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摘 要：针对一起35 kV真空断路器位置行程开关在配合开关柜二次回路时出现的位置信号短暂失效现象，深入分析原因，并提出解决方案。
关键词：推进机构;试验位置;工作位置;行程开关
0 引言
35 kV高压真空断路器由于体积及重量原因一般采用落地式结构，在配合高压开关柜工作时，推进机构保证断路器从试验位置移动到工作位置。在机械方面，断路器到达试验位置或工作位置是通过推进机构的离合装置离合状态来判断的;在电气方面，断路器是通过推进机构试验位置行程开关或工作位置行程开关的触点信号切换来判断断路器所处位置的。
1 失效分析
1.1 失效现象概述
2018年5月，某开关柜厂家反馈，35 kV断路器在配合开关柜测试过程中出现工作位置行程开关信号工作不可靠现象。通过现场实际观察，发现断路器到达工作位置之后，由于惯性推进机构丝杆没有立即停止工作，到丝杆出现离合状态时，开关柜工作位置指示灯出现短暂的闪灭闪亮现象。
在断路器实际配合开关柜操作过程中，现场通过推进机构离合时发出的“咔咔”声以及开关柜面板指示灯来判断推进机构是否到达预定的行程位置。由于工作位置信号会通过微机保护装置送到后台进行相关的逻辑判断，因此，信号指示灯出现的短暂闪灭闪亮现象可能会导致微机保护的逻辑判断错误。
1.2 失效原因分析
通过现场实际测试，发现断路器处于试验位置时，通过摇进手柄操作推进机构，在不断的离合过程中，试验位置指示灯显示正常;但当断路器处于工作位置时，通过摇进手柄操作推进机构，在不断的离合过程中，开关柜面板工作位置指示灯出现闪灭闪亮的现象。进一步查看，发现试验位置行程开关是通过推进机构的螺钉按压行程开关弯板来实现行程开关触点的切换，工作位置行程开关是通过推进机构丝杆下面的导向板上安装块的螺钉按压行程开关弯板来实现行程开关触点的切换。
初步分析，如图1所示，由于推进机构的离合装置销钉沿离合轴套渐开线由最低点沿圆弧线缓慢上升到最高点后直接下降到最低点过程中，离合轴套连接的导向板上安裝块调节螺钉由紧压工作位置行程开关弯板到脱开行程开关弯板的过程中出现工作位置行程开关指示灯闪灭的现象。
进一步分析发现，推进机构在工作位置的离合过程中，断路器到达工作位置的机械切换与工作位置行程开关的电气切换不同步及不可靠是导致这一现象发生的原因，即断路器通过推进机构达到工作位置后，要进一步确认断路器是否处于工作位置。同时，在惯性作用下，推进机构丝杆的离合销钉带动离合轴套与其相连接的导向板在离合轴套的渐开线上沿弧线移动时，导向板上的安装块螺钉在按压工作位置行程开关弯板过程中出现了行程开关触点切换的不可靠，从而导致工作位置指示灯出现闪灭现象。
2 解决方案
2.1 方案设计
根据失效原因，工作位置指示灯出现闪灭现象主要是工作位置行程开关切换不可靠所致，直接加长安装块螺钉，可以可靠地按压工作位置行程开关弯板，但是会出现行程开关极限按压，导致行程开关触点弹簧长期工作在极限压力状态下，从而影响行程开关的使用寿命;并且加长安装块螺钉会影响到推进机构的行程，推进机构行程等工作位置丝杆移动距离减去试验位置丝杆距离，安装块螺钉加长会导致推进机构丝杆工作位置距离减小，从而进一步导致推进机构行程变小。
安装块螺钉长度不能加长，按压工作位置行程开关必须可靠切换，并且按压行程有一定的可变性，因此考虑使用弹簧解决该问题。通过使用相似的弹簧安装，初步测试验证方案的可行性，发现有一定的效果。方案设计过程如下：
（1）通过该型号行程开关的参数得知，行程开关从自然状态到临界工作状态行程大约5 mm，从临界工作状态到极限状态的行程大约8 mm，因此，行程开关的行程为5～13 mm，考虑到零件差异、安装差异及其他误差，行程开关需要的工作行程为6～10 mm。
