòu)復(fù)雜處可以對(duì)零件增厚或增加加強(qiáng)筋來(lái)處理，即使還解決不了問(wèn)題時(shí)，可以在非金屬件中嵌入金屬嵌件或金屬鋼板以此來(lái)提高局部位置的機(jī)械強(qiáng)度。用以上方法解決此故障還需要進(jìn)行相應(yīng)的長(zhǎng)壽命驗(yàn)證工作，以此來(lái)確保非金屬零部件改進(jìn)后的合理性，同時(shí)也確定是否能提高開(kāi)關(guān)的可靠性。

3 金屬件故障問(wèn)題分析及處理

金屬件是開(kāi)關(guān)中最核心的部分，主要作用如下：1）帶電金屬件，如母排、觸頭、引弧角、軟連接等構(gòu)成系統(tǒng)一次回路；2）為開(kāi)關(guān)合分閘提供驅(qū)動(dòng)力的機(jī)構(gòu)，如電磁機(jī)構(gòu)、永磁機(jī)構(gòu)、脫扣器、彈簧儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)等；3）為開(kāi)關(guān)合分閘提供力的傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)，如連桿、銷子、凸輪等；4）為保證開(kāi)關(guān)各組成部件之間配合而設(shè)計(jì)的各種安裝接口，包括用來(lái)連接該配合的標(biāo)準(zhǔn)件；5）出于某種電氣性能和機(jī)械性能的考慮而設(shè)計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)，如磁吹線圈機(jī)構(gòu)、散熱模塊等。以上五方面的作用關(guān)系到開(kāi)關(guān)能否正常使用，如作用1）失效開(kāi)關(guān)不能正常帶電工作，嚴(yán)重時(shí)燒毀開(kāi)關(guān)；作用2）失效開(kāi)關(guān)不能完成分合閘操作，使開(kāi)關(guān)不能正常運(yùn)行；作用3）失效同樣開(kāi)關(guān)不能完成分合閘操作，使開(kāi)關(guān)不能正常運(yùn)行；作用4）失效開(kāi)關(guān)的各組成部件之間發(fā)生松動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)脫落，直接影響開(kāi)關(guān)動(dòng)作可靠性；作用5）失效開(kāi)關(guān)電氣性能和機(jī)械性能指標(biāo)會(huì)降低。

需值得指出的是，產(chǎn)品在試制過(guò)程中會(huì)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，可靠性試驗(yàn)關(guān)注的是：開(kāi)關(guān)在分合閘過(guò)程中零部件是否發(fā)生了磨損、裂紋甚至斷裂；開(kāi)關(guān)各組成部件之間是否已存在松動(dòng)甚至脫落；開(kāi)關(guān)的動(dòng)作性能是否有明顯的衰減且衰減后能否滿足接通分?jǐn)嘈阅?。只有?dāng)可靠性滿足要求時(shí)，開(kāi)關(guān)才能生產(chǎn)推廣。

如圖1（7）所示為銷子斷裂，銷子作為力的傳動(dòng)部件，極易受到剪切力的作用，當(dāng)運(yùn)行次數(shù)達(dá)到一定數(shù)值后出現(xiàn)斷裂，說(shuō)明銷子在運(yùn)行過(guò)程中所受到的剪切應(yīng)力已超過(guò)了其疲勞強(qiáng)度。

如圖1（8）所示為卡扣斷裂，此卡扣用在零部件之間的起著緊固配合的作用，當(dāng)卡扣斷裂后，其緊固的零部件將會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)甚至脫落，后果嚴(yán)重。造成卡扣脫落的原因，可能是卡扣韌性不足發(fā)生的脆斷。由于卡扣為標(biāo)準(zhǔn)件，因此在標(biāo)準(zhǔn)件選型上應(yīng)注意材料的力學(xué)性能應(yīng)滿足要求。

如圖1（9）所示為彈簧斷裂，彈簧在開(kāi)關(guān)中起著儲(chǔ)能和提供反力的作用，一旦損壞，開(kāi)關(guān)是無(wú)法完成相應(yīng)操作的。彈簧斷裂的原因一般與熱處理工藝有關(guān)，正常情況下彈簧即使運(yùn)行壽命達(dá)不到要求只會(huì)力值發(fā)生衰減、結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，而熱處理工藝不正確，特別是電鍍后不做去氫處理，彈簧是極易發(fā)生脆斷的。

如圖1（10）所示為軟連接斷裂，軟連接為開(kāi)關(guān)作為系統(tǒng)一次回路中唯一可動(dòng)的部件，其結(jié)構(gòu)采用銅箔片或銅編制線兩端高溫熔焊壓接而成。由于銅箔片很薄，當(dāng)運(yùn)行達(dá)到一定次數(shù)后，最外層的銅箔片易發(fā)生斷裂，當(dāng)斷裂片數(shù)不多時(shí)，對(duì)開(kāi)關(guān)的電氣性能是無(wú)影響的，因此在規(guī)定的壽命次數(shù)內(nèi)斷裂一定量的銅箔片是允許的，但如果斷裂片數(shù)過(guò)多，需要進(jìn)行防護(hù)或結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

如圖1（11）所示為觸頭焊接處開(kāi)裂，觸頭一般是焊接在觸頭座上，在長(zhǎng)期的分合閘運(yùn)行過(guò)程中，動(dòng)靜觸頭間會(huì)發(fā)生撞擊，當(dāng)觸頭焊接處有裂縫時(shí)，觸頭在撞擊過(guò)程中可能會(huì)從觸頭座上脫離，其結(jié)果是導(dǎo)致開(kāi)關(guān)接通或分?jǐn)嗍?，?yán)重時(shí)可能發(fā)生燒蝕。對(duì)此問(wèn)題可能為焊接工藝不牢靠導(dǎo)致的。

如圖1（12）所示為凸輪磨損，凸輪作為轉(zhuǎn)動(dòng)部件，一般在開(kāi)關(guān)中作為力的傳動(dòng)和指示信號(hào)轉(zhuǎn)換的作用，如發(fā)生磨損將導(dǎo)致開(kāi)關(guān)運(yùn)行的可靠性不高，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電氣性能和機(jī)械性能指標(biāo)會(huì)降低。發(fā)生磨損的原因有很多，跟硬度、材料韌性、強(qiáng)度等都有關(guān)系。

通過(guò)以上分析，金屬件故障將會(huì)嚴(yán)重導(dǎo)致開(kāi)關(guān)故障，不能使用。針對(duì)上述問(wèn)題有以下解決方法：1）確定金屬材料的材料屬性，選用強(qiáng)度更高，韌性更好，硬度適中的高性能材料；2）在進(jìn)行熱處理工藝時(shí)，要掌握好火候，合理控制材料熱處理參數(shù)，確保材料性能滿足要求；3）把控好焊接工藝；4）優(yōu)化金屬件結(jié)構(gòu)，保證其有足夠的強(qiáng)度，如在軟連接壓接處增加L 型擋片使壓接處的應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移和發(fā)散。當(dāng)方案改進(jìn)后需要通過(guò)可靠性試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，當(dāng)結(jié)果滿足要求后，方能說(shuō)明改進(jìn)方案合理可行。

4 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)金屬件和非金屬件的故障分析確定了故障模式，并提出了解決措施，能進(jìn)一步提高產(chǎn)品的使用壽命。