液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)碟簧開裂后性能評(píng)估及原因分析

王中輝，鄭棟文，屈文鋒，張兆闖，許小梅

（溪洛渡水力發(fā)電廠，云南 昭通 657300）

液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)（圖1）普遍應(yīng)用于超高壓、特高壓開關(guān)以及大容量發(fā)電機(jī)出口斷路器設(shè)備上，是斷路器唯一動(dòng)力來源，而碟簧（圖2）則是液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能的重要部件，主要由多個(gè)碟簧片通過定位鋼絲圈進(jìn)行重疊及對(duì)疊而成。當(dāng)液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)存能量達(dá)不到相應(yīng)功能（重合閘、合分、單分）要求時(shí)，會(huì)直接造成斷路器開斷時(shí)間超標(biāo)，從而導(dǎo)致斷路器拉弧時(shí)間過長，輕則觸頭燒傷，重則斷路器發(fā)生爆炸。因此，液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)碟簧的安全及可靠性對(duì)斷路器的穩(wěn)定運(yùn)行極為重要。

本文解析評(píng)估了液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)碟簧開裂后的整體性能，分析了開裂的根本原因，同時(shí)提出預(yù)防液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)碟簧開裂的建議及改進(jìn)措施。

圖1 液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖2 碟簧

1 情況簡介

此液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝于550 kV超高壓開關(guān)上，已持續(xù)運(yùn)行5年。設(shè)備運(yùn)行期間，液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)的碟簧長期處于壓縮狀態(tài)，只有開關(guān)在操作時(shí)，碟簧會(huì)釋放部分能量并再次壓縮。在例行停電檢修時(shí)，檢查發(fā)現(xiàn)此臺(tái)液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部其中一個(gè)碟簧片開裂（圖3），但碟簧并未散開。

圖3 貫穿性裂紋

2 碟簧開裂后性能測試及評(píng)估

為科學(xué)的了解碟簧開裂后液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)工作性能，首先對(duì)其進(jìn)行了儲(chǔ)能壓力測試，然后對(duì)其開裂的碟簧材質(zhì)取樣進(jìn)行硬度測試，并對(duì)液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)碟簧散開風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析與評(píng)估。

2.1 儲(chǔ)能壓力測試

測試結(jié)果如表1。

測試結(jié)果表明，在液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)碟簧處于額定儲(chǔ)能位置時(shí)（油泵停止節(jié)點(diǎn)），機(jī)構(gòu)的壓力（50.1 MPa）高于合分操作閉鎖壓力（48.2 MPa），其儲(chǔ)存的能量能夠滿足設(shè)備合分操作，但不能滿足更高要求的重合閘功能。

表1 儲(chǔ)能壓力測試結(jié)果

2.2 開裂碟簧硬度測試

對(duì)開裂的碟簧進(jìn)行了硬度測試，測試結(jié)果符合GB/T 1972-2005的要求。具體測試結(jié)果如表2。

表2 硬度測試結(jié)果

2.3 液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)碟簧散開風(fēng)險(xiǎn)分析及評(píng)估

在材料工藝方面，液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)碟簧的材料為50CrVA彈簧鋼，由于其加工工藝上得到了有效熱處理，使得其碟簧具有較高的屈服強(qiáng)度和彈性，即使碟簧開裂出現(xiàn)輕微翻轉(zhuǎn)跡象，仍然具有良好的韌性和抗拉強(qiáng)度，碟簧不會(huì)在其他部位發(fā)生新的斷裂情況。在碟簧組合設(shè)計(jì)工藝方面，由于碟簧采用多片組合對(duì)疊的方式（圖4），每個(gè)碟簧片均設(shè)計(jì)有鋼絲支撐槽（圖3），碟簧片之間采用鋼絲圈進(jìn)行連接組合（圖4），這種組合方式能有效地控制碟簧發(fā)生側(cè)向位移，使碟簧保持較為安全的組合狀態(tài)。因此，在碟簧發(fā)生開裂短時(shí)期內(nèi)，液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的碟簧不會(huì)發(fā)生散開危險(xiǎn)。

圖4 碟簧結(jié)構(gòu)圖

2.4 綜合分析

雖然此液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的碟簧出現(xiàn)了單片開裂情況，當(dāng)其碟簧壓縮至額定狀態(tài)時(shí)，儲(chǔ)存的能量能夠滿足液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)完成單次合分的要求，同時(shí)在碟簧發(fā)生開裂短時(shí)期內(nèi)，碟簧不會(huì)發(fā)生散開危險(xiǎn)。因此，此液壓機(jī)構(gòu)在性能上依然能夠維持正常的工作狀態(tài)，但對(duì)于高要求的重合閘操作，無法滿足其能量需求。