（2）通过测力计测试行程开关的触点切换压力值大约1 N·m，安装块螺钉为M5，安装块厚度为14 mm，因此，弹簧中径设计为10 mm，弹簧工作行程应不小于行程开关所需工作行程6～10 mm，选用目前常用的?1不锈钢丝作为弹簧丝，根据弹簧的已知参数及以下计算公式[1-2]进行计算：
F=kx （1）
k=Gd4/（8nD3） （2）
H0=nt+（n0-0.5）d （3）
式中：F为力值;k为弹性系数;x为形变量;G为材料钢性模数;d为线径;n为弹簧有效圈数;D为中径;H0为弹簧总高度;t为节距;n0为弹簧总圈数。
由公式（1）计算出弹性系数k，再根据公式（2）理论上计算出弹簧的有效圈数n=4。将弹簧支撑圈数定义为1.5圈，最后根据公式（3）得出弹簧总高度H0与节距t的关系，相互之间调整参数并根据弹簧压力值得出弹簧总高度H0与节距t的初步数值。
（3）根据计算数值初步设计弹簧。考虑到离合装置渐开线高度差导致的弹簧工作行程损失，因此弹簧工作行程应大于等于离合装置离合轴套渐开线高度。目前离合轴套渐开线高度为8～10 mm，而且这种小型弹簧，由于弹簧设计工作压力值的限制及需要依靠调节安装块螺钉作为弹簧导向等原因，其工作行程不可能太大，基于安装块螺钉长度、离合轴套渐开线高度及行程开关所需的工作行程综合考虑，设计弹簧总高度H0与节距t的数值。 基于上述三点考虑，得出如下条件式：
弹簧工作行程≥離合轴套渐开线高度
如图2所示，采用?1不锈钢弹簧钢丝，可用工作行程不小于8 mm，并且将离合轴套渐开线高度由原来的8～10 mm调整为6 mm，最终通过弹簧的8 mm工作行程来消除离合轴套渐开线高度差的6 mm对工作行程开关切换可靠性的影响。
2.2 方案验证及改进
经过两年多的实际执行，该方案在生产线的出厂测试过程中以及根据反馈在最终客户的配合开关柜测试过程中，工作位置行程开关信号指示灯均未再次出现闪灭现象，该解决方案符合预期设计目标。安装块螺钉具有微调摇进行程的作用，早期摇进机构可以实现±5 mm的调节，但是采用摇进机构安装块螺钉加装调节弹簧的方案，在生产测试阶段，据生产员工反馈，有时摇进机构行程无法准确调节到公差的最大值或最小值。这样对客户现场配合开关柜调试过程会带来不便，因为零件本身可能出现误差或存在装配误差，因此在保证摇进行程与工作位置行程开关切换之间可能会发生少数需求无法同时满足的现象。
通过前期方案的设计，调节弹簧、离合轴套已经配合实现优化;再次分析摇进机构的行程调节过程及实现方式，发现安装块是通过螺钉紧固于摇进机构的导向板上，从目前的方案来看，工作位置行程开关的切换及摇进机构行程调节都与安装块的调节螺钉与调节弹簧有关，但这两个零件都不可以再次变更;因此将安装块上与导向板连接的螺纹孔的中心和安装块的中心设计相差3 mm，即两者出现偏心，这样安装块正常安装与水平旋转180°安装可以实现±3 mm的调节，而当时调节弹簧的设计具有2 mm的余量，因此可以实现±5 mm的偏差调节。最终通过修改离合轴套渐开线高度、增加调节弹簧及安装块连接孔偏心设计，不仅解决了工作位置行程开关切换不可靠问题，还保证了摇进行程的调节余量，从根本上解决了问题。
3 结语
本文主要以一起推进机构工作位置行程开关失效为例，说明在设计阶段要模拟现场实际运行工况，在设计端从根本上解决可能出现的功能失效问题;在直接通过刚性零件调节无法实现预期的综合设计功能时，可以借助弹簧特有的长度可变传动特性来实现预期的设计功能，并结合偏心设计安装实现可调节性。这些设计方法对后期类似设计均有借鉴意义。
[参考文献]
[1] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].7版.北京：高等教育出版社，2006.
[2] 周开勤.机械零件手册[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.
