（贵州电网公司兴义册亨供电局 552200）
摘要：计量是电能交易的基础，在电力市场中发挥着关键的作用。然而早期计量箱设计上存在明显缺陷，箱门把手和门锁装置尤其易于损坏，以致小动物进入和受到风雨侵蚀，造成箱内设备损坏。目前的解决方法既不可靠，也增加了运维人员的维护难度，因此本文提出一种计量箱门锁损坏修复自动回旋装置，可以解决老式计量箱门锁损坏后难以密闭的问题，能防止箱内设备损坏。
关键词：电力计量箱；箱门；自动回旋；气弹簧
计量装置在电能贸易结算中不可或缺，其完好程度直接影响计量的准确性和可靠性。然而早期计量箱使用多年，存在破损、锈蚀等问题，尤其箱门把手和门锁装置损坏后不易修复。对于老式计量箱存在的问题，可采取重新设计更换的做法[1]，也可研制专用锁封装置[2]。其实，还有一种简便易行的方法是研究一种自动回旋装置。因为杆上计量箱对操作的便捷性要求较高，每次维护检查都需使用绝缘梯攀爬多有不便，若是使用绝缘杆即能打开、关锁和检测箱内设备则方便很多，因此本文提出了一种计量箱门锁损坏修复自动回旋装置。
1 老式计量箱使用现状与存在的问题
1.1 老式计量箱使用现状
现有老式计量箱主要是一、二期农网的产物，存在设备技术含量低、选材运用不合理、施工工艺质量差等不足，箱门锁不少已损坏、变形，每次检查维护完以铝线缠绕临时固定，箱门密封效果很差，如图1所示。
图1 老式计量箱使用现状
1.2 老式计量箱存在问题
由于箱门密封不严，小动物很容易进入箱内，破坏电气设备，甚至造成绝缘短路；其次，空开表计长期外露，雨水容易进入箱内，并造成设备短路损坏、端子排锈蚀、门体变形等后果。
2 计量箱门锁损坏修复自动回旋装置的研制
2.1 箱门自动回复方法选择
根据生活经验，想让门自动关上，可以在门上装上橡皮筋或拉伸弹簧，这样开门后在弹力作用下就能自动回复。但这样做的缺点也很明显，要维持打开状态必须用东西撑住，而且关门时冲击较大，容易损坏门。有没有一种克服这些缺点，既能保证开、关方便，又没有很大冲击的的装置呢？有打开汽车尾门或后备箱经验的人都知道，尾门开启很轻松，打开后能在开启的状态稳定住，关门也很容易，能产生这样效果的装置就是气弹簧。其实，气弹簧不仅用在汽车尾门或后备箱、引擎箱盖上，在广告灯箱、家具、医疗器械、集装箱等很多场合都有应用。而且现在生产气弹簧的厂家众多，1只普通型式的小规格气弹簧只需十几元到几十元费用。因此，选用气弹簧作为计量箱门锁损坏修复自动回旋装置是一个不错的想法。
2.2 气弹簧工作原理
根据《压缩气弹簧技术条件》（GB 25751-2010）的定义，气弹簧是指由密闭缸筒及与可在缸筒内滑动的活塞杆组件构成，在缸筒内填充以氮气或其他惰性气体作为储能介质的弹性元件。图2为气弹簧外观结构。
图2 气弹簧构造
仅从外观上看，气弹簧就像一个小型气缸，其内部还有密封/导向组件、高压气体、液压油、压力管、活塞系统、无杆腔等部件或构造[3]。压力管为密闭腔体，内部充气压力达外界大气压的数倍至数十倍。之所以使用氮气，因为氮气具有较为理想的非线性弹性特征，能让气弹簧在启闭行程中保持平稳状态，减震效果好，噪音低，而且可以提供比较精确的支撑力。活塞将缸筒内部空间分为有杆腔和无杆腔两部分，两侧截面积不同，对活塞产生的压力有差异，由此推动活塞杆运动。如图3所示，F为气弹簧弹力，F1和F2分别为无杆腔与有杆腔的压强，S1和S2分别为无杆腔与有杆腔的截面积，P为氮气压强，根据力平衡关系有式（1）[4]：
