手輪松動導致的配電箱螺柱損壞故障分析與預防

江蘇自動化研究所 張 華

某型配電箱在可靠性試驗時發(fā)生了螺柱損壞斷裂的問題，通過對螺柱的斷裂現(xiàn)場進行檢查，結合試驗過程中的加載條件、配電箱結構、裝配等流程，運用有限元受力分析方法對螺柱實施仿真模擬，通過實驗與仿真結合的手段確定了螺柱損壞的原因和相關因素，制定了相應的改進措施，以做到舉一反三，杜絕再發(fā)生類似情況。

配電箱作為電氣系統(tǒng)內廣泛存在的一種基礎性設備，因為其中的低壓配電裝置，常被應用于電網中以保障后者運行過程中的安全。當故障發(fā)生時，配電箱一方面應當能及時地切斷電路，另一方面還應當迅速向工作人員提出告警。因此，配電箱自身的安全保障，在整個電網的安全保障中是極其重要的。

軍用的配電箱與民用配電箱相比，除了需要提供同等的功能外，由于其常被應用于惡劣、復雜、極端的環(huán)境，需要滿足更高的力學和熱學等性能的要求。故而，為了保證生產的配電箱滿足軍用的需求，設備在交付用戶前，都應當經歷嚴格的各級試驗審查、篩選。

1 故障現(xiàn)象描述

某型配電箱在進行可靠性試驗的過程中，突發(fā)連接螺柱斷裂損壞的故障，螺柱斷裂現(xiàn)場的情況如圖1所示。該螺柱為不銹圓鋼制造（1Cr17Ni2），具體尺寸如圖2所示。該螺柱的主要功能是連接配電箱的殼體和蓋板，每套配電箱中共有2件。

圖1 配電箱中的斷裂螺柱現(xiàn)場圖

當螺柱斷裂破壞時，最直接的結果便是其無法再連接殼體和蓋板，蓋板將和殼體發(fā)生相對位移，無法再保持原來的相對位置，嚴重時蓋板和殼體會直接脫離。除了這種結構上的破壞，螺柱斷裂還會導致其他的惡劣影響。無論是殼蓋分離，導致配電箱內部的關鍵、重要器件直接暴露在外部惡劣環(huán)境下；還是配電箱無法再起到原本的保護電路的作用，導致更大的電網故障和設備故障，這些影響都可能導致嚴重的經濟損失乃至人員傷亡。因此，必須要及時定位配電箱中螺柱斷裂故障發(fā)生的原因，并舉一反三，杜絕類似現(xiàn)象的再次發(fā)生。

圖2 螺柱的尺寸圖

2 故障原因分析

2.1 配電箱可靠性試驗振動環(huán)境

根據《XX試驗大綱》要求，振動應力按GJB899A《可靠性鑒定和驗收試驗》中的要求執(zhí)行，振動在垂向進行，應力的施加程序為：

（1）每24 h周期內，隨機抽取6 h施加振動應力，并以3 h為一個振動循環(huán)，具體施加時間為：艙內設備剖面，每個循環(huán)的第4 h～7 h、第18 h～21 h。（2）每一個3 h的振動循環(huán)中應先施加戰(zhàn)斗損傷頻譜（圖3(a)）10 min，然后在其余時間內施加運輸隨機頻譜（圖3(b)），每振動20 min停止10 min，并以此重復進行。（3）施加戰(zhàn)斗損傷頻譜時應按以下規(guī)定進行對數正弦掃頻，如圖 3(a)所示：頻率范圍為4 Hz～60 Hz；振幅分別為：（0.76±0.15）mm（4Hz～15Hz），7.5 m/s2(15 Hz～60 Hz)；持續(xù)時間：10 min（頻率由低到高5 min，頻率由高到低5 min）。（4）施加運輸隨機頻譜時應按以下規(guī)定進行隨機振動，如圖3(b)所示：頻率范圍：10 Hz～200 Hz；量級（總均方根值r.m.s.）：10 m/s2；持續(xù)時間：20 min。

2.2 試驗現(xiàn)場的故障原因分析

故障發(fā)生的力學原理非常簡單，就是某時刻螺柱的某處受到的應力大于該處材料的破壞極限，導致螺柱在該處出現(xiàn)斷裂破壞。然而，想要定位故障的具體原因卻非常困難。現(xiàn)存關于配電箱的研究，大多是針對民用配電箱的結構、電氣等設計，極少有配電箱在復雜振動環(huán)境下的研究，沒有故例作為故障定位的參考。

