三菱框架开关AE1000-SW4P1000A抽出式通过品质升级赢得客户的信赖

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真空断路器用于电力机车整车与接触网之间主电路的开断和接通，同时有过载和短路保护作用。其采用压缩空气进行操作，并利用真空进行灭弧，是机车重要的保护类电器。近期机务段陆续反馈多起真空断路器运行事故，经机车回段拆解分析为真空断路器弹簧杆断裂导致。弹簧杆是真空断路器驱动机构中重要的传动部件，一旦出现断裂，将直接导致真空断路器无法动作。本文从故障件检测、产品结构等方面对问题原因进行分析，找出导致产品失效的根本原因，制定针对性的改进方案。
1弹簧杆结构及断裂情况
弹簧杆安装于弹簧内部，在非工作状态下与弹簧不存在接触，弹簧两端各装配有一件垫圈与之配合，如图1所示。真空断路器弹簧杆采用Φ18铝棒加工而成,表面进行阳极氧化处理，本次断裂的弹簧杆运行时间为2年3个月。对故障产品进行检查，发现真空断路器驱动机构一侧肘节弹簧及弹簧杆从固定导杆上脱出。检查弹簧杆，发现腰形孔处断裂，表面有被弹簧和垫圈磨损痕迹，如图2所示。
2原因分析
导致弹簧杆断裂的可能原因有：1）弹簧杆原材料有缺陷，导致强度降低；2）产品部件制造，不符合技术要求；3）产品设计结构不合理，无法满足实际工况。为验证以上原因，进行了以下分析。2.1化学成分分析对故障件材质成分进行化验，结果见表1，各成分符合GB/T3190标准要求，因此可排除原材料缺陷。
2.2断口宏观检查
对断裂的弹簧杆进行检查，弹簧杆运动方向两侧表面呈等间距的磨痕，与外部弹簧圈较为吻合，如图3所示。对故障件断裂部位进行观察，断口位置2处表面已被磨光，但仍可见较大的疲劳台阶，位置1处断口表面较为完整，未见明显损伤痕迹。根据断口形貌可推断是在较大应力作用下发生的疲劳断裂，弹簧杆断裂时发生在位置2处，且该处断裂从弹簧杆外圆面处开始。断口宏观形态如图4所示。
2.3断口微观形貌检查及能谱分析：低压断路器
鉴于断口位置2处已被严重磨损，表面形貌无法观察，因此对断口位置1处及弹簧杆表面进行微观形貌观察和能谱分析，分析结果如图5所示。结果表明弹簧杆表面挤压变形痕迹明显，能谱显示未见异常。由于弹簧硬度远弹簧杆，且弹簧与弹簧杆之间主要为挤压作用，因此未出现明显的相对滑动。弹簧成分并没有残留于弹簧杆损伤处。断口位置1处微观形貌呈现韧窝状撕裂断口，能谱分析未见异常，可证明断口位置1为在断口位置2处先断裂后瞬间撕裂的推断。
2.4金相分析：空气断路器
断口位置2处为断裂的开始部位，对其进行金相分析。断口抛光态形貌显示断口位置2处表面损伤处已被压溃，组织为α-Al基体上分布着弥散细小的颗粒状Si相；基体组织亦为α-Al基体上分布着弥散细小的颗粒状Si相，材料金相检查无异常。
2.5产品结构分析：框架开关
对传动机构原理进行分析，垫圈与弹簧杆之间有相对滑动，不可避免地会产生弹簧杆材料磨损，根据前期的运用经验及产品寿命试验验证，并未出现断裂故障。为进一步查找问题原因，对驱动机构相关部件进行检查，发现与弹簧杆配合的垫圈倒角为斜角，与设计要求的圆角不符。驱动机构动作时，垫圈会在弹簧杆上往复运动，如果垫圈倒角为斜角，则垫圈锐边会与弹簧杆直接接触，形成夹角。垫圈与弹簧杆往复位移形成一个棱边对平面的摩擦副，类似刨刀的作用形式，可能导致弹簧杆在未达到寿命时就发生断裂。对此现象进行追溯，发现生产现场与库存垫圈的倒角均为斜角，与技术要求不符。在产品批量生产阶段由于没有意识到此处倒圆角的重要性，错误地使用了倒斜角的垫圈，是造成本次故障的主要原因。为证明以上分析结论，分别使用合格垫圈及与故障件同类垫圈进行模拟验证。装配故障件同类垫圈时，弹簧杆动作一半寿命后就产生裂纹；装配符合技术要求的垫圈时，弹簧杆动作一半寿命后未产生裂纹。综上分析及验证结果可判定：弹簧杆化学成分，金相等均无异常；造成弹簧杆断裂的原因为：与之配合的垫圈倒角不符合技术要求，导致垫圈在往复运行过程中使弹簧杆承受严重的磨损，表面逐渐被压溃，继而引发疲劳裂纹，断裂位置开始于弹簧的簧圈附近。
3改进方案：框架断路器
根据以上验证结果，对真空断路器结构进行优化：1）采用符合技术要求的圆角垫圈；2）对弹簧杆材质进行增强，采用强度更高的材料，提高弹簧杆拉伸屈服强度、表面硬度，缓解弹簧及垫圈的往复运动对弹簧杆的磨损。实施上述改进方案后，对真空断路器进行全寿命试验，试验结果为：弹簧杆表面阳氧层被磨去，磨损深度很浅，弹簧杆表面磨损明显减弱，完全可以满足现场工况需求。