一種斷路器彈簧機構拉桿防松設計

許羅生 孫 瓊 王 振

（平高集團有限公司，河南 平頂山467001）

斷路器彈簧機構是保證斷路器正常分合閘操作的重要組成部件，彈簧機構傳動系統正常工作是保證斷路器正常工作乃至電力系統正常運行的重要保障。斷路器分合閘操作時，在斷路器彈簧機構較大操作功的作用下，彈簧機構拉桿系統容易發生松動，不僅造成斷路器無法正常完成分合閘操作，而且會對電氣設備和電力系統安全運行造成極大危害。通過對斷路器彈簧機構拉桿裝配防松結構的研究分析，完成了斷路器彈簧機構拉桿防松結構的設計和試驗驗證，確保斷路器正常分合閘操作過程中彈簧機構拉桿裝配不會發生松動，保證電網安全可靠運行。

1 斷路器彈簧機構拉桿防松結構設計

斷路器彈簧機構拉桿裝配防松結構主要由螺桿、防松墊圈和螺母組成組成，斷路器分合閘操作時，在斷路器彈簧機構較大操作功的作用下，斷路器彈簧機構拉桿裝配會受到較大作用力并產生震動，要求拉桿裝配中的螺桿承受的預緊力要大于斷路器分合閘操作時產生的彈簧沖擊力，同時要求防松墊片承受的預緊力要小于防松墊片自身最小載荷力，這樣才能確保防松結構起到作用。下面分別從螺桿設計和防松墊圈設計進行介紹。

1.1 斷路器彈簧機構拉桿裝配螺桿設計

根據斷路器分、合閘加速度曲線可知，斷路器合閘最大加速度約為410m/s2，斷路器分閘最大加速度約為1250m/s2，斷路器分閘最大加速度大于斷路器合閘最大加速度，因此斷路器分合閘操作產生的最大沖擊力可由斷路器分閘操作時產生的沖擊力計算得到。根據《高壓斷路器原理和應用》可知，運動質量可以近似計算為m=1.1mA～1.3mA（其中mA為直線方向運動部件質量），設計值mA=12kg，取m=1.3mA。由斷路器分閘彈簧沖擊力計算公式Fg=ma（m：運動質量，a：加速度）可知，斷路器分閘彈簧沖擊力Fg=ma=1.3*12*1250=19.5kN。

對斷路器彈簧機構拉桿裝配防松結構中螺桿進行設計，選擇斷路器彈簧機構拉桿裝配螺桿使用碳鋼緊固件，根據碳鋼緊固件扭矩值可知，M20 螺桿承受力矩值為220N.m。根據螺栓力矩公式T=kdF（T：力矩，k：擰緊力系數0.2，d：螺栓直徑，F：預緊力）可以推出螺栓預緊力F=T/k/d，螺桿預緊力F=T/k/d=220/0.2/0.02=55kN，得知螺桿預緊力F=55kN＞分閘彈簧沖擊力Fg=19.5kN。

根據上述計算知，斷路器彈簧機構拉桿裝配中使用M20 碳鋼螺桿滿足設計要求。

1.2 斷路器彈簧機構拉桿裝配防松墊圈設計

對斷路器彈簧機構拉桿裝配中的防松墊圈進行設計，適合本斷路器彈簧機構拉桿裝配中的防松墊圈有：GB/T 1972 標準中的B40 和A45-1 蝶形彈簧墊圈、DIN6796 標準中的碟形彈簧墊圈，下面對上述三種防松墊圈進行分析計算。

1.2.1 B40 蝶形彈簧墊圈防松效果分析計算

根據GB/T 1972 蝶形彈簧墊圈標準可知，B40 蝶形彈簧墊圈壓縮高度75%（0.75h0）時，其彈性力為F彈=2.62kN，當B40 蝶形彈簧墊圈壓縮量超出75%時，其彈性力將會呈指數型增大，發生疲勞破壞。在本拉桿裝配結構設計中，要求成對對扣使用4個蝶形彈簧墊圈，在不考慮蝶形彈簧墊圈相互摩擦力的情況下，4 個墊圈總的彈性力為F總彈=2.62kN，實際此處B40 蝶形彈簧墊圈承受預緊力為F=55kN，B40 蝶形彈簧墊圈承受預緊力F=55kN＞彈性力F總彈=2.62kN，B40 蝶形彈簧墊圈承受預緊力超出正常使用范圍，引起蝶形彈簧墊圈壓縮量超出75%，彈性力發生指數型增大，發生疲勞破壞，導致B40 蝶形彈簧墊圈失效，因此B40 蝶形彈簧墊圈不滿足本防松設計要求。

