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简析锈蚀对GW5-40.5型隔离开关传动机构造成的影响

发表时间：2021/7/2 来源：《中国电力企业管理》2021年3月作者：徐斌周华军罗全

[导读] 35kV户外隔离开关由于操作频率低，存在连杆机构锈蚀现象，在进行电动机机构改造时，需考虑于锈蚀导致的连杆机构驱动力过大，造成电动机机构过载和曲柄和连杆机构连接处被剪切破坏的问题，本文对以上问题进行了探讨，并提出了防范措施。

河南石油勘探局有限公司水电厂徐斌周华军罗全

【摘要】35kV户外隔离开关由于操作频率低，存在连杆机构锈蚀现象，在进行电动机机构改造时，需考虑于锈蚀导致的连杆机构驱动力过大，造成电动机机构过载和曲柄和连杆机构连接处被剪切破坏的问题，本文对以上问题进行了探讨，并提出了防范措施。
【关键词】锈蚀 35kV隔离开关电动机操动机构过载剪切破坏
0 引言
油田电网变电站、开关站中，部分户外隔离开关由于操作频率低、机构防锈蚀设计不合理以及设备机构老旧等原因，造成部分连接机构锈蚀严重（如图1）。对于由人工操作的35kV隔离开关（本文所提及的隔离开关型号均为GW5-40.5型），需要操作人员用较大的力才能分、合到位。操作过程中，由于锈蚀造成的操作力度难以把握，过度分合闸现象经常出现，部分分合需要多次操作完成。

       为实现变电站的集中控制，对王集开关站35kV隔离开关进行了电动改造。由于35kV隔离开关的结构简单和操作方式易于替代的特点，针对35kV室外隔离开关改造可以采用的方式很多，但大部分方式都是采用电动机提供动力，由齿轮机构减速，通过齿轮啮合或其他方式带动与操作手柄连接的主轴转动，以此来实现电动操动隔离开关分合控制。下面是根据王集开关站35kV隔离开关改造的实际情况，需考虑以下两点问题：
        电动机的合理选择，避免由于锈蚀造成的部分机构转动、传动不灵活，造成电动机过载；由于锈蚀造成零件的抗剪切平面变小，零件薄弱部位遭剪切破坏的临界条件。
        以王集开关站改造过程中使用的CJ6-FG型电动机操动机构为例，进行了分析探讨，具体如下：
        1机构锈蚀，电动机操动机构是否会过载
         CJ6-FG电动机操动机构输出的额定扭矩为500N.m、600N.m，转速固定，本文取最低值500N.m计算。电动机操动机构输出轴与35kV隔离开关操作手柄连接的主轴为竖直固定连接，无需考虑传动比等问题。与35kV隔离开关操作手柄连接的主轴的轴线，同为曲柄连杆机构中曲柄的旋转轴线。根据《材料力学》、《理论力学》的相关知识，在由曲柄、连杆组成的转动副中，如模型图2所示位置，即当曲柄的中线与连杆的中线垂直时，曲柄的旋转轴线到达连杆的力距最大，电动机操动机构此时对连杆提供的驱动力最小，由于不同的零件锈蚀程度不同，导致的驱动力大小不同，笔者选择通过理论计算该电动机操动机构此时可以提供的最小驱动力，判断电动机操动机构是否有过载的可能性。由现场实际测量可知，35kV隔离开关曲柄的有效长度约为140mm，连杆与曲柄旋转轴线的力距长约为100mm，在轴孔配合处，驱动力是以垂直于连杆的方向作用在曲柄轴上，做力学分析，则输出的最小驱动力Fmax=500N.m/10mm=5000N,即连杆提供的最小驱动力为5000N。一般情况下考虑到锈蚀造成的摩擦阻力后也很难达到5000N，通过对比所得数据可以得出：考虑到各接触部位的摩擦阻力，所选电动机操动机构过载的可能性非常小。

                                                            2机构锈蚀，零件的薄弱部位遭剪切破坏的临界条件
        由于锈蚀造成的连杆机构驱动力变大、细轴抗剪切平面面积变小，在曲柄和连杆组成的转动副处，细轴很有可能被剪切破坏，下面针对这一位置进行分析。
        设细轴允许的最大剪切力大小为Fmax，实际连接处，剪切力作用面为曲柄细轴水平剖面，如图3所示的黄色区域横截面处，细轴的设计直径D约为7mm。
        由公式：
        切应力： =F/A
        剪切平面：A=0.25πD²        细轴直径：D=7 mm
        而此种铸铁的许用切应力约为[]铸铁=18MPa
        锈蚀层的许用切应力不计，带入各数据计算得：
        未锈蚀的细轴许用的最大剪切力 Fmax=[]xA=692.37 N
        现假设腐蚀层厚度为0.1mm，由于圆柱类零件的腐蚀具有对称性，则：
        细轴直径D就会减少2x0.1=0.2mm
        则细轴剖面面积A就变为0.25π（7-0.2）²mm²
        锈蚀后的Fmax＇=653.371N,以此方式计算得下表1：

        从表中可以看出，随着锈蚀层的加厚，细轴允许的最大切应力逐渐减小。根据锈蚀层的厚度与细轴允许的最大切应力值可以发现，锈蚀层厚度稍有变化，就会对细轴的强度造成较大的影响，在35kV户外隔离开关使用过程中要经常检从表中可以看出，随着锈蚀层的加厚，细轴允许的最大切应力逐渐减小。根据锈蚀层的厚度与细轴允许的最大切应力值可以发现，锈蚀层厚度稍有变化，就会对细轴的强度造成较大的影响，在35kV户外隔离开关使用过程中要经常检查细轴的实际锈蚀厚度。成年人的水平最大推力约300-500N，倒闸操作人员分合开关时使用的推力介于此范围内，参考表1，操作人员在感觉费力时，实际牵引力接近锈蚀层厚度为0.50mm时的允许最大剪切力值，细轴被剪切破坏的可能很大，所以对于普通的铸铁曲柄需要把锈蚀层厚度控制在0.3mm以内时较为安全。
        3解决措施
        王集开关站改造中，对锈蚀部位较为严重的曲柄、连杆连接处，使用与原零件外形尺寸相同的镀锌铸铁零件替换原锈蚀零件，即可保证零件强度，减慢铸铁件锈蚀速度，又能减少更改零件尺寸导致的安装、调试的工作量。
        4 结束语
        综上所述，王集开关站使用的CJ6-FG电动机操动机构对连杆提供的牵引力可以达到5000N，足够克服摩擦阻力并带动35kV隔离开关分合到位；在实际使用过程中，针对35kV隔离开关传动机构的锈蚀情况，如果不考虑更换防锈蚀零件解决锈蚀问题，定期对锈蚀层厚度进行检查并对机构做好润滑处理是必要的，同时在锈蚀层厚度达到0.4mm，允许的最大牵引力为543.157N时接近临界危险值，需要考虑更换零件。这里需要指出，电动机操动机构提供的牵引力的大小是由考虑摩擦阻力在内，能够驱动隔离开关分合的最小驱动力值确定。