因此，首先默認試驗所用的配電箱為完全滿足要求的設備，之后通過對現(xiàn)場殘骸的檢查分析，發(fā)現(xiàn)配電箱內與手輪嚙合的墊塊部分出現(xiàn)異常，比正常情況下更薄，其余除螺柱部分都完全正常，而螺柱部分由于斷裂破壞，無法檢查其狀態(tài)是否符合試驗要求。

圖3 配電箱可靠性試驗中施加的載荷頻譜

2.3 有限元仿真方法

近年來，隨著計算機性能的高速發(fā)展，CAE（Computer Aided Engineering，計算機輔助工程）也同樣迅猛發(fā)展，以此為基礎建立的有限元方法的計算規(guī)模和計算精度也得到了大幅的提升。現(xiàn)在，通過建立有限元模型進行設備的動力學仿真分析在結構動力學分析中占據越來越重要的地位。當前，有限元仿真模擬廣泛應用于汽車NVH分析、建筑結構、材料力學性能分析等方面，模擬實際實驗時的載荷、約束條件等，對設備性能進行實驗前的預估。然而，當前的有限元方法在工程應用上更多的是集中在研究設備的預研、可靠性和環(huán)境適應性確認等方面，針對設備的具體的故障原因定位則比較罕見。而通過仿真模擬的方法，建立準確的有限元模型，并對其在各階段載荷作用中的受力進行分析，是探索實際實驗中發(fā)生故障的原因的一種行之有效的方法。

3 設備的有限元模型

為了盡可能的仿真出配電箱的真實試驗情況，建立了如圖4所示的配電箱模型。其中，連接蓋板和殼體的螺柱、拉桿和手輪材質為不銹鋼（1Cr17Ni2），其余部分材質為鋁合金（ZL102）。螺柱部分通過兩個螺母固定，而手輪部分則是通過與卡扣結構的嚙合以實現(xiàn)蓋板和殼體的相對固定，拉桿結構僅為蓋板與殼體內部鏈接的結構，防止蓋板打開過大，不承擔固定作用。

圖4 配電箱的三維仿真模型

結合試驗標準的要求和現(xiàn)場試驗的具體實施，在進行有限元分析時采用的是關閉狀態(tài)下的配電箱模型，且整個試驗過程中配電箱未安裝減振器（圖4中殼體足部四個黑色部分）。對模型的網格劃分，以六面體網格單元為主，以四面體網格單元為輔，兼顧了計算的精度和速度。在模型中原來的減振器處施加固定約束，對整個模型添加垂向向下的9.8 m/s2的重力加速度（X軸負方向），最終得到如圖5所示的理想的配電箱有限元模型。

圖5 理想的配電箱有限元模型

整個配電箱中各個部件靜態(tài)條件下的強度極限可以直接采用材質的數據，各單元的參數分別如表1所示：

表1 配電箱中各單元的組成參數

3.1 配電箱理想模型的模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究結構動力學的一種重要方法，可以得到機械結構的固有頻率和振型等關鍵參數。在本文中，由于試驗使用的戰(zhàn)斗損傷譜和運動隨機頻譜都是寬頻的激勵，在這種頻譜的激勵下，結構的某些固有模態(tài)很可能會被激發(fā)顯示，因此，研究設備的模態(tài)對于后續(xù)的受力分析時非常必要的。在圖3所示的寬頻頻譜激勵下，重點研究設備的頻率在200 Hz以內及200 Hz相近的固有頻率。綜合計算結果和實際試驗的設置，表2為整個配電箱模型的前六階仿真計算的固有頻率的匯總。

圖6所示為關閉狀態(tài)的配電箱在前六階固有頻率所表現(xiàn)出來的振型和模態(tài)應力圖。前四階模型中的振型都是優(yōu)先表現(xiàn)在破壞螺柱與螺母的連接，進而使蓋板和殼體發(fā)生相對位移。而第五六階時模型的振型主要表現(xiàn)為蓋板與殼體各自或共同發(fā)生變形。同時，可以觀察到前六階模態(tài)中最大等效應力都發(fā)生在手輪處。前四階振型的固有頻率都小于200 Hz，說明在2.1施加的頻譜載荷下，設備的主要風險集中在連接蓋板和殼體的螺柱和手輪嚙合處。

