斷路器機(jī)構(gòu)彈簧的設(shè)計(jì)

陳佳成 李妙興 趙海峰

（杭州之江開關(guān)股份有限公司，杭州 311234）

彈簧是斷路器彈簧操動機(jī)構(gòu)中應(yīng)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(jī)構(gòu)中都有使用，并且關(guān)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(shè)計(jì)不當(dāng)，將使斷路器分、合閘不到位或分、合閘速度達(dá)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(qiáng)度校核、強(qiáng)化等因素，設(shè)計(jì)出滿足要求的彈簧。

1 彈簧的設(shè)計(jì)

彈簧操動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yùn)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(yùn)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(qiáng)度校核等，設(shè)計(jì)出符合要求的彈簧。

1.1 分閘彈簧的設(shè)計(jì)

分閘彈簧的作用主要有兩個：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(shè)計(jì)分閘彈簧，分閘彈簧為圓柱螺旋拉簧，該類彈簧應(yīng)用廣泛，且彈簧工作時不需要導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)簡單。設(shè)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(dǎo)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(yùn)動形式來估算，因此，可以求得Af1、Af2，設(shè)計(jì)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(jī)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(dāng)取小值。P′＝Gd4/(8D23n)，式中，d為簧絲直徑，D2為彈簧中徑，n為有效圈數(shù)，G為彈簧切變模量（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(yùn)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(shè)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/(8D2k)，式中，K≈(4C-1)/(4C-4)+(0.615/C)＝1.21，K為彈簧的補(bǔ)償系數(shù)，τ0為彈簧的初應(yīng)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(qiáng)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(jì)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。

圖1 分閘彈簧

1.2 合閘彈簧的設(shè)計(jì)

合閘彈簧的設(shè)計(jì)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(yùn)動件重力做功、運(yùn)動件摩擦消耗的能量等，其中負(fù)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×(2 2 0 0+3 1 5 0)×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(fù)載能量為E＝E1+E2≈48.1J，按負(fù)載能量占合閘能量的45%計(jì)，則合閘彈 簧所需能量為E合＝106.7J。機(jī)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，彈簧必須按裝于外徑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(shè)計(jì)，圖2為其中一個的壓簧，組合彈簧的P1和P2值之和應(yīng)滿足P1+P2＝10670N，且各自應(yīng)滿足P2＜Plim。

圖2 合閘彈簧

2 組合彈簧的設(shè)計(jì)

當(dāng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)組合彈簧時，應(yīng)注意下列事項(xiàng)：

1）內(nèi)、外彈簧的強(qiáng)度要接近相等，經(jīng)推算有下列關(guān)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(yīng)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(yīng)大于另一個彈簧的工作極限變形量Fj，實(shí)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(yīng)相反。若采用三彈簧組合時，則應(yīng)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(guān)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(yīng)能防止內(nèi)、外彈簧在工作中的偏移。

3 結(jié)論

彈簧在斷路器機(jī)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，且關(guān)鍵處的彈簧對斷路器的性能有較大影響，對于關(guān)鍵處的彈簧，設(shè)計(jì)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(qiáng)壓等措施予以強(qiáng)化，使其的Plim提高20%左右。當(dāng)然，根據(jù)彈簧的應(yīng)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(jìn)行去氫處理，防止彈簧產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象?？傊谶M(jìn)行斷路器機(jī)構(gòu)彈簧的設(shè)計(jì)時，既要考慮斷路器機(jī)構(gòu)的要求，又要考慮彈簧自身設(shè)計(jì)的一般規(guī)范，使設(shè)計(jì)出的彈簧能更好地滿足斷路器的使用要求。

[1] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

[2] 翟文廣.彈簧技術(shù)問答[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005.