تحلیل و بحث درباره خرابی محور اصلی دستکش خلاء در مکانیزم EIB

دیودان خلاء نوعی دیودان است که هم ماده خاموش‌کننده قوس الکتریکی و هم ماده عایق بین سطوح تماس پس از خاموش شدن قوس، خلاء هستند. به عنوان واحد حفاظت و کنترل برای تجهیزات برقی و تجهیزات موتوری در شرکت‌های صنعتی و معادن، دیودان‌های خلاء ولتاژ بالا داخلی برای کاربردهای متنوع مناسب هستند و می‌توان آن‌ها را در کابینه‌های ثابت، کابینه‌های میانی و کابینه‌های دو لایه نصب کرد. به عنوان یکی از دستگاه‌های الکتریکی مهم در تجهیزات تغییر دهنده، دیودان‌های ولتاژ بالا برای مکان‌هایی که عملیات متعدد در جریان کاری اسمی یا قطع چندین بار جریان کوتاه مورد نیاز هستند، مناسب هستند.

این مقاله مشکل عدم باز یا بسته شدن صحیح دیودان خلاء IEE-Business را به دلیل عملیات مکرر مورد تحلیل قرار می‌دهد. از طریق آزمایش‌ها مشخص شد که سقوط فنر پرش از سمت راست محور اصلی دلیل عدم باز یا بسته شدن صحیح دیودان است. راه حلی برای نصب لایه‌های تنظیمی پیشنهاد شده است تا عملکرد طبیعی دیودان تضمین شود که این راه حل برای ساخت ایمن در تولید شرکت‌ها دارای اهمیت مرجعی است.

ساختار دیودان خلاء

دیودان خلاء عموماً از مولفه‌هایی مانند کمرنگ خلاء، مکانیسم عملیاتی و پشتیبان تشکیل شده است.

کمرنگ خلاء

که به عنوان لوله کلید خلاء نیز شناخته می‌شود، اصل کار کمرنگ خلاء از استفاده از خاصیت عایق بسیار خوب محیط خلاء درون لوله است که به سرعت قوس الکتریکی را خاموش و جریان را قطع می‌کند پس از قطع تغذیه. ساختارهای اصلی آن به شرح زیر است:

• سیستم عایق بندی محکم: این یک ظرف بسته در محیط خلاء است که عموماً شامل سیلندر عایق بندی محکم، صفحه پوشش متحرک، صفحه پوشش ثابت و پیچک استاینلیس است. برای تضمین محکم بودن، نیاز به فرآیندهای عملیاتی دقیق برای مفاصل محکم است. علاوه بر این، موادی با نفوذپذیری هوا بسیار کم و محدود کردن مقدار گاز آزاد شده درون به حداقل نیاز است.

• سیستم رسانا: این سیستم عموماً شامل الکترود ثابت و الکترود متحرک است. الکترود ثابت شامل تماس ثابت، میله رسانای ثابت و سطح حرکت قوس ثابت است، در حالی که الکترود متحرک شامل تماس متحرک، میله رسانای متحرک و سطح حرکت قوس متحرک است. انواع ساختار تماس می‌تواند به طور کلی به نوع میدان مغناطیسی عرضی با سطح حرکت قوس گردشی، نوع میدان مغناطیسی طولی و نوع استوانه‌ای تقسیم شود. مکانیسم عملیاتی با حرکت میله رسانای متحرک دو تماس را با هم متصل می‌کند، بنابراین مدار را تکمیل می‌کند.

• سیستم محافظ: این سیستم عموماً شامل سیلندر محافظ، پوشش محافظ و دستگاه‌های دیگر است. پوشش‌های محافظ معمولاً شامل انواعی مانند پوشش محافظ پیچک و پوشش محافظ اصلی اطراف تماس‌ها هستند. پوشش محافظ اصلی می‌تواند قوت محلی میدان را کاهش دهد، یکنواختی توزیع میدان الکتریکی داخل کمرنگ خلاء را بهبود بخشد که مفید برای کوچک شدن کمرنگ خلاء است. همزمان می‌تواند جلوگیری از پاشیدن محصولات قوس به دیواره داخلی پوشش عایق در طول فرآیند قوس کند، تا تأثیر قطع جریان قوس بر روی عایق بندی پوشش را جلوگیری کند. همچنین می‌تواند انرژی قوس را جذب کند، محصولات قوس را تراکم کند و بازیابی مقاومت دی الکتریک در فاصله پس از قوس را تسریع کند.