圖6 閉合狀態(tài)的配電箱前六階模態(tài)應力圖：（I）1階，（II）2階，（III）3階，（IV）4階，（V）5階，（VI）6階

表2 配電箱模型的前四階固有頻率及最大等效應力表

圖7 閉合狀態(tài)的配電箱分別在（a）戰(zhàn)斗損傷譜下的等效應力響應和（b）運輸隨機頻譜下的等效應力圖

圖7為模型分別加載2.1中戰(zhàn)斗損傷頻譜和運輸隨機頻譜后的等效應力圖。易見，兩種頻譜加載后，最大等效應力都作用在拉桿部位且都遠小于拉桿材料的彈性模量。而在實際試驗中發(fā)生斷裂的螺柱退刀槽處，更是遠遠小于理論的彈性模量。此種情況下，如果可能因材料疲勞而發(fā)生破壞的話，也是優(yōu)先發(fā)生在拉桿與殼體、蓋板的連接處，而不是螺柱退刀槽處。

在該理想模型中，不同單元間的相互連接都是出于最理想狀態(tài)，為接觸綁定狀態(tài)。在此狀態(tài)下，圖5的模型用來分析整個配電箱的可靠性綽綽有余，但想要用來定位螺柱斷裂的原因則略顯不足。在試驗中，更換斷裂螺柱后，配電箱通過了2.1的試驗，說明正常情況下不會發(fā)生該故障，前文仿真得到的結果是可信的。

3.2 手輪嚙合存在問題

模型中蓋板和殼體間的連接約束有四處，分別為兩個螺柱處和兩個手輪處，當不考慮殼體時，這四處可以視為固定約束。結合實際情況，在進行設備的故障定位分析時，首先考慮的是正常試驗條件中出現(xiàn)概率最高的現(xiàn)象，譬如手輪部分未能完全嚙合，導致約束條件無法達到理想情況。手輪未能完全嚙合，在工程中是有可能存在的，客觀的原因如鍥形輪、墊塊等松動，主觀原因如試驗人員未嚙合完全等。因此，先后分析了嚙合完全，上手輪未完全嚙合，下手輪未完全嚙合，上下手輪都未完全嚙合的情況下模型的受力情況。

表3 不同的手輪嚙合情況對應的受力分析表

易見，由于手輪未能完全嚙合，導致在該處不能產生固定約束，會導致一階固有頻率的降低。如表3所示，當上下手輪都松動時，一階固有頻率降至210 Hz（200Hz×(1+10%)），在該情形下，當施加隨機振動頻譜時，由于掃頻的最大頻率為200 Hz，設備有因隨機載荷而發(fā)生共振的可能。

表4 一個固定約束生效或全部松動時的受力分析表

3.3 更多固定約束松動情況

3.2中的問題會導致在試驗過程中設備的固定約束進一步松動。而當更多的固定約束松動時，如表4所示，進一步分析不同約束條件下的設備的模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)在這些約束情況下，模型的一階模態(tài)固有頻率基本都落在隨機譜范圍內，會隨著隨機譜的施加而發(fā)生共振，此時的最大等效靜應力都大于螺柱材料的彈性模量，導致螺柱受到破壞，設備發(fā)生故障。

4 改進措施

預防再次出現(xiàn)第1章節(jié)中的類似現(xiàn)象，針對第3章節(jié)中的問題，應當做到以下幾點，才能從根本上杜絕故障再次出現(xiàn)。

（1）裝配前應檢查設備材料、工藝，保證各零部件滿足標準要求，多數情況下目視不足以確定材料、工藝是否合格，應當采用合適的方法來進行確認；

（2）試驗前應當全面檢查設備，發(fā)現(xiàn)手輪嚙合出問題不夠緊密時應當及時更正，保證各零部件能夠充分發(fā)揮其作用。

總結：本文通過有限元仿真模擬的方法，分析了實際試驗中突發(fā)的配電箱螺柱斷裂的故障。通過對配電箱理想模型的受力分析，確定了正常工作時的配電箱不會發(fā)生故障。之后針對理論和現(xiàn)實中都可能存在的手輪嚙合處固定約束松動的情況，對螺柱及蓋板等模型進行了進一步的受力分析，明確了材料在這種情境下的破壞風險。最后，則針對前面受力分析的條件，針對性地提出了設備在生產、試驗過程中的改進措施。

本文從理論上分析了手輪嚙合處松動導致的配電箱在工程實際中出現(xiàn)故障的可能性，進而提出了相應的整改措施，從理論上指導了生產、試驗過程中對該故障的預防工作，從根本上杜絕了類似現(xiàn)象的再次出現(xiàn)。