断路器机构弹簧的设计

电工入门 2年前 (2022) aysz01
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弹簧是 断路器机构中应用很广泛的一种零件,且关键处的弹簧对断路器的性能有很大影响。作者从能量的角度着手,结合弹簧所处的安装空间,利用现有弹簧的计算公式,由已知量求解出未知量,获取满足要求的弹簧参数,最终形成弹簧的设计图纸。

 

弹簧是断路器弹簧操动机构中应用很广泛的一种零件,各类弹簧如:圆柱或蜗卷螺旋弹簧、碟形弹簧、片弹簧和扭簧在机构中都有使用,并且关键处的弹簧对断路器性能有较大影响,如分闸弹簧和合闸弹簧设计不当,将使断路器分、合闸不到位或分、合闸速度达不到要求。

 

本文从断路器总体能量布置着手,结合弹簧所处的安装空间,利用已知条件,求解出弹簧参数,再结合弹簧的表面处理、强度校核、强化等因素,设计出满足要求的弹簧。

 

1 弹簧的设计

 

弹簧操动机构设计时,第一步就是要弄清楚断路器总体能量布置,即通过断路器的额定电流、额定电压等电参数,确定触头弹簧的能量;再根据断路器分闸时的速度、运动件质量、摩擦阻力等确定分闸弹簧的能量;最后根据合闸时速度、运动件质量、摩擦等确定合闸弹簧的能量。

 

根据已获知的分、合闸弹簧能量,结合已知条件,求解出弹簧的参数,再结合弹簧的制作工艺、强度校核等,设计出符合要求的弹簧。

 

1.1 分闸弹簧的设计

 

分闸弹簧的作用主要有二个:一是满足断路器分闸速度的要求,二是确保断路器分闸到位;前者为拉断电弧的需要,后者为保证动、静触头分闸后有足够的开距。

 

下面以 真空断路器为例来设计分闸弹簧,分闸弹簧为圆柱螺旋拉簧,该类弹簧应用广泛,且弹簧工作时不需要导向,结构简单。

 

设真空断路器平均分闸速度vf,刚分速度为vg,分闸止动时的速度为ve,触头弹簧释放结束时的绝缘拉杆速度v,导电杆质量为md,绝缘拉杆的质量为m,摩擦力为Ff,超行程h,触头弹簧所需能量为Ac,分闸弹簧在超行程中释放能量为Af1,分闸弹簧在开距时释放的能量为Af2,Ac+Af1+mgh-Ffh=1/2mv2,mv=(m+md)vgAf2=1/2(m+md)ve2-1/2(m+md)vg2,又vf=(vg+ve)/2,ve=2vf-vg,所以Af2=1/2(m+md)(2vf-vg)2-1/2(m+md)vg2

 

真空断路器vfvg都有一定要求的,mmdh是已知的,Ac可事先求得,Ff可根据零件的运动形式来估算,因此,可以求得Af1Af2,设计算得分闸弹簧在分闸过程中释放的能量(Af1+Af2)为12J,根据机构输出转角,分闸弹簧工作时(即从P1P2)弹簧变形量为λ≈27mm,按大致估算E1/2P1+P2*λ。得P1+P22E/λ=888.9N

 

根据断路器分闸到位条件,P1350N,则P2538.9N。弹簧刚度P’=(P2-P1/λ≤7.0。为了使断路器合闸顺利,一般要求分闸弹簧P2值不要太大,即弹簧刚度P’适当取小值。P’=Gd4/(8D23n),式中d-簧丝直径,D2-弹簧中径,n-有效圈数,G-弹簧切变模量(G8000083000MPa)。因此,D2值尽可能取大一些。

 

根据空间尺寸,分闸弹簧运动时不与其他零件产生干涉的外径D138mm,则中径D2D1d3135mmd估值37mm),旋绕比CD2 /d,一般为416,常用值58,设C7,则d=4.45mm,取d4.5mm,则nGd4/(8D23K)13.6619.66圈,取n=17圈,D233mm,则K6.7N/mm。又P1P0+Kλ0P0为弹簧的初拉力,λ0为弹簧P1时的变形量。

 

