“青”跟我学|金属技术监督-220kV蕲春变电站隔离开关传动齿轮断裂分析

金属技术监督-220kV蕲春变电站

隔离开关传动齿轮断裂分析

变电检修室电气试验一班--程昕   

背景概况

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经与厂家沟通了解到,江苏省如高高压电器有限公司将操动机构业务外委给思源电气,而本次发生失效的传动机构为海田科技供应给思源电气的,目前新生产的操动机构的传动机构均由江苏如皋久源传动机械有限公司提供。

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断裂位置说明及断口宏观检查

断裂的齿轮为电动操动机构减速箱内的齿轮,如图1所示,传动过程为:电动机驱动涡杆1、涡杆1驱动齿轮2、齿轮2驱动涡杆3、涡杆3驱动齿轮4。

断裂的齿轮由中间的钢制圆盘和外层的铜齿组成,钢制圆盘两侧各有4个半圆形的键槽,且两侧键槽错开45°,起到防止铜齿脱落的作用,如图2所示,经与厂家沟通,铜齿是使用铸造方法直接铸造在钢制圆盘外,再经过加工得到,观察齿轮断面发现,断裂是起源键与键槽连接的位置,断面未见疲劳痕迹

断口

小结:从断口上分析,断面未见疲劳痕迹,齿轮应该是在某一次超过其承载能力的作用力下断裂的。

齿轮表面缺陷检测

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使用渗透检测法对齿轮进行表面缺陷检测,发现除断面外,还有一处裂纹位于键与键槽连接位置,如图所示。

表面裂纹

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光谱分析

对铜齿进行光谱分析,结果如表1所示,对照标准GB/T 1176-1987《铸造铜合金技术条件》(注:由于该铜齿为铸造铜,因此采用GB/T 1176,该标准的最新版为2013版,但齿轮出厂时间为2009年,因此参考1987版),该材料的成分与任何一种铸造铜都不相符,但相对而言,与ZCuSn5Pb5Zn5锡青铜较为接近,但杂质含量明显超标。

小结:该铜齿为非标产品,其化学成分不满足标准要求。

力学性能试验

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材料拉力试验

将铜齿加工成长度为30mm左右,宽度为13mm,厚度为2~3mm的板状试样,进行拉力试验,试验结果如表2

和图所示,参考标准GB/T 1176-1987,其力学性能与ZCuSn5Pb5Zn5接近,而不同成分、不同铸造工艺的锡青铜的抗拉强度在175~360MPa之间。

试验曲线

样品拉断后

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成品拉力试验

为检验铜齿键的位置应力集中的情况,将铜齿加工成如下图所示的样品进行拉力试验,为减少弯曲应力造成的影响,样品加持在拉力机后预留的长度尽量短,测试结果如表3所示。

成品拉力试样

断裂后观察断面发现,键的根部普遍有铸造缺陷(断面中颜色较深的位置),如下图所示。

成品拉断后的断面

小结:该材质的抗拉强度符合大多数锡青铜的要求,而成品拉力试验显示,键的根部由于其设计的形状存在突变,应力集中较为严重,且普遍存在的铸造缺陷加大了其应力集中系数。

 受力分析

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其中P为电动机功率,为0.37kW,n电动机为转速,为1400r/min。

减速箱传动比为i=7.5*80=600。

减速箱的传动效率为η=34.34%(厂家提供)。

因此,断裂齿轮的输出扭矩为:T2=T1*i*η=520Nm。

而经过实测,齿轮的力臂为L=50mm,即0.05m。

因此,齿轮的齿端受力为F=T2/L=10.39kN。

在电动机启动的瞬间,齿轮是静止状态

此时可以简化为静态应力分析,齿轮的实测最小截面为65mm²因此,此时齿轮的平均应力为160MPa,按应力集中系数为1.8来计算,齿轮的键根部应力为288MPa。

小结:传动机构启动瞬间,齿轮键根部最大应力为288MPa,大于该青铜的抗拉强度。

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 新设计的齿轮与该断裂齿轮的差异分析

根据江苏如皋久源传动机械有限公司提供的齿轮图纸,如下图所示

图中显示,齿轮的宽度为20mm,材质为ZCuAl10Fe3铝青铜,根据标准GB/T 1176-1987,该材质的抗拉强度为490MPa。

断裂齿轮的宽度为13.28mm,材质为不明牌号的锡青铜,抗拉强度实测值为222MPa,两个齿轮的厚度相同,均为5mm,因此新齿轮的承载能力为F新=(490MPa/应力集中系数)*20mm*5mm =49kN/应力集中系数,而断裂齿轮的承载能力为F旧=(222MPa/应力集中系数)*13mm*5mm =14.43kN/应力集中系数。

小结:新设计的齿轮改进了材质并增加了承载面积,因此其承载能力为旧齿轮的3.4倍。

综合分析

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由于原材料及设计两方面原因(即齿轮所用材质的抗拉强度较低、且设计的承载截面较少),导致其承载能力小于运行时可能出现的最大载荷而断裂,更换此批操动机构。

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