低壓開關柜一次觸頭彈簧斷裂典型案例分析

王 義，李元鵬，馬如海

（廣州白云電器設備股份有限公司，廣州 510460）

0 引言

低壓開關柜使用量大面廣，是電力系統中最接近用戶的負荷，對用電可靠性影響較大，廣泛應用于各類發電廠、軌道交通、機場、數據中心、文體場館、醫院學校等公用設施，以及冶金化工、石油石化、造紙、汽車等工業企業的配電設施中，為各行業的電力使用提供了有力的保障。如何提高產品可靠性、靈活性、實用性、安全性，進而提升電網運行質量水平，是各低壓開關柜廠家研發、制造的重要課題之一。低壓開關柜抽屜一次回路的接通是通過動、靜觸頭的配合來實現的，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斷不開的現象，稱為觸頭的熔焊。當觸頭閉合時，由于撞擊和產生震動，在動靜觸點間的小間隙中產生短路電流、電弧溫度高達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生震動，增大通流能力，避免觸頭發生熔焊。

本案例的低壓開關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，實現連接、分離位置的轉換，大大增強了產品操作的可靠性和安全性；采用雙向滑動機械傳動機構，保證了開關柜在關門的狀態下，方便地實現了抽屜單元在連接、試驗和分離位置的切換，并保證設備外殼防護等級不改變［2］。本文針對低壓開關柜抽屜一次回路觸頭彈簧斷裂問題進行技術分析和研究，從彈簧制造工藝過程中分析和追溯產生問題的原因，并對觸頭彈簧的受力進行分析計算及驗證，完善了一次觸頭彈簧的檢驗文件，從工藝流程、管理、技術層面分析了出現的原因及制定了改善和預防措施。

圖1 一次觸頭組件

1 故障內容

本案例的低壓開關柜進行一次通電檢驗時，發現個別抽屜（如圖2 所示）一次回路出現缺相現象（即三相回路中有一相未形成回路），主要表現為相電壓低于標準電壓、缺相2 種型式。

圖2 抽屜

從檢查的情況看，相電壓低于標準電壓或缺相的發生，沒有規律可言，在抽屜的進出線端任意相發生，對更換下來的一次觸頭組件拆卸后，發現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 原因調查

本次故障涉及多臺低壓開關柜，其中一次觸頭3002 只，使用觸頭彈簧數量為5000（單片）＋1004（雙片）個。從損壞的數量上看，所占比例并不大，從統計結果看，僅占總數的1%，但問題非常嚴重，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查

觸頭彈簧加工過程調查如下。

（1）原材料采購及檢驗調查

結果：檢驗記錄齊全，有材質檢驗報告，符合該零件的材質要求。

（2）零件模具成形調查

結果：檢驗記錄齊全，符合該零件加工的工藝要求。

（3）熱處理調查

結果：檢驗生產記錄不齊全，未按熱處理質量控制和檢驗進行記錄和檢驗。

（4）表面處理及檢驗調查

結果：零件表面采用化學鍍鎳，鍍件不會滲氫，無氫脆現象，零件不會產生裂紋、斷裂等。

2.3 調查結論

觸頭彈簧熱處理的過程控制程序不嚴格，檢驗生產記錄不齊全，無完善的熱處理質量控制和檢驗程序，調查觸頭彈簧熱處理過程，發現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脆性斷裂現象。

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。根據要求，重新計算觸頭彈簧參數并確認，重新制定觸頭彈簧的檢驗要求并驗證，驗證合格后再確認批量使用［3］。

3.2 觸頭彈簧參數計算及確認

3.2.1 材料確認

在選擇觸頭彈簧材料時，應注意材料的力學性能、工藝性能和經濟性，也要重視材料的熱處理性能，以確保零件容易達到預定的熱處理要求，并且成本低廉，生產周期短。低壓開關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 觸頭彈簧計算參數確認

根據觸頭彈簧的受力結構，如圖4 所示，按計算公式進行計算。

圖4 觸頭彈簧受力結構

（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）應力計算

應力計算為：

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

（4）抗彎截面系數計算

抗彎截面系數計算為：

式中：Z為抗彎截面系數；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、彈簧的最大許用應力，計算結果如表1 所示。根據計算確認觸頭彈簧的設計參數滿足使用要求［5］。

表1 觸頭彈簧計算結果

3.2.3 結構設計及熱處理

關于觸頭彈簧的設計，設計者往往只考慮零件的結構形狀及彈簧的變形量，而忽略了零件材料或結構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生各種缺陷以及零件報廢；因該零件為薄片狀，設計時應特別注意避免各種尖棱或尖角，各倒角應圓滑過渡［6］。

薄片狀觸頭彈簧熱處理時應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，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量，應對觸頭彈簧的外觀、形狀和尺寸等要素進行檢查，零件的表面應光滑、無劃痕、磕碰、裂紋等引起熱處理后應力集中的缺陷，形狀和尺寸應符合圖紙要求［7］。

（2）加熱質量的控制

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

（3）淬火介質的選擇

65Mn材料的薄片狀觸頭彈簧應選擇專用淬火油作為淬火介質，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，達不到淬火的硬度，觸頭彈簧從爐內取出后應快速放入淬火油中，最好采用裝箱保護措施，連同保護箱一起放入淬火油中，以期達到最好的淬火效果［8］。

（4）回火的質量控制

淬火后的彈簧應及時回火，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、力學性能、熱處理硬度進行檢驗和驗證，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

為了嚴肅工藝紀律，杜絕類似的質量事故再發生，對觸頭彈簧的檢測制定了嚴格的熱處理要求和檢驗要求，檢驗中如果發現觸頭彈簧不符合要求，應對整批觸頭彈簧進行隔離，上報相關部門，查清原因后，按調查的原因確定是否繼續進行檢驗和使用。同一爐熱處理的零件應進行一次抽檢，破壞檢驗（抽檢）數量約為6～12 件，常規檢驗（抽檢）數量約為總數量的5%～10%。熱處理參考數據如表3 所示。檢驗要求參考數據如表4 所示。

表3 觸頭彈簧熱處理工藝參考數據

表4 觸頭彈簧驗證要求

5 結束語

機械產品的內在質量主要取決于材料和熱處理，利用熱處理技術進行金屬材料深加工，能夠提升金屬材料性能和穩定性，同時提升產品的質量和可靠性。加強熱處理的質量管理是保證質量穩定的前提條件，要減小和控制熱處理零件的變形、斷裂，必須從工件的設計、材料的選擇入手，合理的結構設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量風險，確保零件容易達到預定的熱處理要求，在保證工件硬度要求和產品性能的同時，才能取得理想的效果。觸頭彈簧為低壓開關柜抽屜一次觸頭內的關鍵零件，彈簧質量的穩定，是保證低壓開關柜安全運行的重要保障；經過系列的驗證、檢驗和規范觸頭彈簧的熱處理工藝，觸頭彈簧的各性能指標均符合設計和使用要求，能夠確保產品的安全運行。