收稿日期：2021-07-22
作者简介：杨建军（1984—），男，陕西宝鸡人，工程师，从事真空断路器及继电保护技术工作。
李锐（1983—），男，陕西宝鸡人，高级研发工程师，从事真空断路器设计工作。
关键词：推进机构;试验位置;工作位置;行程开关
0 引言
35 kV高压真空断路器由于体积及重量原因一般采用落地式结构，在配合高压开关柜工作时，推进机构保证断路器从试验位置移动到工作位置。在机械方面，断路器到达试验位置或工作位置是通过推进机构的离合装置离合状态来判断的;在电气方面，断路器是通过推进机构试验位置行程开关或工作位置行程开关的触点信号切换来判断断路器所处位置的。
1 失效分析
1.1 失效现象概述
2018年5月，某开关柜厂家反馈，35 kV断路器在配合开关柜测试过程中出现工作位置行程开关信号工作不可靠现象。通过现场实际观察，发现断路器到达工作位置之后，由于惯性推进机构丝杆没有立即停止工作，到丝杆出现离合状态时，开关柜工作位置指示灯出现短暂的闪灭闪亮现象。
在断路器实际配合开关柜操作过程中，现场通过推进机构离合时发出的“咔咔”声以及开关柜面板指示灯来判断推进机构是否到达预定的行程位置。由于工作位置信号会通过微机保护装置送到后台进行相关的逻辑判断，因此，信号指示灯出现的短暂闪灭闪亮现象可能会导致微机保护的逻辑判断错误。
1.2 失效原因分析
通过现场实际测试，发现断路器处于试验位置时，通过摇进手柄操作推进机构，在不断的离合过程中，试验位置指示灯显示正常;但当断路器处于工作位置时，通过摇进手柄操作推进机构，在不断的离合过程中，开关柜面板工作位置指示灯出现闪灭闪亮的现象。进一步查看，发现试验位置行程开关是通过推进机构的螺钉按压行程开关弯板来实现行程开关触点的切换，工作位置行程开关是通过推进机构丝杆下面的导向板上安装块的螺钉按压行程开关弯板来实现行程开关触点的切换。
初步分析，如图1所示，由于推进机构的离合装置销钉沿离合轴套渐开线由最低点沿圆弧线缓慢上升到最高点后直接下降到最低点过程中，离合轴套连接的导向板上安裝块调节螺钉由紧压工作位置行程开关弯板到脱开行程开关弯板的过程中出现工作位置行程开关指示灯闪灭的现象。
进一步分析发现，推进机构在工作位置的离合过程中，断路器到达工作位置的机械切换与工作位置行程开关的电气切换不同步及不可靠是导致这一现象发生的原因，即断路器通过推进机构达到工作位置后，要进一步确认断路器是否处于工作位置。同时，在惯性作用下，推进机构丝杆的离合销钉带动离合轴套与其相连接的导向板在离合轴套的渐开线上沿弧线移动时，导向板上的安装块螺钉在按压工作位置行程开关弯板过程中出现了行程开关触点切换的不可靠，从而导致工作位置指示灯出现闪灭现象。
2 解决方案
2.1 方案设计
根据失效原因，工作位置指示灯出现闪灭现象主要是工作位置行程开关切换不可靠所致，直接加长安装块螺钉，可以可靠地按压工作位置行程开关弯板，但是会出现行程开关极限按压，导致行程开关触点弹簧长期工作在极限压力状态下，从而影响行程开关的使用寿命;并且加长安装块螺钉会影响到推进机构的行程，推进机构行程等工作位置丝杆移动距离减去试验位置丝杆距离，安装块螺钉加长会导致推进机构丝杆工作位置距离减小，从而进一步导致推进机构行程变小。
安装块螺钉长度不能加长，按压工作位置行程开关必须可靠切换，并且按压行程有一定的可变性，因此考虑使用弹簧解决该问题。通过使用相似的弹簧安装，初步测试验证方案的可行性，发现有一定的效果。方案设计过程如下：
（1）通过该型号行程开关的参数得知，行程开关从自然状态到临界工作状态行程大约5 mm，从临界工作状态到极限状态的行程大约8 mm，因此，行程开关的行程为5～13 mm，考虑到零件差异、安装差异及其他误差，行程开关需要的工作行程为6～10 mm。
（2）通过测力计测试行程开关的触点切换压力值大约1 N·m，安装块螺钉为M5，安装块厚度为14 mm，因此，弹簧中径设计为10 mm，弹簧工作行程应不小于行程开关所需工作行程6～10 mm，选用目前常用的?1不锈钢丝作为弹簧丝，根据弹簧的已知参数及以下计算公式[1-2]进行计算：
