断路器弹簧机构操作功强度设计

1、断路器弹簧机构操作功强度计算1.先求各运动件等效质量将全部运动件质量归化于动触头。1.1作直线运动的与动触头相联的零部件（如动触头、喷嘴、热膨胀室、压气缸 及其支持架、气缸杆、绝缘操作杆及连接销等件），其等效质量就是其真实质量（kg）, m1, m2, m31.2传动拐臂（1）先求大小（内、夕卜）拐臂真实质量ma，叫，以及转轴（或套）的真实质量m ； c（2）求替代质量大拐臂替代质量集中于（替代到）A点后为mA1；m = 1.11x 3/ R 2（kg） （1）A16a + b11式中长度单位为m,下同。小拐臂替代质量集中于B点后为m :Bm = 1.1 mbR2x叱/ R 2(kg)B 6

2、a + b 2o2转轴O2替代质量集中于A点后为mA2：(2)m - 2m 2 /R 2(kg)小拐臂mB折算导A点后：m= ()2 x mAB O A B(kg) (3)（3）求等效拐臂质量mAA拐臂各部分的等效质量集中于A点后为m :Am = m + m + m1.3机构连杆及两端接头（BD件）（1）求连杆BD真实质量md1,两端若有接头，求其真实质量md2；（2） 求机构输出拐臂O1D真实质量md3,再按（1）式将md3替代到D点后得替代质量md3。（3）杆件BD的替代质量为BD杆为平面运动件，可将md的一半集中于B点，另一半集中于D点，B、D的替代质量为：m = m/2，m = m/2

3、（kg） （4）最后，按动能相等的原则（亦按B、D点速度或转动半径比的平方），将质量mB和mD折算到A点：m = m X （OB）2 + m x （OD）2（kg）a - BDB O A D O A1.4求整个开关运动系统的等效质量M : oMo=m1+m2+m3+mA+mABD（kg） （6）考虑到计算误差和可能的设计更改，计算操作功时，取运动系统等效计算质量为M=1.1Mo。k图1断路器分闸操作运动系统图（K作直线运动的灭孤室运动件）机构操作功计算（1）分闸时加速动能A1：A1 = 2 M?（Nm）（7）式中，M：运动系统等效质量（kg）七：平均分闸速度（m/s）（2）分闸时气压缸压气消耗

4、的功A2：先假设气缸的压力特性Pt=f （l）,如图2所示。按下列原则定图2压力特性曲线：a）在喷口开放时（堵塞时间td）对应的触头行程点，气缸压力为1.7P0,时喷口打开后能建立音速气吹。b）在触头行程0.7l0时，达到最高气压2.2 P0，l0为动触头全行程。c）在l0时气缸内有一定余气；1.1 l0时压差为零。为简化计算，以AABC代替压力特性Pt=f（l），求气压消耗能量（8）A2：=2BD x AC x S = 2(2.2 - 1) x P x S x 1.1 l x 10 3， (Nm)式中，P0：产品额额定SF6气压，（Mpa）S：气缸截面，（mm2）l0：压气行程，（mm）ii

5、图2压气缸压力特性设计（3）分、合闸时触头系统及动密封件摩擦消耗功A3：主触头摩擦力Pf1，对应超行程lc1；中间触头摩擦力Pf2，对应全行程l0；孤触头摩擦力Pf3，对应超行程lc2；转动密封件摩擦力（归算导绝缘操作杆下端后）为Pf4a=150N （经验数据），有些产品采用直动密封件，摩擦力较大（直动密封设置在绝缘操作杆下方）为：Pf4b=400N （经验数据），轴密封件摩擦力Pf4a （或Pf4b）对应的行程为l:A = P xl + P xl + P xl + P xl （P xl ）, （Nm） （9）3f 1 clf 2 0 f 3 c 2 f 4a 0 f 4b 0式中，各种力的单

6、位：N各种行程的单位：m（4）分闸时油缓充器吸收的能量A4：缓冲器工作时，油缸中的油经排油孔高速排泄，形成较强的油流阻尼，将 消耗一部分操作功，计算较复杂，工程设计快速计算时，常用经验数据（分闸功 的12%左右）来处理： TOC o 1-5 h z A4=0.12 Af，（Nm）（10）式中，Af为分闸功，（Nm）（5）合闸加速能量A5：A5 = 2 岭丫 ,（Nm）（11）式中，M为等效质量，（kg）Vh为平均合闸速度，（m/s）（6）合闸缓冲器吸收能量A6,常用经验折算式估算：A6 = （X）2 x A4，（Nm）（12）f（7）分闸功Af计算：A = （ A + A + A + AM，（

