滅弧室減重提高機構速度設計

許寶波 劉繼勇 周浩

（1.山東泰開高壓開關有限公司 2.國網濟南供電公司愛普公司 3.國網西安供電公司）

0 引言

斷路器進行開斷試驗，主要就是考察斷路器在故障條件下的關合和開斷能力。要使斷路器具備這個能力，就要有一個可靠的滅弧室，所以大家最關注的就是優化設計氣缸、主觸頭、弧觸頭、噴口等。其實，在設計滅弧室的過程中，選擇機構的配合速度也是非常重要的。一般來說，機構應該具有較快的分、合閘速度。為了達到這個速度，普遍的做法就是加大機構的操作功，對液壓彈簧機構來說，方法就是加大碟簧的外徑，增大其壓縮能力。此方法是很好的，但是需要多次試驗，會增加成本。

在做斷路器測速試驗時，最先采用的是HMB-8.7型機構，由于速度偏低，后采用HMB-8.12型機構，其分閘操作功達到12000J，速度變快。但是為了增大安全系數，給機構留有更大的余量，再通過其他辦法提高一定的速度也不失為一個好方法。于是，想到通過減輕重量提高速度。這個辦法很直接，也可以節約時間和成本。

1 方法和原理

根據斷路器觸頭運動速度的公式：

式中，m為運動物體的質量；η為機械效率；W為操作力所作的功；WZ為阻力消耗的功。

由式（1）可知：要提高速度V，可通過增大η和W，減小m和WZ的方法來實現。

機械效率η與各軸銷處的摩擦影響有關，與各零部件的結構、尺寸和所處的位置關系有關，一般情況下η=0.7～0.9，所以η相當于一個常數。

增大操作力所作的功W，就是上面提到的加大機構的操作功。減小m，就是減小運動物體的質量。減小阻力消耗的功WZ，就要減小阻力FZ，阻力FZ包括運動零部件間的摩擦力Fm及其重力Fg等，也就是說減小質量m也能減小阻力消耗的功WZ。

因此，通過減輕重量提高速度的方法是完全可行的。

2 計算分析

首先應該計算運動物體的質量，但是滅弧室中運動部分的零件很多（如圖1所示），運動方式各不相同：動觸頭部分做直線運動，拐臂繞O點做旋轉運動，連板和傳動部分做平面平行運動（既平移又旋轉）。

圖1 滅弧室中運動部件圖

所以，為使計算運動物體的質量條理化，可采用歸劃質量（又名等效質量）法[1]折算。

2.1 原來的歸劃質量計算

（1）將每個零件的質量集中到A、B、C三個點上，計算零件的替代質量

1）做直線運動的動觸頭部分（包括噴口、氣缸、動觸頭、動弧觸頭、動主觸頭等）在A點替代質量為各零件真實質量的和，即：

2）做平面平行運動的連板（質量為3.5 kg），根據能量守恒原理，按照質量不變、重心位置不變和對重心的轉動慣量不變的原則，近似量化為在A點、B點替代質量相等，即：

3）做旋轉運動的拐臂（見圖2，質量19.5kg）同時作用于B點和C點，因此需將拐臂近似等效為兩部分，分別替代到B點（見圖3右，質量11kg）和C點（見圖3左，質量8.5kg）。