3 液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)碟簧開裂原因分析

3.1 外觀檢查

通過外觀觀察，此液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)碟簧由16個(gè)碟簧片兩兩對(duì)拼組成，每個(gè)碟簧片上開有支撐槽，碟簧片之間通過置于支撐槽的鋼絲圈隔開以及壓力傳遞，具體結(jié)構(gòu)如圖4，整個(gè)碟簧外部涂抹有厚厚的一層防銹油。本次開裂的碟簧僅有其中一個(gè)碟簧片貫穿破裂（圖3、圖5），裂縫寬度超過10 mm，在斷口一個(gè)局部小區(qū)域有輕微銹蝕（圖3），且緊鄰一個(gè)小區(qū)域有內(nèi)部有油液滲透現(xiàn)象（圖3），以上現(xiàn)象均位于外圓鋼絲圈附近，其余斷裂面清晰光潔。

圖5 貫穿破裂的碟簧片

3.2 應(yīng)力分析

由于此液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)開裂的碟簧片與相鄰的碟簧片是通過外圓及內(nèi)圓的鋼絲圈進(jìn)行力學(xué)傳遞的。而外觀檢查時(shí)，出現(xiàn)銹蝕及油液滲透的部位主要位于外圓鋼絲圈附近。因此，我們需要重點(diǎn)對(duì)碟簧片定位圈附近的質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行受力分析。具體應(yīng)力分析圖如下（圖6），在軸向方向接觸部位受到外壓應(yīng)力產(chǎn)生的最大切應(yīng)力，切向方向受到最大拉應(yīng)力，徑向方向受到推應(yīng)力。

圖6 應(yīng)力分析

3.3 檢測分析

通過對(duì)液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)開裂的碟簧片材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)成分分析，其化學(xué)成分滿足國標(biāo)關(guān)于50CrVA彈簧鋼的技術(shù)要求。對(duì)其斷口處理后進(jìn)行顯微觀察中，發(fā)現(xiàn)有多邊小孔隙（圖7）。在對(duì)其進(jìn)行掃描電鏡觀察及能譜分析時(shí)發(fā)現(xiàn)在銹蝕及油液滲透部位孔隙較為集中（圖8），且孔隙中存在有害夾雜物氧化鐵（圖9）及二氧化硅（圖10）。

圖7 多邊小孔隙

圖8 孔隙集中部位

圖9 疏松孔隙中的氧化鐵

圖10 疏松孔隙中的二氧化硅

3.4 綜合分析

液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)碟簧在運(yùn)行過程中發(fā)生開裂，主要是由于開裂的碟簧片外圓與鋼絲圈接觸面的交匯處存在較集中的疏松孔隙，并伴有害夾雜物氧化鐵及二氧化硅，當(dāng)外圍防銹油逐步滲透，無法填補(bǔ)孔隙時(shí)，潮濕的空氣進(jìn)入，致使內(nèi)部孔隙表面氧化銹蝕，進(jìn)一步加劇孔隙疏松程度。同時(shí)，液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)在儲(chǔ)存及釋放能量時(shí)造成此部位應(yīng)力集中。在化學(xué)腐蝕及應(yīng)力的共同作用下，使其優(yōu)先發(fā)展成疲勞裂紋源，并導(dǎo)致液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的碟簧最終開裂。

4 結(jié)論及建議

此液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的碟簧在發(fā)生單個(gè)碟簧片開裂后，液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)在短期內(nèi)仍然能可靠地完成合分操作。但是，如果斷路器設(shè)置有更高要求的重合閘操作時(shí)（例如線路側(cè)斷路器），則需要立刻更換開裂的碟簧。

本次液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)碟簧開裂的原因主要是由于開裂的碟簧片本身存在的缺陷（在交變切應(yīng)力作用點(diǎn)處存在有害夾雜物），在應(yīng)力與化學(xué)腐蝕共同作用下，使該液壓機(jī)構(gòu)碟簧片內(nèi)部缺陷發(fā)展成裂紋源并導(dǎo)致碟簧開裂。

為防范液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)碟簧開裂的問題發(fā)生，建議在液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)制造過程中完善原料進(jìn)廠及產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)制度，改進(jìn)碟簧材料生產(chǎn)工藝提高產(chǎn)品出廠質(zhì)量，在液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)維過程中，要強(qiáng)化對(duì)其碟簧的檢查及維護(hù)，加強(qiáng)對(duì)其外觀及防銹檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除開裂隱患。