7、Nm）（13）式中，A4=0.12Af，传动效率11 = 0.90（考虑分闸弹簧、机构传动件能耗和 开关传动件的能耗）（8）合闸功Ah计算：A = A + A + A，（Nm）（14）h 356式中，A6 = （X）2 x0.12A f（9）弹簧机构应提供的分闸弹簧功为AT；Af，机构应提供的合闸弹簧功为ATh:A = （ A + A） 111 ,（Nm） （15）式中， 气=0.75，机构传动效率，它考虑了合（分）弹簧释放（贮能） 能量时弹簧自身要消耗的能量，hiatus考虑了合闸弹簧力通过凸轮传递时摩擦消 耗的能量。损耗多，因此传动效率较低，常取0.75.链条传动机构可取气=0.80。气=

8、0.95，开关传动装置的能耗，开关传动装置通常很简单，因此传动效 率较高。（10）分（合）闸弹簧操作功及操作力设计a）分闸弹簧设计，弹簧力释放行程lTf为已知（单位：m），预压（拉）力为 PTf1，终压（拉）力为PTf2，A = !（P + P ）xl ,（Nm）（16）Tf 2 Tf 1tf 2 Tf式中，PTf1= （0.40.6） PTf2,（N）；根据Vf值及关合可靠性要求取PTf1值。为满足Vf要求，通常希望PTf2取值大一些，PTf1取值小一些；为保持机构关合可靠（合到底），由希望？匹值小一些，而PTf1应取大。机构是否能合闸到位要之一两点：第一，足够的合闸速度Vh （关合撞击动能

9、）；第二，分簧终压（拉）力与合簧预压（拉）力的差值（左P=PTf2-PTf1）设计很重要，对于一确定的开关和机构，当Vh确定后，差值AP有一个最 小限值 Pmin，AP超过此值时，机构合不到位。按式（16）设计分簧操作功时，应使ATf=1.1Af，以留适当的设计裕度。b）合闸簧设计，合簧力释放行程lTh为已知（单位：m），预压（拉）力为 PTh1，终压（拉）力为PTh2，合簧功应为：A =!（P + P ）xl，（Nm） （17）Th 2 Th1Th 2Th式中，PTh1= （0.60.8） PTh2，（N）;为包装机构可靠合到位，希望PTh1取 值较大一些。按式（17）计算的ATh，应留一定

10、设计裕度，取ATh=1.1 ATh0O开关操作系统强度计算3.1最大工作负荷按式（16）确定了分闸簧输出的终压（拉）力PTf2,取PTf1=0.4 PTf2,使PTf2 取偏大值，以适应强度核算的需要。再将机构分簧输出力PTf2从外拐臂B点折算导内拐臂A点（亦绝缘操作杆下方）:P = P x（）, （N） （18）m Tf 2 O A冲击力Pm为作直线运动的与动触头相连的零部件分闸时承受的极限力； 冲击力PTf2为机构输出拐臂、联结杆件BD及开关外拐臂O2B承受的极限力。产品试验数据：145kV P.GCB： PTf2=29550N （三相操作力）252 kV P.GCB： PTf2=2955

11、0N （单相操作力）产品进行零部件强度核算时，将分闸操作冲击力（Pm和PTf2）作为静负荷 处理。3.2零部件强度核算（1） 抗张强度 Pb=SxosK-Pm （或 PTf2）（19）式中，S为零件最小受力截面，（mm2）；K为设计安全系数1.67 （塑性料），2.5 （脆性料）；气为材料塑性变形应力，（Mpa），对于确定气的金属材料零件，可取0.65气 计算。（2） 抗剪强度。=S x； KP （或 PTf2） （20）（3） 螺纹抗拉强度%= 0.75丸/日击pf Km （或PTf2）（21）式中，乌，为螺纹中径，（mm）b,螺纹宽系数，0.87t，螺距，（mm）n，螺纹圈数T，材料抗剪应