مکانیسم عملیاتی

نوع‌های مختلف دیودان‌ها از مکانیسم‌های عملیاتی متفاوت استفاده می‌کنند. مکانیسم‌های عملیاتی معمول شامل مکانیسم‌های عملیاتی فنری، مکانیسم‌های ذخیره‌سازی انرژی فنری EIB، مکانیسم‌های ذخیره‌سازی انرژی فنری CT8، مکانیسم‌های ذخیره‌سازی انرژی فنری CT19، مکانیسم‌های عملیاتی الکترومغناطیسی CD10، مکانیسم‌های عملیاتی الکترومغناطیسی CD17 و غیره هستند. بین آن‌ها، مکانیسم عملیاتی فنری با مزایای حجم کوچک، جریان بسته کوچک و قابلیت اطمینان بالا، در حال حاضر در تجهیزات تغییر دهنده با ولتاژهای مختلف به طور گسترده استفاده می‌شود.

عملکرد و اصل دیودان خلاء

عملکرد و ویژگی‌ها

در شرایط عملیاتی معمول، دیودان خلاء که در محدوده پارامترهای فنی قرار دارد می‌تواند عملکرد ایمن و قابل اعتماد خود را در شبکه برق با ولتاژ متناظر تضمین کند. عمر مکانیکی دیودان خلاء حدود ۲۰,۰۰۰ بار است و تعداد قطع جریان کامل کوتاه مدت ۵۰ بار است. می‌تواند به طور مکرر یا چندین بار جریان کوتاه مدت را در محدوده جریان کاری قطع کند. دیودان‌های خلاء ولتاژ بالا مزایای قابلیت اطمینان بالا، عملکرد تمام‌فصل، بدون نیاز به نگهداری، قابلیت‌های کامل، تعویض‌پذیری خوب و انعطاف‌پذیری قوی را دارا هستند و می‌توانند به عملیات بازبسته با ویژگی‌های مختلف استفاده شوند. دیودان‌های خلاء از سیلندر عایق بندی عمودی و ساختار عایق بندی جامد - ستون‌های جامد محکم استفاده می‌کنند که می‌توانند تأثیر محیط‌های خاص مختلف را مقاومت کنند و بدون نیاز به نگهداری هستند. همچنین دیودان‌های خلاء روش‌های استفاده متعددی دارند که می‌توانند به طور ثابت نصب شوند، به صورت قابل خروج استفاده شوند یا روی قاب نصب شوند.

معرفی اصل

وقتی تماس‌های متحرک و ثابت دیودان خلاء در حالت شارژ باز می‌شوند، قوس خلاء بین تماس‌ها ایجاد می‌شود. قوس دما سطح تماس‌ها را افزایش می‌دهد و باعث ظهور بخار فلزی روی سطح تماس می‌شود. بر اساس شکل خاص تماس‌ها، وقتی جریان عبور می‌کند، تحت تأثیر میدان مغناطیسی ایجاد شده، قوس به سرعت در جهت مماس سطح تماس حرکت می‌کند. بخار فلزی و ذرات باردار در ستون قوس به طور مداوم به بیرون پخش می‌شوند و چگالی بخار فلزی و ذرات باردار به طور مداوم کاهش می‌یابد. وقتی قوس به طور طبیعی از صفر عبور می‌کند، ماده بین تماس‌ها به سرعت از رسانا به عایق باز می‌گردد، جریان قطع می‌شود و قوس خاموش می‌شود.

خلاصه و تحلیل دلایل خرابی

تحلیل وضعیتی که دیودان خلاء به دلیل عملیات مکرر نمی‌تواند باز شود یا به طور کامل باز شود، بازرسی میدانی نشان می‌دهد که پیچ در سمت راست محور اصلی سوئیچ افتاده و فنر پرش سمت راست همراه با محور اصلی گیر کرده است. مکانیسم پرش فقط به فنر پرش سمت چپ محور اصلی متکی است، که باعث می‌شود سوئیچ به طور کامل باز نشود. اگرچه احتمال وقوع این خرابی نسبتاً کم است، اما وقوع آن می‌تواند هنوز منجر به حوادث ایمنی تولید شود. بنابراین، لازم است دلایل خرابی را تحلیل کنیم، خطرات احتمالی را حذف کنیم و تولید ایمن را تضمین کنیم.