1.2.2 A45-1 蝶形彈簧墊圈防松效果分析計算

根據GB/T 1972 蝶形彈簧墊圈標準可知，A45-1 蝶形彈簧墊圈壓縮高度75%（0.75h0）時，其彈性力為F彈=7.72kN，當蝶形彈簧墊圈壓縮量超出75%時，其彈性力將會呈指數型增大，發生疲勞破壞。在本拉桿裝配結構設計中，要求成對對扣使用4個蝶形彈簧墊圈，在不考慮蝶形彈簧墊圈相互摩擦力的情況下，4 個墊圈總的彈性力為F總彈=7.72kN，此處A45-1 蝶形彈簧墊圈承受預緊力為F=55kN，A45-1 蝶形彈簧墊圈承受預緊力F=55kN＞彈性力F總彈=7.72kN，A45-1 蝶形彈簧墊圈承受預緊力超出正常使用范圍，引起蝶形彈簧墊圈壓縮量超出75%，彈性力發生指數型增大，發生疲勞破壞，導致A45-1 蝶形彈簧墊圈失效，因此A45-1 蝶形彈簧墊圈不滿足本防松設計要求。

1.2.3 DIN6796 蝶形彈簧墊圈防松效果分析計算

根據DIN6796 蝶形彈簧墊圈標準可知，單個M20 碟形彈簧墊圈最大荷載力為130kN，最小荷載力為73kN。此處碟形彈簧墊圈承受預緊力為F=55kN，DIN6796 蝶形彈簧墊圈承受預緊力F=55kN＜最小荷載力73kN，單個DIN6796 蝶形彈簧墊圈即可滿足斷路器彈簧機構拉桿裝配防松設計要求，考慮到零部件材料性能存在分散性，同時為了提高安全裕度，斷路器彈簧機構拉桿裝配中采用2 個DIN6796 蝶形彈簧墊圈對合使用，其最小載荷力仍是73kN，壓縮行程為單個DIN6796 蝶形彈簧墊圈的2 倍，因此DIN6796 蝶形彈簧墊圈滿足設計要求。

通過上述計算可知，采用DIN6796 蝶形彈簧墊圈滿足本防松設計要求。

2 斷路器彈簧機構拉桿裝配防松結構設計效果試驗驗證

為了驗證斷路器彈簧機構拉桿裝配防松結構設計的防松效果，設計兩種試驗樣機進行試驗驗證。試驗樣機1 斷路器彈簧機構拉桿裝配一側使用A40-1 蝶形彈簧墊圈，另一側使用DIN6796 蝶形彈簧墊圈；試驗樣機2 斷路器彈簧機構拉桿裝配一側使用B40 蝶形彈簧墊圈，另一側使用DIN6796 蝶形彈簧墊圈。兩臺試驗樣機均安裝在斷路器本體中進行防松效果驗證。

斷路器彈簧機構拉桿裝配防松效果試驗方法：在兩種試驗樣機的彈簧機構拉桿裝配螺母、螺桿、防松墊圈位置處分別畫力矩線，兩臺試驗樣機分別進行2000 次分合閘操作，試驗完成后，觀察標記的力矩線是否發生錯位，螺母是否有松動現象。若發生力矩線錯位和螺母松動的現象，則該處防松墊圈不滿足設計要求；若未發生力矩線錯位和螺母松動的現象，則該處防松墊圈滿足防松設計要求。

兩臺試驗樣機在經過試驗后，發現斷路器彈簧機構拉桿裝配使用A40-1 和B40 蝶形彈簧墊圈的位置處發生力矩線錯位、螺母松動的現象，斷路器彈簧機構拉桿裝配使用DIN6796 螺栓連接用蝶形彈簧墊圈的位置處未發生力矩線錯位、螺母松動的現象，通過試驗驗證了A40-1 和B40 蝶形彈簧墊圈不滿足斷路器彈簧機構拉桿裝配防松設計要求，DIN6796 蝶形彈簧墊圈滿足斷路器彈簧機構拉桿裝配防松設計要求。

3 結論

本文對斷路器彈簧機構拉桿裝配防松結構進行了分析計算，通過真型試驗驗證了斷路器彈簧機構拉桿裝配防松效果，得出了以下結論：

（1）本設計斷路器彈簧機構拉桿裝配防松結構防松效果優異。

（2）根據受力計算可知，斷路器機構動作加速度對斷路器彈簧機構拉桿裝配防松效果具有較大影響，加速度越快，斷路器彈簧機構拉桿裝配防松效果越差。

（3）對于斷路器彈簧機構拉桿裝配分合閘操作沖擊力、螺栓預緊力和蝶形彈簧墊圈載荷力應滿足以下要求：操作沖擊力＜螺栓預緊力＜蝶形彈簧墊圈載荷力。