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断路器机构弹簧的设计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,利用条件,求解出弹簧参数再结合弹簧的外表处理、强度校核、强化等因素,设计出满足要求的弹簧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分闸弹簧的作用主要有两个: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Afl分闸弹簧在开距时释放的能量为Af2那么Ac+Afl+mghFfh=l/2mv2mv=m+mdvgAf2=l/2m+md2evl/2m+md2gv又vf=vg+ve/2故ve=2vfvgz所以Af2=l/2m+md2vfvg21/2m+md2gvo真空断路器vf、vg都有一定要求的m、mdh是的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Afl、Af2设计算得分闸弹簧在分闸过程中释放的能量Afl+Af2为12JZ根据机构输出转角,分闸弹簧工作时即从P1到P2弹簧变形量为27mm按大致估算E=1/2P1+P2O得P1+P2=2E/=
888.9NO根据断路器分闸到位条件P1350N那么P
2538.9N弹簧刚度P=P2Pl/
7.0o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=4dG/832Dn式中d为簧丝直径D2为弹簧中径n为有效圈数G为弹簧切变模量G=80000-83000MPae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预的外径Dl=38mmz那么中径D2=Dld=3135mmd估值37mm旋绕比C=D2/d一般为416常用值58设C=7那么d=
4.45mm/取d=
4.5mm很Un=4dG/832DK=
13.
6619.66圈,取n=17圈D2=33mm/那么K=
6.7N/mmo又P1=PO+KOPO为弹簧的初拉力0为弹簧P1时的变形量P0=d30/8D2k式中K4Cl/4C4+
0.615/C=L21K为弹簧的补偿系数0为弹簧的初应力,其值0=
0.
10.15lim取0=
0.13lim=
0.
131.12/2=105MPa^中为弹簧材料的抗拉强度可查表而得所以P0=94Nz0=PlP0/K=
38.8mmo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,P2lim弹簧的极限工作载荷弹簧满足使用要求
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30%~50%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、开断电流等参数可知触头弹簧的初压力为P022OON工作压力P2=3150N超行程为t=
3.5mm那么三相触头弹簧的能量为E1=3XP1XP2Xt/2=3X2200+3150X
3.5/2=28088N・mm=
28.1J三只分闸弹簧的总能量为E2=12+2X4=20J因此负载能量为E=E1+E2=
48.4J按负载能量占合闸能量的45%计,那么合闸弹簧所需能量为E合二Pl+P2XS/2/Pl+P2=10670No由于空间尺寸所限,弹簧必须按装于外径D0中57内径Dlcl20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为其中一个压簧,组合弹簧的P1和P2值之和应满足Pl+P2=10670N/且各自应满足P2Plime2组合弹簧的设计当设承受载荷较大,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以下事项1内、外弹簧的强度要接近相等,经推算有以下关系:dl/d2=Dl/D2=Pnl/Pn2l/2及Pn=Pnl+Pn2G一般组合弹簧的Pnl外弹簧最大工作载荷和Pn2内弹簧最大工作载荷之比为5:2O2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假设采用三弹簧组合时,那么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8=Dll-D22/2dl-d2/2^中D11为外弹簧的内径Q22为内弹簧的夕卜径,dl、d2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、外弹簧在工作中偏移3结论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,对于关键处的弹簧对断路器的性能有较大影响,对于关键处的弹簧充计时必须使弹簧的工作压力P2M80%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适宜的材料也可以提高弹簧Plim值在弹簧外表镀锌后必须进行云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即要考虑断路器机构的要求,又要考虑弹簧自身设计的一般标准,使设计出的弹簧能更好地满足断路器的使用要求。