راه‌حل و برنامه تأیید

پیچ‌هایی که فنرهای پرش در دو سمت محور اصلی سوئیچ مکانیسم دیودان IEE-Business را ثابت می‌کنند پیچ‌های عادی + واشر فنر (به شکل ۱) هستند. پس از سال‌ها عملیات مکرر سوئیچ، پیچ ثابت‌کننده فنر پرش سمت راست محور اصلی به دلیل ارتعاش افتاده و فنر پرش سمت راست نیز روی محور اصلی گیر کرده است. مکانیسم پرش فقط به فنر پرش سمت چپ محور اصلی متکی است، که باعث می‌شود سوئیچ به طور کامل باز نشود. از طریق بررسی میدانی، مشخص شد که اختلاف طول محوری حدود ۴ میلی‌متر بین محور دندانه‌دار سمت راست محور اصلی و پوشش خارجی وجود دارد و پوشش انتهایی تغییر شکل یافته و به داخل فرو رفته است (به شکل ۲). در پاسخ به این خرابی، یعنی خرابی دیودان ناشی از افتادن فنر پرش به دلیل آزاد شدن پیچ انتهای محور اصلی باز و بسته شدن، برای تأیید، یک دیودان با ساختار متناظر دوباره مونتاژ شد تا خرابی شبیه‌سازی شود:

طول محوری بین محور دندانه‌دار سمت راست محور اصلی این دیودان شبیه‌سازی شده و پوشش خارجی را تنظیم کنید تا فاصله حدود ۴ میلی‌متر ایجاد شود (به شکل ۳)، و با استفاده از کلید گشتاوری آن را با گشتاور ۴۵ Nm بسته کنید. آن را به درون کامبر مکانیکی برای مکانیکی کردن بیندازید. شماره اولیه ۲۶ بار است و پوشش انتهایی پس از بسته شدن نشانه‌ای از فرو رفتن دارد. فرآیند در شکل ۴ نشان داده شده است.

در نتیجه، وقتی گشتاور مشخص ۴۵ Nm است، حتی اگر طول محوری بین محور دندانه‌دار و محور دندانه‌دار ۴ میلی‌متر باشد و پوشش انتهایی تغییر شکل یافته و فرو رفته باشد، تا بیش از ۲,۲۰۰ عملیات خوب ثابت می‌ماند. سپس به مرحله تأیید دوم می‌رسد.

طول محوری بین محور دندانه‌دار سمت راست محور اصلی این دیودان شبیه‌سازی شده و پوشش خارجی را تنظیم کنید تا فاصله ۴ میلی‌متر ایجاد شود. با استفاده از کلید گشتاوری آن را با گشتاور ۳۵ Nm بسته کنید و از پوشش انتهایی تغییر شکل یافته و فرو رفته از مرحله ۱ استفاده کنید. آن را با خط نقش بسته کنید. آن را به درون کامبر مکانیکی برای مکانیکی کردن بیندازید. شماره اولیه ۲,۲۵۲ است. در نتیجه، وقتی گشتاور ۳۵ Nm است، حتی اگر طول محوری بین محور دندانه‌دار و محور دندانه‌دار ۴ میلی‌متر باشد و پوشش انتهایی تغییر شکل یافته و فرو رفته باشد، تا بیش از ۱,۸۸۷ عملیات خوب ثابت می‌ماند. سپس به مرحله تأیید سوم می‌رسد (به شکل ۶).

طول محوری بین محور دندانه‌دار سمت راست محور اصلی این دیودان شبیه‌سازی شده و پوشش خارجی را تنظیم کنید تا فاصله ۴ میلی‌متر ایجاد شود. با استفاده از کلید گشتاوری آن را با گشتاور ۲۰ Nm بسته کنید و از پوشش انتهایی تغییر شکل یافته و فرو رفته از مرحله سوم استفاده کنید. آن را با خط نقش بسته کنید. آن را به درون کامبر مکانیکی برای مکانیکی کردن بیندازید. شماره اولیه ۴,۱۳۹ است (به شکل ۷).

در نتیجه، وقتی گشتاور ۲۰ Nm است، حتی اگر طول محوری بین محور دندانه‌دار و محور دندانه‌دار ۴ میلی‌متر باشد و پوشش انتهایی تغییر شکل یافته و فرو رفته باشد، تا بیش از ۱,۶۷۱ عملیات خوب ثابت می‌ماند. سپس به مرحله تأیید چهارم می‌رسد (به شکل ۸ و شکل ۹).

طول محوری بین محور دندانه‌دار سمت راست محور اصلی این دیودان شبیه‌سازی شده و پوشش خارجی را تنظیم کنید تا فاصله ۴ میلی‌متر ایجاد شود. با استفاده از کلید گشتاوری آن را با گشتاور ۱۰ Nm بسته کنید و از پوشش انتهایی تغییر شکل یافته و فرو رفته از مرحله چهارم استفاده کنید. آن را با خط نقش بسته کنید. آن را به درون کامبر مکانیکی برای مکانیکی کردن بیندازید. شماره اولیه ۵,۸۱۰ است (به شکل ۱۰).

