断路器机构弹簧的设计

陈佳成 李妙兴 赵海峰

（杭州之江开关股份有限公司，杭州 311234）

弹簧是断路器弹簧操动机构中应用很广泛的一种零件，各类弹簧如：圆柱或蜗卷螺旋弹簧、碟形弹簧、片弹簧和扭簧在机构中都有使用，并且关键处的弹簧对断路器性能有较大影响，如分闸弹簧和合闸弹簧设计不当，将使断路器分、合闸不到位或分、合闸速度达不到要求。本文从断路器总体能量布置着手，结合弹簧所处的安装空间，利用已知条件，求解出弹簧参数，再结合弹簧的表面处理、强度校核、强化等因素，设计出满足要求的弹簧。

1 弹簧的设计

弹簧操动机构设计时，第一步就是要弄清楚断路器总体能量布置，即通过断路器的额定电流、额定电压等电参数，确定触头弹簧的能量；再根据断路器分闸时的速度、运动件质量、摩擦阻力等确定分闸弹簧的能量；最后根据合闸时速度、运动件质量、摩擦等确定合闸弹簧的能量。根据已获知的分、合闸弹簧能量，结合已知条件，求解出弹簧的参数，再结合弹簧的制作工艺、强度校核等，设计出符合要求的弹簧。

1.1 分闸弹簧的设计

分闸弹簧的作用主要有两个：一是满足断路器分闸速度的要求，二是确保断路器分闸到位。前者为拉断电弧的需要，后者为保证动、静触头分闸后有足够的开距。下面以真空断路器为例来设计分闸弹簧，分闸弹簧为圆柱螺旋拉簧，该类弹簧应用广泛，且弹簧工作时不需要导向，结构简单。设真空断路器平均分闸速度vf，刚分速度为vg，分闸止动时的速度为ve，触头弹簧释放结束时的绝缘拉杆速度v，导电杆质量为md，绝缘拉杆的质量为m，摩擦力为Ff，超行程h，触头弹簧所需能量为Ac，分闸弹簧在超行程中释放能量为Af1，分闸弹簧在开距时释放的能量为Af2，则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。真空断路器vf、vg都有一定要求的，m、md，h是已知的，Ac可事先求得，Ff可根据零件的运动形式来估算，因此，可以求得Af1、Af2，设计算得分闸弹簧在分闸过程中释放的能量（Af1+Af2）为12J，根据机构输出转角，分闸弹簧工作时（即从P1到P2）弹簧变形量为λ≈27mm，按大致估算E＝1/2（P1+P2）×λ。得P1+P2＝2E/λ＝888.9N。根据断路器分闸到位条件，P1≥350N，则P2≤538.9N。弹簧刚度P′＝(P2-P1)/λ≤7.0。为了使断路器合闸顺利，一般要求分闸弹簧P2值不要太大， 即弹簧刚度P′适当取小值。P′＝Gd4/(8D23n)，式中，d为簧丝直径，D2为弹簧中径，n为有效圈数，G为弹簧切变模量（G＝80000～83000MPa）。因此，D2值尽可能取大一些，根据空间尺寸，分闸弹簧运动时不与其他零件产生干涉的外径D1＝38mm，则中径D2＝D1-d＝31～35mm（d估值3～7mm），旋绕比C＝D2/d，一般为4～16，常用值5～8，设C＝ 7，则d=4.4～5mm，取d＝4.5mm，则n＝Gd4/(8D23K) ＝13.66～19.66 圈，取n=17 圈，D2＝33mm，则K＝6.7N/mm。又P1＝P0+Kλ0，P0为弹簧的初拉力，λ0为弹簧P1时的变形量。P0＝πd3τ0/(8D2k)，式中，K≈(4C-1)/(4C-4)+(0.615/C)＝1.21，K为弹簧的补偿系数，τ0为弹簧的初应力，其值τ0＝(0.1 ～0.15)τlim，取τ0＝0.13τlim＝0.13×1.12×σ/2＝105MPa，式中σ为弹簧材料的抗拉强度，可查表而得。所以P0＝94N,λ0＝(P1-P0)/K＝38.8mm。结合弹簧装配后的尺寸，计算得弹簧两端钩子的尺寸，即可形成最终的弹簧图纸，如图1所示。经校核，P2＜Plim（弹簧的极限工作载荷），弹簧满足使用要求。

