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）

液壓操動機構(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)電機出口斷路器設(shè)備上，是斷路器唯一動力來源，而碟簧（圖2）則是液壓操動機構(gòu)儲能的重要部件，主要由多個碟簧片通過定位鋼絲圈進行重疊及對疊而成。當(dāng)液壓操動機構(gòu)儲存能量達不到相應(yīng)功能（重合閘、合分、單分）要求時，會直接造成斷路器開斷時間超標(biāo)，從而導(dǎo)致斷路器拉弧時間過長，輕則觸頭燒傷，重則斷路器發(fā)生爆炸。因此，液壓操動機構(gòu)碟簧的安全及可靠性對斷路器的穩(wěn)定運行極為重要。

本文解析評估了液壓操動機構(gòu)碟簧開裂后的整體性能，分析了開裂的根本原因，同時提出預(yù)防液壓操動機構(gòu)碟簧開裂的建議及改進措施。

圖1 液壓操動機構(gòu)

圖2 碟簧

1 情況簡介

此液壓操動機構(gòu)安裝于550 kV超高壓開關(guān)上，已持續(xù)運行5年。設(shè)備運行期間，液壓操動機構(gòu)內(nèi)的碟簧長期處于壓縮狀態(tài)，只有開關(guān)在操作時，碟簧會釋放部分能量并再次壓縮。在例行停電檢修時，檢查發(fā)現(xiàn)此臺液壓操動機構(gòu)內(nèi)部其中一個碟簧片開裂（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估

為科學(xué)的了解碟簧開裂后液壓操動機構(gòu)工作性能，首先對其進行了儲能壓力測試，然后對其開裂的碟簧材質(zhì)取樣進行硬度測試，并對液壓操動機構(gòu)碟簧散開風(fēng)險進行了分析與評估。

2.1 儲能壓力測試

測試結(jié)果如表1。

測試結(jié)果表明，在液壓操動機構(gòu)碟簧處于額定儲能位置時（油泵停止節(jié)點），機構(gòu)的壓力（50.1 MPa）高于合分操作閉鎖壓力（48.2 MPa），其儲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 儲能壓力測試結(jié)果

2.2 開裂碟簧硬度測試

對開裂的碟簧進行了硬度測試，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 液壓操動機構(gòu)碟簧散開風(fēng)險分析及評估

在材料工藝方面，液壓操動機構(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度，碟簧不會在其他部位發(fā)生新的斷裂情況。在碟簧組合設(shè)計工藝方面，由于碟簧采用多片組合對疊的方式（圖4），每個碟簧片均設(shè)計有鋼絲支撐槽（圖3），碟簧片之間采用鋼絲圈進行連接組合（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)生開裂短時期內(nèi)，液壓操動機構(gòu)的碟簧不會發(fā)生散開危險。

圖4 碟簧結(jié)構(gòu)圖

2.4 綜合分析

雖然此液壓操動機構(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，儲存的能量能夠滿足液壓操動機構(gòu)完成單次合分的要求，同時在碟簧發(fā)生開裂短時期內(nèi)，碟簧不會發(fā)生散開危險。因此，此液壓機構(gòu)在性能上依然能夠維持正常的工作狀態(tài)，但對于高要求的重合閘操作，無法滿足其能量需求。

3 液壓操動機構(gòu)碟簧開裂原因分析

3.1 外觀檢查

通過外觀觀察，此液壓操動機構(gòu)碟簧由16個碟簧片兩兩對拼組成，每個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碟簧片貫穿破裂（圖3、圖5），裂縫寬度超過10 mm，在斷口一個局部小區(qū)域有輕微銹蝕（圖3），且緊鄰一個小區(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

由于此液壓操動機構(gòu)內(nèi)開裂的碟簧片與相鄰的碟簧片是通過外圓及內(nèi)圓的鋼絲圈進行力學(xué)傳遞的。而外觀檢查時，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，我們需要重點對碟簧片定位圈附近的質(zhì)點進行受力分析。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

通過對液壓操動機構(gòu)開裂的碟簧片材質(zhì)進行化學(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。對其斷口處理后進行顯微觀察中，發(fā)現(xiàn)有多邊小孔隙（圖7）。在對其進行掃描電鏡觀察及能譜分析時發(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

液壓操動機構(gòu)碟簧在運行過程中發(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，無法填補孔隙時，潮濕的空氣進入，致使內(nèi)部孔隙表面氧化銹蝕，進一步加劇孔隙疏松程度。同時，液壓操動機構(gòu)在儲存及釋放能量時造成此部位應(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)致液壓操動機構(gòu)的碟簧最終開裂。

4 結(jié)論及建議

此液壓操動機構(gòu)的碟簧在發(fā)生單個碟簧片開裂后，液壓操動機構(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（例如線路側(cè)斷路器），則需要立刻更換開裂的碟簧。

本次液壓操動機構(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。

為防范液壓操動機構(gòu)碟簧開裂的問題發(fā)生，建議在液壓操動機構(gòu)的生產(chǎn)制造過程中完善原料進廠及產(chǎn)品出廠檢驗制度，改進碟簧材料生產(chǎn)工藝提高產(chǎn)品出廠質(zhì)量，在液壓操動機構(gòu)的運維過程中，要強化對其碟簧的檢查及維護，加強對其外觀及防銹檢查，及時發(fā)現(xiàn)并排除開裂隱患。