F=kx （1）
k=Gd4/（8nD3） （2）
H0=nt+（n0-0.5）d （3）
式中：F为力值;k为弹性系数;x为形变量;G为材料钢性模数;d为线径;n为弹簧有效圈数;D为中径;H0为弹簧总高度;t为节距;n0为弹簧总圈数。
由公式（1）计算出弹性系数k，再根据公式（2）理论上计算出弹簧的有效圈数n=4。将弹簧支撑圈数定义为1.5圈，最后根据公式（3）得出弹簧总高度H0与节距t的关系，相互之间调整参数并根据弹簧压力值得出弹簧总高度H0与节距t的初步数值。
（3）根据计算数值初步设计弹簧。考虑到离合装置渐开线高度差导致的弹簧工作行程损失，因此弹簧工作行程应大于等于离合装置离合轴套渐开线高度。目前离合轴套渐开线高度为8～10 mm，而且这种小型弹簧，由于弹簧设计工作压力值的限制及需要依靠调节安装块螺钉作为弹簧导向等原因，其工作行程不可能太大，基于安装块螺钉长度、离合轴套渐开线高度及行程开关所需的工作行程综合考虑，设计弹簧总高度H0与节距t的数值。 基于上述三点考虑，得出如下条件式：
弹簧工作行程≥離合轴套渐开线高度
如图2所示，采用?1不锈钢弹簧钢丝，可用工作行程不小于8 mm，并且将离合轴套渐开线高度由原来的8～10 mm调整为6 mm，最终通过弹簧的8 mm工作行程来消除离合轴套渐开线高度差的6 mm对工作行程开关切换可靠性的影响。
2.2 方案验证及改进
经过两年多的实际执行，该方案在生产线的出厂测试过程中以及根据反馈在最终客户的配合开关柜测试过程中，工作位置行程开关信号指示灯均未再次出现闪灭现象，该解决方案符合预期设计目标。安装块螺钉具有微调摇进行程的作用，早期摇进机构可以实现±5 mm的调节，但是采用摇进机构安装块螺钉加装调节弹簧的方案，在生产测试阶段，据生产员工反馈，有时摇进机构行程无法准确调节到公差的最大值或最小值。这样对客户现场配合开关柜调试过程会带来不便，因为零件本身可能出现误差或存在装配误差，因此在保证摇进行程与工作位置行程开关切换之间可能会发生少数需求无法同时满足的现象。
通过前期方案的设计，调节弹簧、离合轴套已经配合实现优化;再次分析摇进机构的行程调节过程及实现方式，发现安装块是通过螺钉紧固于摇进机构的导向板上，从目前的方案来看，工作位置行程开关的切换及摇进机构行程调节都与安装块的调节螺钉与调节弹簧有关，但这两个零件都不可以再次变更;因此将安装块上与导向板连接的螺纹孔的中心和安装块的中心设计相差3 mm，即两者出现偏心，这样安装块正常安装与水平旋转180°安装可以实现±3 mm的调节，而当时调节弹簧的设计具有2 mm的余量，因此可以实现±5 mm的偏差调节。最终通过修改离合轴套渐开线高度、增加调节弹簧及安装块连接孔偏心设计，不仅解决了工作位置行程开关切换不可靠问题，还保证了摇进行程的调节余量，从根本上解决了问题。
3 结语
本文主要以一起推进机构工作位置行程开关失效为例，说明在设计阶段要模拟现场实际运行工况，在设计端从根本上解决可能出现的功能失效问题;在直接通过刚性零件调节无法实现预期的综合设计功能时，可以借助弹簧特有的长度可变传动特性来实现预期的设计功能，并结合偏心设计安装实现可调节性。这些设计方法对后期类似设计均有借鉴意义。
[参考文献]
[1] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].7版.北京：高等教育出版社，2006.
[2] 周开勤.机械零件手册[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.
收稿日期：2021-07-22
作者简介：杨建军（1984—），男，陕西宝鸡人，工程师，从事真空断路器及继电保护技术工作。
李锐（1983—），男，陕西宝鸡人，高级研发工程师，从事真空断路器设计工作。