图1 分闸弹簧

1.2 合闸弹簧的设计

合闸弹簧的设计也须从能量着手，合闸弹簧的能量主要分配给触头弹簧、分闸弹簧、合闸时电动力做功、运动件重力做功、运动件摩擦消耗的能量等，其中负载能量一般占合闸能量的30%～50%，由于触头弹簧和分闸弹簧能量已求得，可粗略地估算出合闸弹簧的能量，仍以真空断路器为例，触头弹簧（碟形弹簧）所做功主要表现在超程阶段，根据断路器额定电流、开断电流等电参数，可知触头弹簧的初压力为P1＝2200N，工作压力P2＝3150N，超行程为t=3.5mm，则三相触头弹簧的能量为E1＝3×(P1+P2)×t/2 ＝3×(2 2 0 0+3 1 5 0)×3.5/2 ＝28088N·mm≈28.1J，三只分闸弹簧的总能量为E2＝12+2×4＝20J，因此，负载能量为E＝E1+E2≈48.1J，按负载能量占合闸能量的45%计，则合闸弹 簧所需能量为E合＝106.7J。机构合闸弹簧做功的行 程为S＝20mm，则E合＝(P1+P2)×S/2，P1+P2＝ 10670N。由于空间尺寸所限，弹簧必须按装于外径D0＜φ57，内径D1＞φ20 的范围内，单个弹簧较难满足上述要求，因此采用组合弹簧的方式设计，图2为其中一个的压簧，组合弹簧的P1和P2值之和应满足P1+P2＝10670N，且各自应满足P2＜Plim。

图2 合闸弹簧

2 组合弹簧的设计

当设计承受载荷较大，且安装空间受限时的圆柱螺旋压缩弹簧，可采用组合弹簧。这种弹簧钢丝直径较小，制造也方便。设计组合弹簧时，应注意下列事项：

1）内、外弹簧的强度要接近相等，经推算有下列关系：d1/d2=D1/D2＝(Pn1/Pn2)1/2 及Pn=Pn1+Pn2,G一般组合弹簧的Pn1（外弹簧最大工作载荷）和Pn2（内弹簧最大工作载荷）之比为5∶2。

2）内、外弹簧的变形量应接近相等，其中一个弹簧在最大工作载荷下的变形量Fn不应大于另一个弹簧的工作极限变形量Fj，实际所产生的变形差可用垫片调整。

3）为保证组合弹簧工作时不相互缠绕，防止内、外弹簧产生歪斜，两弹簧的旋向应相反。若采用三弹簧组合时，则应保证中间弹簧与外、内弹簧的旋向相反。

4）组合弹簧的径向间隙δ要满足下列关系：δ＝(D11-D22)/2≥(d1-d2)/2，式中D11为外弹簧的内径，D22为内弹簧的外径，d1、d2为外、内弹簧的簧丝直径。

5）弹簧端部的支承面结构应能防止内、外弹簧在工作中的偏移。

3 结论

弹簧在断路器机构中应用广泛，且关键处的弹簧对断路器的性能有较大影响，对于关键处的弹簧，设计时必须使弹簧的工作压力P2≤80%Plim，确保弹簧工作时不因疲劳而产生塑性变形。此外，弹簧可以通过喷丸、强压等措施予以强化，使其的Plim提高20%左右。当然，根据弹簧的应用场合不同，采用合适的材料也可提高弹簧Plim值。在弹簧表面镀锌后，必须进行去氢处理，防止弹簧产生氢脆现象。总之，在进行断路器机构弹簧的设计时，既要考虑断路器机构的要求，又要考虑弹簧自身设计的一般规范，使设计出的弹簧能更好地满足断路器的使用要求。

[1] 成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,2010.

[2] 翟文广.弹簧技术问答[M].北京:国防工业出版社,2005.