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斷路器機構彈簧的設計

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彈簧是 斷路器機構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 ， 結合彈簧所處的安裝空間 ， 利用現有彈簧的計算公式 ， 由已知量求解出未知量 ， 獲取滿足要求的彈簧參數 ， 最終形成彈簧的設計圖紙 。
 
彈簧是斷路器彈簧操動機構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 。
 
【斷路器機構彈簧的設計】本文從斷路器總體能量布置著手 ， 結合彈簧所處的安裝空間 ， 利用已知條件 ， 求解出彈簧參數 ， 再結合彈簧的表面處理、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 ， 確定觸頭彈簧的能量；再根據斷路器分閘時的速度、運動件質量、摩擦阻力等確定分閘彈簧的能量；最后根據合閘時速度、運動件質量、摩擦等確定合閘彈簧的能量 。
 
根據已獲知的分、合閘彈簧能量 ， 結合已知條件 ， 求解出彈簧的參數 ， 再結合彈簧的制作工藝、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 ， 結構簡單 。
 
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,觸頭彈簧釋放結束時的絕緣拉桿速度v ， 導電桿質量為md,絕緣拉桿的質量為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 ， Ff可根據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 ， 根據機構輸出轉角 ， 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 ， G－彈簧切變模量（G＝80000～83000MPa） 。 因此 ， D2值盡可能取大一些 。
 
根據空間尺寸 ， 分閘彈簧運動時不與其他零件產生干涉的外徑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 ， 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 。

斷路器機構彈簧的設計

文章插圖
 
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）所做功主要表現在超程階段 ， 根據斷路器額定電流、開斷電流等電參數 ， 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 ， 內徑D1＞φ20的范圍內 ， 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 。
斷路器機構彈簧的設計

文章插圖
 
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、外彈簧的強度要接近相等 ， 經推算有下列關系：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(內彈簧最大工作載荷)之比為5：2.
 
2）內、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 ， 實際所產生的變形差可用墊片調整 。
 
3）為保證組合彈簧工作時不相互纏繞 ， 防止內、外彈簧產生歪斜 ， 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為外彈簧的內徑 ， D22為內彈簧的外徑 ， d1、d2為外、內彈簧的簧絲直徑 。
 
5）彈簧端部的支承面結構應能防止內、外彈簧在工作中的偏移 。
 
3 結語
 
彈簧在斷路器機構中應用廣泛 ， 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 ， 防止彈簧產生氫脆現象 。 總之 ， 在進行斷路器機構彈簧的設計時 ， 既要考慮斷路器機構的要求 ， 又要考慮彈簧自身設計的一般規范 ， 使設計出的彈簧能更好地滿足斷路器的使用要求 。