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  • 頭條斷路器機構(gòu)彈簧的設計
    2021-09-14 作者:陳佳成 李妙興 等  |  來源:《電氣技術》  |  點擊率:
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    導語彈簧是斷路器機構(gòu)中應用很廣泛的一種零件,且關鍵處的彈簧對斷路器的性能有很大影響。作者從能量的角度著手,結(jié)合彈簧所處的安裝空間,利用現(xiàn)有彈簧的計算公式,由已知量求解出未知量,獲取滿足要求的彈簧參數(shù),最終形成彈簧的設計圖紙。

    彈簧是斷路器彈簧操動機構(gòu)中應用很廣泛的一種零件,各類彈簧如:圓柱或蝸卷螺旋彈簧、碟形彈簧、片彈簧和扭簧在機構(gòu)中都有使用,并且關鍵處的彈簧對斷路器性能有較大影響,如分閘彈簧和合閘彈簧設計不當,將使斷路器分、合閘不到位或分、合閘速度達不到要求。

    本文從斷路器總體能量布置著手,結(jié)合彈簧所處的安裝空間,利用已知條件,求解出彈簧參數(shù),再結(jié)合彈簧的表面處理、強度校核、強化等因素,設計出滿足要求的彈簧。

    1 彈簧的設計

    彈簧操動機構(gòu)設計時,第一步就是要弄清楚斷路器總體能量布置,即通過斷路器的額定電流、額定電壓等電參數(shù),確定觸頭彈簧的能量;再根據(jù)斷路器分閘時的速度、運動件質(zhì)量、摩擦阻力等確定分閘彈簧的能量;最后根據(jù)合閘時速度、運動件質(zhì)量、摩擦等確定合閘彈簧的能量。

    根據(jù)已獲知的分、合閘彈簧能量,結(jié)合已知條件,求解出彈簧的參數(shù),再結(jié)合彈簧的制作工藝、強度校核等,設計出符合要求的彈簧。

    1.1 分閘彈簧的設計

    分閘彈簧的作用主要有二個:一是滿足斷路器分閘速度的要求,二是確保斷路器分閘到位;前者為拉斷電弧的需要,后者為保證動、靜觸頭分閘后有足夠的開距。

    下面以真空斷路器為例來設計分閘彈簧,分閘彈簧為圓柱螺旋拉簧,該類彈簧應用廣泛,且彈簧工作時不需要導向,結(jié)構(gòu)簡單。

    設真空斷路器平均分閘速度vf,剛分速度為vg,分閘止動時的速度為ve,觸頭彈簧釋放結(jié)束時的絕緣拉桿速度v,導電桿質(zhì)量為md,絕緣拉桿的質(zhì)量為m,摩擦力為Ff,超行程h,觸頭彈簧所需能量為Ac,分閘彈簧在超行程中釋放能量為Af1,分閘彈簧在開距時釋放的能量為Af2,則Ac+Af1+mgh-Ffh=1/2mv2,mv=(m+md)vg,Af2=1/2(m+md)ve2-1/2(m+md)vg2,又vf=(vg+ve)/2,故ve=2vf-vg,所以Af2=1/2(m+md)(2vf-vg)2-1/2(m+md)vg2。

    真空斷路器vf、vg都有一定要求的,m、md,h是已知的,Ac可事先求得,F(xiàn)f可根據(jù)零件的運動形式來估算,因此,可以求得Af1、Af2,設計算得分閘彈簧在分閘過程中釋放的能量(Af1+Af2)為12J,根據(jù)機構(gòu)輸出轉(zhuǎn)角,分閘彈簧工作時(即從P1到P2)彈簧變形量為λ≈27mm,按大致估算E=1/2(P1+P2)*λ。得P1+P2=2E/λ=888.9N。

    根據(jù)斷路器分閘到位條件,P1≥350N,則P2≤538.9N。彈簧剛度P’=(P2-P1)/λ≤7.0。為了使斷路器合閘順利,一般要求分閘彈簧P2值不要太大,即彈簧剛度P’適當取小值。P’=Gd4/(8D23n),式中d-簧絲直徑,D2-彈簧中徑,n-有效圈數(shù),G-彈簧切變模量(G=80000~83000MPa)。因此,D2值盡可能取大一些。

    根據(jù)空間尺寸,分閘彈簧運動時不與其他零件產(chǎn)生干涉的外徑D1=38mm,則中徑D2=D1-d=31~35mm(d估值3~7mm),旋繞比C=D2 /d,一般為4~16,常用值5~8,設C=7,則d=4.4~5mm,取d=4.5mm,則n=Gd4/(8D23K)=13.66~19.66圈,取n=17圈,D2=33mm,則K=6.7N/mm。又P1=P0+Kλ0,P0為彈簧的初拉力,λ0為彈簧P1時的變形量。