图3 气弹簧力学平衡示意图
根据式（1）不难理解：在气弹簧压缩阶段，随着活塞杆的缩进，无杆腔的容积变小，压强P必然变大，相应地气弹簧弹力F也变大；而在气弹簧伸展阶段，随着活塞杆的伸出，无杆腔的容积变大，压强P必然变小，相应地气弹簧弹力F也随之变小。
液压油主要起润滑与阻尼作用，同时与高压气体一起构成气-液混合体。在气弹簧压缩阶段，高压气体随着空间压缩、压强增大而在油液中溶解量增加；而在气弹簧伸展阶段，高压气体随着空间扩张、压强减小而在油液中溶解量减小。为了产生阻尼作用，在活塞上设有小孔或沿缸筒上布置一道凸起的槽。有孔时能让高压气体在孔内流通，阻尼作用恒定；无孔时油液进入无杆腔较少，阻尼作用大小是变化的。
图4是气弹簧压缩和伸展过程的力（F）-位移（S）特性曲线。图中F0为气弹簧处于完全伸展状态时的启动力；F1、F2为气弹簧伸展过程中的最小拉伸力和最大拉伸力；F3、F4为气弹簧压缩过程中的最大压缩力和最小压缩力；C为气弹簧检测时，F1～F4力值的采集位置；S为气弹簧行程。通常，S≤80mm时，C=5mm；S>80mm，C=10mm。可见，气弹簧在整个运动行程中力-位移曲线斜率很小，力值变化不大，而机械弹簧的力-位移曲线斜率要大得多，相应地操作平稳性与舒适性也差很多。
图4 气弹簧力学特性曲线
2.3 气弹簧类型选择
按照结构与功能特点区分，气弹簧分为自由型、自锁型、平衡型、牵引型、阻尼型等多种类型[5]。
自由型气弹簧只有伸展、压缩两种状态，其在行程中不能自行停止。该型气弹簧主要用于支撑结构，并根据阻尼结构差异分为恒阻尼型和变阻尼型。
自锁型气弹簧，顾名思义在行程任意位置都能锁定，锁定的机理在于内部设置的截止阀隔断有杆腔与无杆腔。根据锁定方式，自锁型气弹簧又分为弹性锁定气弹簧、压缩刚性锁定气弹簧、拉伸刚性锁定气弹簧、压缩拉伸双向刚性锁定气弹簧等型式。该型气弹簧可以方便地调节高度、角度，操作十分灵活。
平衡型气弹簧无需额外的锁紧力，就能让气弹簧停在行程中的任意位置，这种作用主要通过内部特殊的平衡阀机制实现的，多用于需要灵活定位的医疗器械、电子产品、厨房家具等场合。
牵引型气弹簧的自由状态在最短位置，受到牵引即从最短位置向最长位置运动。根据功能需求，该型气弹簧又分为自由型、自锁型等不同型式。
阻尼型气弹簧能让阻尼力按照运动速度而调整。
对于电力计量箱来说，需要的是箱门打开和关闭两种状态，不需要在行程中停止和锁定，所以选择自由型气弹簧足以满足使用需要。
2.4 气弹簧布置形式选择
对于电力计量箱来说，气弹簧有两种布置形式：一种是活塞杆一侧固定在门上，缸筒一侧布置在箱上；另一种是活塞杆一侧固定在箱上，缸筒一侧布置在门上。由于计量箱门的开、关为水平方向，不同于汽车尾门的垂直方向，上述两种布置形式对油液在缸筒内的流动影响不大，但前一种布置形式可以在门内侧布置，对箱内空间占用较少，而后一种布置形式需在箱门口布置，对开箱操作可能有一定影响；而且从运动学角度来看，前一种布置形式在气弹簧行程范围内运动方向没变，不存在“死点”，而后一种布置形式运动方向有改变，可能有“死点”问题，如图5（图中实线为开门状态，双点划线为关门状态）所示。因此，本研究选择第一种布置形式。