P0=πd3τ0/(8 D2k),式中,K≈(4C-1/4C-4+0.615/C)=1.21K为弹簧的补偿系数,τ0为弹簧的初应力,其值τ0=(0.10.15)τlim,取τ00.13τlim0.13*1.12*σ/2105MPa,式中σ为弹簧材料的抗拉强度,可查表而得。

 

所以P094N,λ0=(P1-P0/K38.8mm。结合弹簧装配后的尺寸,计算得弹簧两端钩子的尺寸,即可形成最终的弹簧图纸,如图1所示。经校核,P2Plim(弹簧的极限工作载荷),弹簧满足使用要求。

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1 分闸弹簧

 

1.2 合闸弹簧的设计

 

合闸弹簧的设计也须从能量着手,合闸弹簧的能量主要分配给触头弹簧、分闸弹簧、合闸时电动力做功、运动件重力做功、运动件摩擦消耗的能量等,其中负载能量一般占合闸能量的3050%,由于触头弹簧和分闸弹簧能量已求得,可粗略地估算出合闸弹簧的能量。

 

仍以真空断路器为例,触头弹簧(碟形弹簧)所做功主要表现在超程阶段,根据断路器额定电流、开断电流等电参数,可知触头弹簧的初压力为P12200N,工作压力P23150N,超行程为t=3.5mm,则三相触头弹簧的能量为E13*P1+P2*t/23*2200+3150*3.5/228088N.mm28.1J,三只分闸弹簧的总能量为E212+2*420J,因此,负载能量为EE1+E248.1J,按负载能量占合闸能量的45%计,则合闸弹簧所需能量为E合=106.7J

 

机构合闸弹簧做功的行程为S20mm,则E合=(P1+P2*S/2P1+P210670N。由于空间尺寸所限,弹簧必须安装于外径D0<φ57,内径D1>φ20的范围内,单个弹簧较难满足上述要求,因此采用组合弹簧的方式设计,图2为其中一个的压簧,组合弹簧的P1P2值之和应满足P1+P210670N,且各自应满足P2Plim

断路器机构弹簧的设计 

2 合闸弹簧

 

2 组合弹簧的设计

 

当设计承受载荷较大,且安装空间受限时的圆柱螺旋压缩弹簧,可采用组合弹簧。这种弹簧钢丝直径较小,制造也方便。设计组合弹簧时,应注意下列事项:

 

1)内、外弹簧的强度要接近相等,经推算有下列关系:d1/d2=D1/D2=(Pn1/Pn21/2Pn=Pn1+Pn2,G一般组合弹簧的Pn1(外弹簧最大工作载荷)Pn2(内弹簧最大工作载荷)之比为52.

 

2)内、外弹簧的变形量应接近相等,其中一个弹簧在最大工作载荷下的变形量Fn不应大于另一个弹簧的工作极限变形量Fj,实际所产生的变形差可用垫片调整。

 

3)为保证组合弹簧工作时不相互缠绕,防止内、外弹簧产生歪斜,两弹簧的旋向应相反。若采用三弹簧组合时,则应保证中间弹簧与外、内弹簧的旋向相反。

 

4)组合弹簧的径向间隙δ要满足下列关系:δ=(D11-D22/2(d1-d2)/2,式中D11为外弹簧的内径,D22为内弹簧的外径,d1d2为外、内弹簧的簧丝直径。

 

5)弹簧端部的支承面结构应能防止内、外弹簧在工作中的偏移。

 

3 结语

 

弹簧在断路器机构中应用广泛,且关键处的弹簧对断路器的性能有较大影响,对于关键处的弹簧,设计时必须使弹簧的工作压力P280%Plim,确保弹簧工作时不因疲劳而产生塑性变形。此外,弹簧可以通过喷丸、强压等措施予以强化,使其的Plim提高20%左右。

 

当然,根据弹簧的应用场合不同,采用合适的材料也可提高弹簧Plim值。在弹簧表面镀锌后,必须进行去氢处理,防止弹簧产生氢脆现象。总之,在进行断路器机构弹簧的设计时,既要考虑断路器机构的要求,又要考虑弹簧自身设计的一般规范,使设计出的弹簧能更好地满足断路器的使用要求。

版权声明:aysz01 发表于 2022-08-06 10:10:36。
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