220 kV斷路器合閘緩沖器滾子軸承斷裂失效分析

初德勝

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

斷路器合閘緩沖器的作用是防止合閘時的沖擊力使合閘過深而損壞套管，斷路器合閘在30~40 ms極短時間內(nèi)完成，合閘彈簧的能量主要通過凸輪瞬間碰撞或沖擊緩沖器軸承而得到釋放，因此緩沖器軸承承受的沖擊力最為集中。軸承的破壞形式主要為滾針的斷裂、點蝕和軸承外圈的變形，針對這些損傷的原因?qū)S承進(jìn)行合理性能設(shè)計是解決其斷裂失效的根本性手段。

國內(nèi)外對軸承失效引起的斷路器故障做了大量研究。文獻(xiàn)[1-3]表明，軸承受潮生銹卡死會引起斷路器故障。文獻(xiàn)[4]表明，軸承磨損同樣會導(dǎo)致斷路器故障。文獻(xiàn)[5-7]利用有限元仿真對凸輪與軸承的撞擊過程進(jìn)行了分析，并對軸承的沖擊疲勞壽命進(jìn)行了研究。上述文獻(xiàn)雖然對軸承故障進(jìn)行了實驗及仿真分析，但是沒有涉及到軸承的耐沖擊性能設(shè)計，因而在解決軸承斷裂失效方面存在一定問題。

本文以斷路器合閘緩沖器凸輪機構(gòu)作為主要分析體系，基于斷裂滾子軸承的斷口形貌、硬度測試及微觀組織等相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，對滾子軸承的斷裂原因進(jìn)行分析，并對凸輪與滾子軸承的撞擊過程進(jìn)行仿真分析，以驗證實驗分析的準(zhǔn)確性與有效性。最后，針對實驗與仿真分析結(jié)果，指出滾子軸承的材料性能設(shè)計不合理之處。

1 實驗過程

某變電站開展220 kV斷路器檢修過程中發(fā)現(xiàn)該斷路器緩沖器滾子軸承斷裂（如圖1所示）。為了分析滾子軸承的斷裂原因，本文分別利用體式顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）對滾子軸承的斷口宏觀和微觀形貌進(jìn)行觀察，利用X射線熒光光譜對滾子軸承外側(cè)表面化學(xué)成分進(jìn)行了分析，利用硬度測試儀分別對軸承外表面、截面中心和內(nèi)表面進(jìn)行了硬度檢測，利用金相顯微鏡（OM）對軸承微觀組織進(jìn)行了分析，通過有限元仿真軟件對滾子軸承受沖擊過程進(jìn)行了模擬。

圖1 220 kV斷路器緩沖器斷裂滾子軸承實物圖

2 實驗結(jié)果

2.1 斷口宏觀特征

圖2為220 kV余屯變電站101斷路器緩沖器滾子軸承斷口宏觀形貌，可以看出，軸承外側(cè)表面存在深度約為1.0~1.5 mm的沖擊缺口，并在軸承側(cè)面形成了沖擊裂紋。由于滲碳處理，軸承外部呈現(xiàn)出脆性斷裂平斷口特征（如圖2(c)所示）。宏觀檢查顯示裂紋同時發(fā)源于軸承內(nèi)外表面，內(nèi)側(cè)裂紋源附近可見放射狀的裂紋擴展區(qū)，外側(cè)裂紋源位于塑性變形區(qū)。

圖2 滾子軸承斷口宏觀形貌

2.2 斷口微觀形貌

圖3為滾子軸承斷口微觀形貌?？梢钥闯觯瑪嗫诔尸F(xiàn)解理斷裂特征，表明材料較脆。此外，大量晶粒撕裂形成撕裂棱。斷口微觀形貌未發(fā)現(xiàn)異常情況。

圖3 滾子軸承斷口微觀形貌

2.3 化學(xué)成分檢測

采用X射線熒光光譜對滾子軸承外側(cè)表面成分進(jìn)行測試，得到材料的主要化學(xué)成分如表1所示。從生產(chǎn)廠家江蘇省如高高壓電器有限公司獲得220 kV余屯變電站101斷路器緩沖器滾子軸承材質(zhì)信息，其主要材質(zhì)是20CrMnTi滲碳鋼，表面經(jīng)過滲碳處理。由于電火花光譜測試前樣品表面經(jīng)過磨平處理，碳含量與滲碳外表面正常值相比偏低。滾子軸承化學(xué)成分并無明顯異常。

表1 滾子軸承化學(xué)成分

2.4 硬度測試

采用硬度測試儀分別對滾子軸承外表面、截面中心和內(nèi)表面硬度進(jìn)行檢測，每個部分硬度測試3次，所得結(jié)果如表2所示。廠家提供的滾子軸承圖紙要求表明，軸承表面滲碳淬火硬度范圍為58-62 HRC，截面中心硬度范圍為32-48 HRC。由此可見，軸承截面中心硬度接近于硬度范圍下限，內(nèi)表面硬度略微超過圖紙要求。

表2 滾子軸承外表面、截面中心和內(nèi)表面硬度測試值

2.5 金相組織觀察

圖4為斷路器緩沖器滾子軸承金相組織。圖4(a)所示的滲碳層中存在均勻的白色的形狀不規(guī)則的滲碳體。圖4(b)表示軸承截面中心金相組織為典型的調(diào)質(zhì)組織。金相組織并無異常。

圖4 滾子軸承金相組織

2.6 有限元分析

斷路器合閘過程中，緩沖器滾子軸承會在凸輪沖擊力作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動。圖5所示為斷路器滾子軸承沖擊有限元模型，主要由沖擊桿、軸承以及中心軸三部分組成。中心軸約束固定不動，軸承與軸之間摩擦系數(shù)設(shè)置為粗糙，模擬實際工況下的機構(gòu)卡澀。沖擊桿在X軸和Z軸方向施加-20 mm/s和10 mm/s的沖擊速度，相當(dāng)于施加X、Z軸之間的斜向沖擊速度。

圖5 凸輪機構(gòu)實體模型

斷路器緩沖器滾子軸承在沖擊載荷下的斷裂有限元模擬結(jié)果如圖6所示。可以看出，軸承外表面產(chǎn)生沖擊缺口，最大受力位置位于內(nèi)表面，有限元模擬結(jié)果與宏觀檢查顯示的裂紋源和變形情況相符。

圖6 滾子軸承在沖擊載荷下的有限元模擬結(jié)果

3 結(jié)束語

本文采用實驗與有限元數(shù)值分析相結(jié)合的方法，對某220 kV斷路器緩沖器滾子軸承碎裂的原因進(jìn)行了分析，綜合分析結(jié)果認(rèn)為：斷路器緩沖器滾子軸承斷裂的主要原因是軸承材料20CrMnTi合金在熱處理后表面硬度偏高而截面中心硬度偏低，造成表面硬脆而表面硬脆而中心沖擊韌性較差。在受到凸輪沖擊時滾子軸承表面破碎和內(nèi)部塑性變形，導(dǎo)致凸輪、軸承與滾子卡澀，機構(gòu)動作載荷完全加載在卡澀的軸承外殼上，最終使整個軸承碎裂。

該研究表明，該型號斷路器緩沖器滾子軸承的截面中心硬度設(shè)計范圍太寬且并不合理，硬度下限值32HRC過低，可能會導(dǎo)致滾子軸承截面中心的沖擊韌性較差，極易在凸輪的高速碰撞或沖擊下發(fā)生塑性變形導(dǎo)致機構(gòu)卡澀。