斷路器機構彈簧的設計

陳佳成 李妙興 趙海峰

（杭州之江開關股份有限公司，杭州 311234）

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。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為簧絲直徑，D2為彈簧中徑，n為有效圈數，G為彈簧切變模量（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/(8D2k)，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。

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×(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，彈簧必須按裝于外徑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。

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 結論

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。

[1] 成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2010.

[2] 翟文廣.彈簧技術問答[M].北京:國防工業出版社,2005.