2.5 气弹簧参数选择
气弹簧参数包括行程、伸展长度、最小伸展力、连接方式、安装尺寸等。
2.5.1 活塞杆行程
气弹簧的工作行程可按式（2）计算[6]：
2.5.4连接方式
气弹簧接头形式有单片、单耳、双耳、万向球头等形式，根据电力计量箱使用特点，本研究在缸筒一侧采用万向球头方式，而在活塞杆一侧采用单耳式接头，如图2所示。
2.5.5安装方式
对于老式计量箱来说，焊接是最便捷的安装方式。先将气弹簧与单耳附件用带孔销轴连接起来，然后按照图8的方法焊接到计量箱上。焊接前在箱体内部测量放出箱门与箱体两点位置，然后点焊住，试过箱门开、关顺畅，再焊牢。为避免气弹簧过热损坏，焊接应快速完成。安装尺寸如图6所示。
图8 气弹簧布置效果图 图9计量箱门锁自动回旋装置实施效果
3 计量箱门锁损坏修复自动回旋装置实施效果
3.1 气弹簧选型
气弹簧最终确定型号为YQL152-42-15-6-（45-53）N，其伸展长度为152mm，行程为42mm，缸筒外径为15mm，活塞杆直径为6mm，最小伸展力为45N～53N。该型气弹簧活塞杆表面采用QPQ处理，并应用了动静结合的检测接头密封技术和限位卡簧防脱落安全装置设计两项关键技术，能够承受50000次循环，耐受盐雾环境，在-40℃～80℃环境下正常工作，选择该型气弹簧为计量箱门锁损坏修复自动回旋装置的顺利实施打下了良好的基础。
3.2 实施效果
图9为现场试验效果图。开启箱门时，先用手打至一定程度，箱门会自动开至适宜维护检测的开度。结束工作后，随手关至一定程度，箱门自动复位。试验效果令人满意，将形成50套计量箱门锁自动回旋装置。实践表明，该计量箱门自动回旋装置能防止计量箱门长期敞开，起到防小动物进入和防雨防潮湿作用，可以避免箱内设备损坏。
3 结语
门锁看似小问题，但对电力计量箱来说却影响很大。过去箱门锁损坏后采取的临时固定方式也有苦衷，因为如果固定太结实了，下次维护检测又不方便打开了，因此研究一种开门容易、关门严实的装置就有很现实的意义。本文提出的计量箱门锁损坏修复自动回旋装置初步实施效果是令人满意的，但仍然需要长期观察，若存在不完善之处将在以后的工作中继续加以完善。
参考文献：
[1] 刘金友，陶勇，徐晃，等.一种新型杆变计量箱[J].农村电气化，2017（06）：58.
[2] 张鹏，陈有为，潘翊，等.一种电力计量柜加锁（封）装置的研制[J].山东工业技术，2017（4）：174.
[3] 刘国梁.尾门气弹簧设计与力值计算的深入研究[J].汽车实用技术，2018（14）：156-161.
[4] 袁廷辉.某微客尾门的布置设计及轻量化设计研究[D].镇江：江苏大学，2017.
[5] 姜霞.用于冲击器拆卸台的气弹簧支撑结构[J].凿岩机械气动工具，2017（3）：23-24，39.
[6] 李亮辉.浅析工程机械用气弹簧的设计选型[J].工程机械，2013，44（6）：37-39.
论文作者:王德刚
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/6
标签：气弹簧论文; 门锁论文; 装置论文; 活塞杆论文; 阻尼论文; 行程论文; 老式论文; 《电力设备》2018年第21期论文;