低压开关柜一次触头弹簧断裂典型案例分析

王 义，李元鹏，马如海

（广州白云电器设备股份有限公司，广州 510460）

0 引言

低压开关柜使用量大面广，是电力系统中最接近用户的负荷，对用电可靠性影响较大，广泛应用于各类发电厂、轨道交通、机场、数据中心、文体场馆、医院学校等公用设施，以及冶金化工、石油石化、造纸、汽车等工业企业的配电设施中，为各行业的电力使用提供了有力的保障。如何提高产品可靠性、灵活性、实用性、安全性，进而提升电网运行质量水平，是各低压开关柜厂家研发、制造的重要课题之一。低压开关柜抽屉一次回路的接通是通过动、静触头的配合来实现的，一次回路接通时，触头本身具有一定的触头压力，触头压力是靠触头弹簧来保持的，触头弹簧的作用如下。

（1）补偿触头磨损。触头磨损有两种，一种是电磨损，是由于触头间电火花或电弧的高温使触头金属气化所造成的；另一种是机械磨损，由于触头闭合时的撞击触点接触面滑动摩擦等原因造成，触头在使用过程中，因磨损会越来越薄，触头在工作时依靠弹簧的变形量保证触头有足够的压力［1］。

（2）解决触头熔焊的问题。动静触头表面被融化后焊在一起而分断不开的现象，称为触头的熔焊。当触头闭合时，由于撞击和产生震动，在动静触点间的小间隙中产生短路电流、电弧温度高达3000～6000 ℃，可使触头表面被灼伤或熔化，使动、静触头焊在一起，触头弹簧保持一定的初压力，可以减小触头撞击和产生震动，增大通流能力，避免触头发生熔焊。

本案例的低压开关柜抽屉回路一次触头组件如图1 所示，其采用了独特的双向插件设计，插件随传动机械滑动于抽屉单元插件和垂直母线之间，实现连接、分离位置的转换，大大增强了产品操作的可靠性和安全性；采用双向滑动机械传动机构，保证了开关柜在关门的状态下，方便地实现了抽屉单元在连接、试验和分离位置的切换，并保证设备外壳防护等级不改变［2］。本文针对低压开关柜抽屉一次回路触头弹簧断裂问题进行技术分析和研究，从弹簧制造工艺过程中分析和追溯产生问题的原因，并对触头弹簧的受力进行分析计算及验证，完善了一次触头弹簧的检验文件，从工艺流程、管理、技术层面分析了出现的原因及制定了改善和预防措施。

图1 一次触头组件

1 故障内容

本案例的低压开关柜进行一次通电检验时，发现个别抽屉（如图2 所示）一次回路出现缺相现象（即三相回路中有一相未形成回路），主要表现为相电压低于标准电压、缺相2 种型式。

图2 抽屉

从检查的情况看，相电压低于标准电压或缺相的发生，没有规律可言，在抽屉的进出线端任意相发生，对更换下来的一次触头组件拆卸后，发现有问题的回路都为触头弹簧断裂，如图3 所示。

图3 断裂的触头弹簧

2 原因调查

本次故障涉及多台低压开关柜，其中一次触头3002 只，使用触头弹簧数量为5000（单片）＋1004（双片）个。从损坏的数量上看，所占比例并不大，从统计结果看，仅占总数的1%，但问题非常严重，因一次触头弹簧断裂，不确定因素太多。从目前的情况看，触头弹簧的断裂是随机的，不知道有多少触头弹簧会断裂，也不知道什么时候断裂，每个一次触头随时都可能发生事故，所以立即停止本批一次触头弹簧的使用，并展开原因调查。

2.1 触头弹簧加工过程步骤

触头弹簧在加工过程中，需要以下步骤：原材料采购及检验；零件模具成形及检验；热处理及检验；表面处理及检验；

2.2 触头弹簧加工过程调查

触头弹簧加工过程调查如下。

（1）原材料采购及检验调查

结果：检验记录齐全，有材质检验报告，符合该零件的材质要求。

（2）零件模具成形调查

结果：检验记录齐全，符合该零件加工的工艺要求。

（3）热处理调查

结果：检验生产记录不齐全，未按热处理质量控制和检验进行记录和检验。

（4）表面处理及检验调查

结果：零件表面采用化学镀镍，镀件不会渗氢，无氢脆现象，零件不会产生裂纹、断裂等。

2.3 调查结论

触头弹簧热处理的过程控制程序不严格，检验生产记录不齐全，无完善的热处理质量控制和检验程序，调查触头弹簧热处理过程，发现主要原因为触头弹簧淬火后未及时回火，簧片在受到较大压力或多次变形时出现脆性断裂现象。

3 问题处理

3.1 处理决定

由于触头弹簧淬火后未及时回火，簧片在受到较大压力或多次变形时出现脆性断裂，触头弹簧的断裂是随机的，故立即停止使用目前在制的所有触头弹簧。根据要求，重新计算触头弹簧参数并确认，重新制定触头弹簧的检验要求并验证，验证合格后再确认批量使用［3］。

3.2 触头弹簧参数计算及确认

3.2.1 材料确认

在选择触头弹簧材料时，应注意材料的力学性能、工艺性能和经济性，也要重视材料的热处理性能，以确保零件容易达到预定的热处理要求，并且成本低廉，生产周期短。低压开关柜触头弹簧的选用分2 种情况，对于形成闭合回路的触头弹簧，一般选用无磁不锈钢材料，无磁不锈钢弱磁场、耐腐蚀、高弹性，并能避免涡流引起的发热等，但价格高，加工周期长；对于不形成闭合回路的触头弹簧，一般采用普通弹簧钢，该零件的设计未形成闭合回路，故使用65Mn材料，该材料易于采购、成本低廉、生产周期短、具有高的强高和硬度、弹性良好、淬透性好［4］。

