断路器弹簧机构操作功强度设计

断路器弹簧机构操作功强度计算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),mi,m2,m3……1.2传动拐臂先求大小(内、外)拐臂真实质量ma,mb,以及转轴(或套)的真实质量me；求替代质量大拐臂替代质量集中于(替代到)A点后为mA1；mA1二口*1mA1二口*1mR6a3b|ab](kg) (1)式中长度单位为m,下同。小拐臂替代质量集中于B点后为mB：mB2mB2mbR> a3b2 2工[1.1口 -]/R226a+b2(kg)转轴02替代质量集中于A点后为mA2：mA2=如卜2/尺2 (kg) (2)小拐臂mB折算导A点后：(kg)(3)(kg)(3)求等效拐臂质量mA拐臂各部分的等效质量集中于A点后为mA:mA二mA1-mA2 mAB1.3机构连杆及两端接头(BD件)求连杆BD真实质量md1，两端若有接头，求其真实质量md2；求机构输出拐臂01D真实质量md3，再按(1)式将md3/替代到D

点后得替代质量md3。杆件BD的替代质量为md=md+m也+miBD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：mBmB=md/2，mD=md/2(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:O2Bma__bdO2Bma__bd 二mb'■-(O1D)2O2A)mD(O2A(kg)(5)1.4求整个开关运动系统的等效质量 Mo：Mo=mMo=m什m2+m3+ +mA+mA-BD(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=1.1MooI'■!I'■!|I1图1断路器分闸操作运动系统图(K—作直线运动的灭弧室运动件)机构操作功计算分闸时加速动能A仁12A MV2 (Nm) (7)式中，M:运动系统等效质量(kg)Vf：平均分闸速度(m/s)（2）分闸时气压缸压气消耗的功A2：先假设气缸的压力特性Pt=f（I）,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1.7Po,时喷口打开后能建立音速气吹。b） 在触头行程O.7lo时，达到最高气压2.2Pd，Io为动触头全行程。c） 在Io时气缸内有一定余气；1.1Io时压差为零。为简化计算，以？ABC代替压力特性Pt=f（I），求气压消耗能量A2:A2=^BDACS=1（2.2「1）P0S1.1I0103，（N'm） （8）22式中，P0：产品额额定SF6气压，（Mpa）S:气缸截面，（mm2）I0:压气行程，（mm）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Ic1；中间触头摩擦力P2，对应全行程I0；弧触头摩擦力Pf3，对应超行程Ic2；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：P4b=400N(经验数据)，轴密圭寸件摩擦力Pf4a(或Pf4b)对应的行程为Io：A3-Pf1!c1'Pf2I0'Pf31c2Pf4aI0(Pf4bI0)，(NTm) (9)式中，各种力的单位：N各种行程的单位：m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：A4=0.12Af，(N-m) (10)式中，Af为分闸功，(N・m)合闸加速能量A5：1A5二―mLV2，(Nm) (11)2式中，M为等效质量，(kg)Vh为平均合闸速度，(m/s)合闸缓冲器吸收能量A6,常用经验折算式估算：TOC\o"1-5"\h\zA6珂仏)2A4，(Nm) (12)Vf分闸功Af计算：Af=(AAAA/，(Nm) (13)式中，A4=0.12Af，传动效率1=0.90(考虑分闸弹簧、机构传动件能耗和开关传动件的能耗)合闸功Ah计算：式中,Ah二A3A5A6，(Nm) (14)式中,0.12Af弹簧机构应提供的分闸弹簧功为ATf>Af，机构应提供的合闸弹簧功为ATh:乩=(AfA)/L2(N-m) (15)式中，1=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「0.80。i=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PTfl，终压（拉）力为PTf2，1Arf=2（RfiPf2）",（Nm） （16）式中，PTf1=（0.4〜0.6）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PTf2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）；第二， 分簧终压（拉）力与合簧预压（拉）力的差值（厶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△P有一个最小限值△Pmin，△P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 iTh为已知（单位：m），预压（拉）力为PTh1，终压（拉）力为PTh2，合簧功应为：1AhS（Prh1Prh2）lTh，（Nm） （17）式中，PTh1=（0.6〜0.8）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，应留一定设计裕度，取ATh=1.1ATh0。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=0.4PTf2，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）Pm=PTf2（2）,（N） （18）O2A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02B承受的极限力。