    P0=πd3τ0/(8 D2k),式中,K≈(4C-1)/(4C-4)+(0.615/C)=1.21,K為彈簧的補償系數(shù),τ0為彈簧的初應力,其值τ0=(0.1~0.15)τlim,取τ0=0.13τlim=0.13*1.12*σ/2=105MPa,式中σ為彈簧材料的抗拉強度,可查表而得。

    所以P0=94N,λ0=(P1-P0)/K=38.8mm。結(jié)合彈簧裝配后的尺寸,計算得彈簧兩端鉤子的尺寸,即可形成最終的彈簧圖紙,如圖1所示。經(jīng)校核,P2<Plim(彈簧的極限工作載荷),彈簧滿足使用要求。

    斷路器機構(gòu)彈簧的設計

    圖1 分閘彈簧

    1.2 合閘彈簧的設計

    合閘彈簧的設計也須從能量著手,合閘彈簧的能量主要分配給觸頭彈簧、分閘彈簧、合閘時電動力做功、運動件重力做功、運動件摩擦消耗的能量等,其中負載能量一般占合閘能量的30~50%,由于觸頭彈簧和分閘彈簧能量已求得,可粗略地估算出合閘彈簧的能量。

    仍以真空斷路器為例,觸頭彈簧(碟形彈簧)所做功主要表現(xiàn)在超程階段,根據(jù)斷路器額定電流、開斷電流等電參數(shù),可知觸頭彈簧的初壓力為P1=2200N,工作壓力P2=3150N,超行程為t=3.5mm,則三相觸頭彈簧的能量為E1=3*(P1+P2)*t/2=3*(2200+3150)*3.5/2=28088N.mm≈28.1J,三只分閘彈簧的總能量為E2=12+2*4=20J,因此,負載能量為E=E1+E2≈48.1J,按負載能量占合閘能量的45%計,則合閘彈簧所需能量為E合=106.7J。

    機構(gòu)合閘彈簧做功的行程為S=20mm,則E合=(P1+P2)*S/2,P1+P2=10670N。由于空間尺寸所限,彈簧必須安裝于外徑D0<φ57,內(nèi)徑D1>φ20的范圍內(nèi),單個彈簧較難滿足上述要求,因此采用組合彈簧的方式設計,圖2為其中一個的壓簧,組合彈簧的P1和P2值之和應滿足P1+P2=10670N,且各自應滿足P2<Plim。

    斷路器機構(gòu)彈簧的設計

    圖2 合閘彈簧

    2 組合彈簧的設計

    當設計承受載荷較大,且安裝空間受限時的圓柱螺旋壓縮彈簧,可采用組合彈簧。這種彈簧鋼絲直徑較小,制造也方便。設計組合彈簧時,應注意下列事項:

    1)內(nèi)、外彈簧的強度要接近相等,經(jīng)推算有下列關系:d1/d2=D1/D2=(Pn1/Pn2)1/2及Pn=Pn1+Pn2,G一般組合彈簧的Pn1(外彈簧最大工作載荷)和Pn2(內(nèi)彈簧最大工作載荷)之比為5:2.

    2)內(nèi)、外彈簧的變形量應接近相等,其中一個彈簧在最大工作載荷下的變形量Fn不應大于另一個彈簧的工作極限變形量Fj,實際所產(chǎn)生的變形差可用墊片調(diào)整。

    3)為保證組合彈簧工作時不相互纏繞,防止內(nèi)、外彈簧產(chǎn)生歪斜,兩彈簧的旋向應相反。若采用三彈簧組合時,則應保證中間彈簧與外、內(nèi)彈簧的旋向相反。

    4)組合彈簧的徑向間隙δ要滿足下列關系:δ=(D11-D22)/2≥(d1-d2)/2,式中D11為外彈簧的內(nèi)徑,D22為內(nèi)彈簧的外徑,d1、d2為外、內(nèi)彈簧的簧絲直徑。

    5)彈簧端部的支承面結(jié)構(gòu)應能防止內(nèi)、外彈簧在工作中的偏移。

    3 結(jié)語

    彈簧在斷路器機構(gòu)中應用廣泛,且關鍵處的彈簧對斷路器的性能有較大影響,對于關鍵處的彈簧,設計時必須使彈簧的工作壓力P2≤80%Plim,確保彈簧工作時不因疲勞而產(chǎn)生塑性變形。此外,彈簧可以通過噴丸、強壓等措施予以強化,使其的Plim提高20%左右。

    當然,根據(jù)彈簧的應用場合不同,采用合適的材料也可提高彈簧Plim值。在彈簧表面鍍鋅后,必須進行去氫處理,防止彈簧產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象。總之,在進行斷路器機構(gòu)彈簧的設計時,既要考慮斷路器機構(gòu)的要求,又要考慮彈簧自身設計的一般規(guī)范,使設計出的彈簧能更好地滿足斷路器的使用要求。

    本文編自《電氣技術》,標題為“斷路器機構(gòu)彈簧的設計”,作者為陳佳成、李妙興 等。

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