3.2.2 触头弹簧计算参数确认

根据触头弹簧的受力结构，如图4 所示，按计算公式进行计算。

图4 触头弹簧受力结构

（1）挠度计算

挠度计算为：

式中：fy为挠度（弹簧变形量）；F为作用力；L为支点距离；E为弹性摸量；I为截面惯性矩。

（2）截面惯性矩计算

截面惯性矩计算为：

式中：I为截面惯性矩；B为截面宽度；h为截面厚度。

（3）应力计算

应力计算为：

式中：σmax为弹簧的最大许用应力；F为作用力；L为支点距离；Z为抗弯截面系数。

（4）抗弯截面系数计算

抗弯截面系数计算为：

式中：Z为抗弯截面系数；B为截面宽度；h为截面厚度。

按上述公式在确定触头压力F的前提下，计算弹簧的变形量、弹簧的最大许用应力，计算结果如表1 所示。根据计算确认触头弹簧的设计参数满足使用要求［5］。

表1 触头弹簧计算结果

3.2.3 结构设计及热处理

关于触头弹簧的设计，设计者往往只考虑零件的结构形状及弹簧的变形量，而忽略了零件材料或结构不合理给热处理工艺带来的不便，甚至造成热处理后零件产生各种缺陷以及零件报废；因该零件为薄片状，设计时应特别注意避免各种尖棱或尖角，各倒角应圆滑过渡［6］。

薄片状触头弹簧热处理时应注意淬火时的淬硬性和淬透性，材料的淬硬性与钢的含碳量有关，含碳量愈高，淬火后的硬度就愈高，淬火后的硬度还受到零件截面尺寸的影响；淬透性主要取决于钢的合金成分，还受冷却速度、冷却剂以及零件尺寸大小的影响。热处理时应特别注意以下几点。

（1）待处理零件的核查和验收

为了确保热处理的质量，应对触头弹簧的外观、形状和尺寸等要素进行检查，零件的表面应光滑、无划痕、磕碰、裂纹等引起热处理后应力集中的缺陷，形状和尺寸应符合图纸要求［7］。

（2）加热质量的控制

首先应对加热炉的炉温进行严格控制，温度指示记录表的刻度应能正确反映出温度的波动范围；其次应在保护气氛或真空炉内加热，避免材料氧化脱碳，并保持材料表面光亮，在普通空气炉内加热时，应采取装箱保护措施［8］；最后应正确选择加热参数，包括加热温度、加热时间和加热速度。薄片状弹簧的加热应在最短的时间内，以最快的加热速度达到规定的温度，65Mn材料的薄片弹簧加热温度约810 ℃左右。

（3）淬火介质的选择

65Mn材料的薄片状触头弹簧应选择专用淬火油作为淬火介质，淬火油要保持干净，淬火油中混入少量的水是极其有害的，会造成淬火时零件出现软点或畸变，故不能有水混入。为了防止触头弹簧在空气中冷却过快，达不到淬火的硬度，触头弹簧从炉内取出后应快速放入淬火油中，最好采用装箱保护措施，连同保护箱一起放入淬火油中，以期达到最好的淬火效果［8］。

（4）回火的质量控制

淬火后的弹簧应及时回火，一般情况下室温停留时间不得超过4 h，65Mn 材料的薄片状触头弹簧的回火温度为450 ℃，回火保温时间以4 h为宜，并随炉冷却。

3.2.4 触头弹簧性能的检验和验证

对触头弹簧的外观、尺寸、力学性能、热处理硬度进行检验和验证，记录如表2 所示。

表2 弹簧验证记录

4 检验要求的重新制定与实施

为了严肃工艺纪律，杜绝类似的质量事故再发生，对触头弹簧的检测制定了严格的热处理要求和检验要求，检验中如果发现触头弹簧不符合要求，应对整批触头弹簧进行隔离，上报相关部门，查清原因后，按调查的原因确定是否继续进行检验和使用。同一炉热处理的零件应进行一次抽检，破坏检验（抽检）数量约为6～12 件，常规检验（抽检）数量约为总数量的5%～10%。热处理参考数据如表3 所示。检验要求参考数据如表4 所示。

表3 触头弹簧热处理工艺参考数据

表4 触头弹簧验证要求

5 结束语

机械产品的内在质量主要取决于材料和热处理，利用热处理技术进行金属材料深加工，能够提升金属材料性能和稳定性，同时提升产品的质量和可靠性。加强热处理的质量管理是保证质量稳定的前提条件，要减小和控制热处理零件的变形、断裂，必须从工件的设计、材料的选择入手，合理的结构设计对控制热处理变形、断裂非常有利；合理的材料选择，可以简化热处理工艺，降低热处理过程的质量风险，确保零件容易达到预定的热处理要求，在保证工件硬度要求和产品性能的同时，才能取得理想的效果。触头弹簧为低压开关柜抽屉一次触头内的关键零件，弹簧质量的稳定，是保证低压开关柜安全运行的重要保障；经过系列的验证、检验和规范触头弹簧的热处理工艺，触头弹簧的各性能指标均符合设计和使用要求，能够确保产品的安全运行。