产品试验数据：145kVP.GCB:PTf2=29550N（三相操作力）252kVP.GCB：PTf2=29550N（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=SXsr>K・mP（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）；CS为材料塑性变形应力，（Mpa），对于确定E的金属材料零件，可取0.65r计算。（2）抗剪强度P二ss_KPm（或PTf2） （20）”2（3）螺纹抗拉强度Pa=0.75：Ld1_b_Ln」K」Fm（或PTf2） （21）式中，d1，为螺纹中径，（mm）b,螺纹宽系数，0.87t，螺距，（mm）n，螺纹圈数•，材料抗剪应力（Mpa）无缝钢管•=Q2；优质冷拉钢材•=os;铝材•=此/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；|_Pb/（D12-d；戶1] （22）式中，D2—O形圈外径，（mm）Pb—破坏水压，（Mpa）Di—管外径，（mm）di—管内径，（mm）[（n]=180Mpa真空浸渍玻璃丝管许用应力。b） 抗弯强度要求Ww>Mw/[W2] （23）式中，Ww为绝缘件的抗弯截面模量，（mm3）圆管：Ww=「：（D4-d4）/32Di圆棒：Ww=二D3/32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）[（w2]=90Mpa，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/WnV[] （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=「：（D4-d4）/16D圆棒：Wn=「：d3/16[]=90Mpa,资料无此数据。按材料强度理论，可取[•]=[0W2]。d） 在弯矩作用下的刚度要求弯曲弹性变形量f=PI3/3EI,（mm） （25）式中，P:弯曲力（N）l:弯曲力臂（mm）E=30000Mpa弹性模量JT AI=（D：-d：），管转动惯量（mm）64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：f<1im。一端固定、另一端受端子拉力的垂直状态灭弧室复合套管:TGCB及GIS出线复合套管在端子拉力下：f<3mm5mm（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Pb/二DI乞匕j] （26）式中，Pb：最大拉力负荷（N）D:管（棒）粘接面直径（mm）l:粘接面宽（mm）[对=15MPa，环氧树脂面接许用应力（破坏应力 cjb=25MPa）ob） 粘接面抗弯强度要求cW<[阀 （27）式中，（W：粘接处最大工作弯曲应力，由计算机有限元法计算[軌2]=96Mpac） 粘结面抗扭强度要求on<[] （28）式中，on：粘结面最大工作扭应力，由计算机有限元法计算[]=[W2]=90Mpa，许用扭应力参照抗弯许用应力取值（6） 环氧树脂浇注件（填充AI2O3）强度核算抗拉、抗弯、抗扭及嵌件粘接强度计算方法同（22）（23）（24）（26）（27）及（28）式，其许用应力如下：拉伸[圍=42Mpa，弯曲[w]=42Mpa，扭转[]=20Mpa，剪切[q]=23Mpa,嵌件粘接抗拉[j]=12Mpa。3.3零部件强度安全系数（1） 用材料许用应力核算的强度，其最大工作应力小于（或等于）相应的许用应力时，认为该零件的强度设计符合要求。（2）按材料的Cb（或匡）核算的零件能承受的最大工作负荷抗张Pb、抗剪Pt、螺纹抗剪PTa（参见3.2节）与产品分闸操作时所承受的最大操作力Pm（或PTf2、Pn扭力）相比，其安全系数ns和nb的定义及取值为：塑性材料（钢、铝、铜型材）ns=Pb（PtPt）/Pm>1.67脆性材料（铸钢、铸铝、铸铜）nb=Pb（PtPt）/Pm>1.678080）（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弔=100Mpa真空基准环氧玻璃布管*6=400Mpa（2） 铸铝ZL101A—T6*,6=275Mpa，导电率r=36〜40%（用于高强度、高气密性、导电壳体、或GIS内导）ZL201—T5,6=275Mpa热挤铝棒5A02,6=225Mpa2A12—T4*,6=390〜420（D>22时）Mpa，导电率r=38%（用于高强度结构零件）6063—T6*,6.2=170Mpa,r=55%（用于导电性要求高的零件）热轧铝板2A12—T4*,6=405Mpa（用于高强度结构件）3A21—0*,ob=175Mpa,r=50%（用于户外结构件及户外导电件）6A02—T6,6=295Mpa,r=55%（用作导电杆）热挤铝管2A12—T4*,6=390Mpa（用于高强度结构件）3A21—H112,6=165Mpa6063—T6*,6=205Mpa,r=55%（用于高导电性零件）冷拉铝管2A12—T4*,6=410Mpa,r38%（用于高强度结构件）5A02—0,6=225Mpa6063—T6*,6=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（6=60Mpa,r=61〜62%）（3） 铸纯铜ZT3（ZT4）*,6=167Mpa（用于高导电性零件）热轧铜板T2R（5>12ob>196Mpa冷轧铜板T2Y（5<10*,6>295Mpa圆铜棒T2Y*,6=275Mpa（W①40245Mpa（①4（〜60）,210Mpa（①6〜黄铜棒HPb59—1Y2,6=420Mpa（W①0