در طول فرآیند آزمون، مشخص شد که وقتی شمارنده به ۵۵۱ عملیات رسید، پوشش انتهایی شروع به چرخیدن نسبتاً نسبت به موقعیت اولیه کرد (به شکل ۱۱)؛ وقتی شمارنده به ۸۲۰ عملیات رسید، پوشش انتهایی نسبت به موقعیت ۵۵۱ عملیات چرخید (به شکل ۱۲)؛ وقتی شمارنده به ۱,۱۲۲ عملیات رسید، فنر پرش به چشم بین از نظر ظاهری آزاد شده بود (به شکل ۱۳)؛ وقتی شمارنده به ۱,۲۶۱ عملیات رسید، فنر پرش افتاد (به شکل ۱۴).

خلاصه فرآیند آزمون

طراحی محور اصلی مکانیسم عملیاتی فنری IEE-Business بر اساس طراحی شرکت بلژیکی EIB است. پس از موقعیت‌یابی دقیق بازوها، پیچ‌های دو طرف به گشتاور مشخص بسته می‌شوند. واشرهای فنری (ساخته شده از فولاد فنری) برای جلوگیری از آزاد شدن از طریق اصطکاک استفاده می‌شوند. پس از مونتاژ، واشرها تخت می‌شوند و نیروی بازگشتی آن‌ها فشار و اصطکاک بین ریسه‌ها را حفظ می‌کند. این طراحی ساختار محور و اقدامات جلوگیری از آزاد شدن در آزمون‌های نوع عمر مکانیکی در مؤسسه تحقیقات برق چین (CEPRI) اثبات شد که قابل اعتماد هستند.

مسائل فرآیند اولیه محور اصلی مکانیسم IEE

در فرآیند مونتاژ اولیه، کارگران مجبور بودند سیم‌هایی با درجه‌های تحمل مختلف را تنظیم کنند تا ابعاد را متعادل کنند، که باعث عدم یکسانی کیفیت مونتاژ و دشواری در کنترل آن می‌شد. پس از مونتاژ محور اصلی دیودان، خطاهای تجمعی باعث انحراف طول محوری بین محور دندانه‌دار داخلی و پوشش خارجی شد. وقتی پیچ‌ها به گشتاور مشخص بسته می‌شدند، میانه پوشش‌های انتهایی به داخل فرو می‌رفت. چون پوشش‌های انتهایی از مواد الاستیک غیرفنری ساخته شده‌اند، پس از تغییر شکل قابلیت بازگشت ندارند. علاوه بر این، پوشش محور ممکن است به دلیل ضربه‌های حین عملیات کریپ کند، که می‌تواند به تدریج گشتاور بسته شدن پیچ‌ها را کاهش دهد (بدون تغییرات واضح در قطعات مانند پیچ‌ها و پوشش‌های انتهایی تا زمانی که گشتاور به طور قابل توجهی کاهش یابد). نگهداری معمولی نیز با استفاده از کلیدهای معمولی دشواری در اعمال گشتاور کافی دارد. در نهایت، وقتی گشتاور به زیر ۱۰ Nm می‌رسد، پوشش‌های انتهایی شروع به آزاد شدن سریع می‌کنند، که تأثیر جلوگیری از آزاد شدن واشرهای فنری را نابود می‌کند.

فرآیند بهبود یافته

برای حذف کاهش گشتاور ناشی از فرو رفتن پوشش انتهایی، فرآیند به صورت زیر تنظیم شد: پس از مونتاژ کلی، لایه‌های تنظیمی به طور یکنواخت اضافه می‌شوند تا متعادل شوند. لایه‌های ضدآزاد شدن روی پیچ‌ها اعمال می‌شوند و سپس با استفاده از کلید گشتاوری به گشتاور ۴۵ Nm بسته می‌شوند. با نصب لایه‌های تنظیمی، فضایی برای فرو رفتن پوشش‌های انتهایی وجود ندارد. پوشش‌های انتهایی به دلیل تغییر شکل پلاستیکی گشتاور بسته شدن را به تدریج کاهش نمی‌دهند، که اطمینان می‌دهد دیودان طی عمر مفید خود به طور پایدار و قابل اعتماد کار کند.

اقدامات اصلاحی

برای دیودان با این خرابی، مانند شکل ۱۵، لایه‌های تنظیمی نصب کنید. پس از هم‌ترازی سطح انتهای محور اصلی داخلی با پوشش خارجی، آن را با پیچ‌ها ببندید. لایه‌های ضدآزاد شدن را روی پیچ‌ها اعمال کنید و با استفاده از کلید گشتاوری آن‌ها را به گشتاور ۴۵ Nm بسته کنید.

برای جلوگیری از وقوع این حوادث با احتمال پایین، بازرسی کاملی از دیودان‌هایی که به کار گرفته شده‌اند انجام دهید و لایه‌های تنظیمی متناسب با آن‌ها نصب کنید تا مطمئن شوید دیودان‌های به کار گرفته شده می‌توانند به طور طبیعی و قابل اعتماد کار کنند.

نتیجه‌گیری