圖2 拐臂圖

圖3 拐臂等效圖

先分析B點：圍繞固定軸轉動的零部件一般將替代質量集中到傳動軸銷處（小孔軸銷處，不是花鍵轉軸處），根據轉動慣量守恒法則[2]，計算替代質量：

式中，JB為拐臂OB對轉軸的轉動慣量；L為OB之間的距離）

轉動慣量JB與零件的幾何形狀和質量分布有關，拐臂可以簡化成圖4的形狀，再用如下公式計算轉動慣量。

圖4 拐臂簡化圖

轉動慣量計算公式：

式中，m拐臂為拐臂的質量，kg；L，a，b為拐臂的尺寸，mm。

B點拐臂尺寸如圖5所示。

圖5 B點拐臂圖

那么，拐臂在B點替代質量：

同理計算得出：拐臂在C點替代質量：

4）做直線和平面平行運動的傳動部分（包括絕緣拉桿、導向桿、活塞桿等）在C點替代質量為各零件質量的和，即：

（2）將替代質量集中為節點質量

A節點質量：

B節點質量：

C節點質量：

（3）節點質量歸劃到動觸頭上的質量

通過以上可知質量已經集中到節點，帶入各節點速度，那么整體動能為：

式中，mA+mB（VB／VA）2+mC（VC／VA）2即為歸劃質量m，要計算m，就要先計算速度比。

1）B、C點繞O點轉動，其速度比等于旋轉半徑比，即

2）A、B點速度比用圖解法[3]計算（見圖6）。

圖6 圖解法示意

速度比等于長度比：

3）規劃質量即為：

2.2 減重設計

思路是：先減單純傳動件（不影響導電和開斷的部分），再減導體的重量。又分為可以更改形狀、尺寸的和可以更改材料的。具體更改次序如下：

（1）更改接頭

接頭為傳動件，端部為方形（見圖7左），改為圓弧形（見圖7右）。更改前后重量相差0.1kg。

圖7 接頭

（2）更改拐臂

拐臂為傳動件，厚度尺寸較大，可以減薄。更改前（見圖8）后（見圖9）重量相差1.8kg。

圖8 拐臂更改前

圖9 拐臂更改后

（3）更改連板

連板為傳動件，原為45#鋼板（屈服強度355MPa，抗拉強度600MPa）焊接而成（見圖10），擬改為φ80/2A12-T4鋁棒（屈服強度389MPa，抗拉強度498MPa）加工（見圖11），更改前后重量相差2.2kg。

圖10 鋼板焊接的連板

圖11 鋁棒加工的連板

更改前后強度方面沒什么問題，只不過更改后的零件硬度降低，零件之間的磨損可能會增大，考慮到試驗時分合次數較少，應該不會有問題（摸底試驗證明磨損很輕微）。

具體進行受力分析，考慮極限情況，一端卡滯（假設是右端，將2個孔設為約束面，見圖12）。

圖12 約束面

另一端受拉（假設是左端，將2個孔設為受拉面，見圖13），假設機構操作力全作用到這一端，根據機構油壓和緩沖截面計算操作力為：56×1008=56448N。

圖13 受拉面

進行應力分析（見圖14）最大處為207MPa，小于屈服強度389MPa，說明改為鋁棒加工在強度方面是完全可以的。

圖14 應力分析圖

（4）更改主觸頭

主觸頭為銅材，原為圓環機構（見圖15左），通過增加環槽的方式擴大內徑（見圖15右），減輕其重量，更改前后重量相差0.1kg。

圖15 主觸頭

計算通流：更改后主觸頭外徑φ190mm不變，內徑由φ162增大為φ178mm，截面積減小為

1）更改后額定通流為：

式中，Ir為電流，A；s為截面積，mm2；j為電流密度，A/mm2。

可滿足額定電流6300A溫升的試驗要求。

2）額定短時耐受電流的最小截面要求為：

式中，I為額定短時耐受電流，A；a為材質系數，銅為13；t為電流通過時間，s；Δθ為溫升，K。

所以更改后滿足額定短時耐受電流63kA的載流要求。

2.3 減重后的歸劃質量計算（方法同項一原來的歸劃質量計算）

（1）替代質量計算

（2）節點質量計算

（3）歸劃質量計算

根據觸頭運動速度公式

只考慮重量的因素，近似計算減重后的速度與減重前速度之比為：

3 試驗驗證

在相同的氣壓0.5MPa和額定油壓下，用DB8001測試空載狀態下的機械特性，減重前后分閘速度統計（見下表）。

表 分閘速度統計表

減重前后分閘速度比：

與計算值1.06比較，偏差不大。

4 結束語

通過斷路器空載下的試驗測試結果，對比理論計算值，認為兩者偏差不是很大，偏差的原因與摩擦阻力、測試誤差等應該是有關系的。因此，在要求提高的速度不太快，增大機構操作功時投入成本過高的情況下，通過減輕重量提高速度的方法是可行的。