12、力（Mpa）无缝钢管T =。02；优质冷拉钢材T =气；铝材匚=气,2。（4）真空浸渍环氧玻璃丝管、棒的冷拉强度及钢的核算a）钢材内水分压强度要求D/ D-d ;S （22）式中，D2O形圈外径，（mm）Pb一破坏水压，（Mpa）D1管外径，（mm）d1管内径，（mm）on=180Mpa真空浸渍玻璃丝管许用应力。b）抗弯强度要求WwMw/w2（23）式中，Ww为绝缘件的抗弯截面模量，（mm3）圆管：Ww=兀（D4-d4）/32D1圆棒：w =兀D3/32 w矩形板：wwx=bh3/6, wwY=hb3/6, b为板截面长，h为板截面宽（mm）Mw为零部件承受的弯矩（N-mm）ow2=90Mpa

13、，真空浸渍环氧玻璃布管（棒）金具浇装弯曲许用应力，超过 此应力后将产生不可逆的塑性变形。c）抗扭强度要求Mn/wnt （24）式中，Mn为扭力矩（N-mm）wn为绝缘件的抗扭截面模量（mm3）圆管：wn=兀（D4-d4） /16D圆棒：wn=兀d3/16t =90Mpa，资料无此数据。按材料强度理论，可取t =ow2。d）在弯矩作用下的刚度要求弯曲弹性变形量f=Pl3/3EI，（mm） （25）式中，P：弯曲力（N）1：弯曲力臂（mm）E=30000Mpa弹性模量1= （D4 -d4），管转动惯量（mm4）6411弯曲弹性变量f值的控制：一端固定、另一端为悬臂的水平状态的灭弧室动、静触头联结筒

14、：f1mmo一端固定、另一端受端子拉力的垂直状态灭弧室复合套管：f1mmoT-GCB及GIS出线复合套管在端子拉力下：f3mm5mm。（5）真空浸渍绝缘管（棒）一金具粘接强度a）粘接面抗拉强度要求P /兀Dl 1.67（特别指出：本文件所叙述强度设计及计算不适用于GIS壳体）。3.4常用材料强度应力及选用（注“*”号，优先选有）（1）湿法缠绕环氧玻璃布管ob=100 Mpa真空基准环氧玻璃布管*ob=400 Mpa（2）铸铝 ZL101AT6*, ob=275 Mpa，导电率r=3640% （用于高强度、高 气密性、导电壳体、或GIS内导）ZL201T5, ob=275 Mpa热挤铝棒 5A0

15、2, ob=225 Mpa2A12T4*,气=390420 （D22 时）Mpa,导电率 r=38% （用 于高强度结构零件）6063T6*, o02=170Mpa, r=55% （用于导电性要求高的零件）热轧铝板2A12T4*, ob=405Mpa （用于高强度结构件）3A210*, ob=175Mpa, r=50% （用于户外结构件及户外导电件）6A02T6, ob=295Mpa, r=55% （用作导电杆）热挤铝管2A12T4*, ob=390Mpa （用于高强度结构件）3A21H112, ob=165Mpa6063T6*, ob=205Mpa, r=55% （用于高导电性零件）冷拉铝管

16、2A12T4*, ob=410Mpa, r38% （用于高强度结构件）5A020, ob=225Mpa6063T6*, ob=230Mpa, r=55% （用于高导电性零件）当零件承受机械负荷很低（不注意其强度要求）、又特别强调其导电性时可选用相应纯铝材1060 （ob=60Mpa, r=6162%）（3）铸纯铜ZT3（ZT4） *, ob=167Mpa （用于高导电性零件）热轧铜板 T2R （S12）, ob196 Mpa冷轧铜板 T2Y （防10） *, ob295Mpa圆铜棒 T2Y*, ob= 275Mpa （O40）, 245Mpa （中4060）, 210Mpa （中60 80）黄

17、铜棒 HPb591Y2, ob=420Mpa （O20）, 390Mpa （020-40）, 370Mpa（04080）冷拉铜管 T2Y*, ob=315Mpa （O100）冷拉黄铜管 H62Y2, ob=335Mpa （O120）以上纯铜板、棒、管可作为导电作用；黄铜棒、管因其导电性和强度都低 于合金铝棒、管2A12-T4，因此原则上不采用（特殊情况除外）。（4） 铸钢 ZG230450*，RZG230450*，ob=450Mpa，os=230Mpa（用于一般 结构件）ZG310570，ob=570Mpa，s=310Mpa （尺寸小强度高的特殊零件使用）冷轧钢板08F（84），os=175Mpa（用于一般薄壁结构件）不锈钢板1Cr18Ni9Ti（84），s=205Mpa （用于户外一般