一种断路器弹簧机构拉杆防松设计

2020-01-05许罗生

科学技术创新 2020年6期

许罗生孙琼王振

（平高集团有限公司，河南平顶山467001）

断路器弹簧机构是保证断路器正常分合闸操作的重要组成部件，弹簧机构传动系统正常工作是保证断路器正常工作乃至电力系统正常运行的重要保障。断路器分合闸操作时，在断路器弹簧机构较大操作功的作用下，弹簧机构拉杆系统容易发生松动，不仅造成断路器无法正常完成分合闸操作，而且会对电气设备和电力系统安全运行造成极大危害。通过对断路器弹簧机构拉杆装配防松结构的研究分析，完成了断路器弹簧机构拉杆防松结构的设计和试验验证，确保断路器正常分合闸操作过程中弹簧机构拉杆装配不会发生松动，保证电网安全可靠运行。

1 断路器弹簧机构拉杆防松结构设计

断路器弹簧机构拉杆装配防松结构主要由螺杆、防松垫圈和螺母组成组成，断路器分合闸操作时，在断路器弹簧机构较大操作功的作用下，断路器弹簧机构拉杆装配会受到较大作用力并产生震动，要求拉杆装配中的螺杆承受的预紧力要大于断路器分合闸操作时产生的弹簧冲击力，同时要求防松垫片承受的预紧力要小于防松垫片自身最小载荷力，这样才能确保防松结构起到作用。下面分别从螺杆设计和防松垫圈设计进行介绍。

1.1 断路器弹簧机构拉杆装配螺杆设计

根据断路器分、合闸加速度曲线可知，断路器合闸最大加速度约为410m/s2，断路器分闸最大加速度约为1250m/s2，断路器分闸最大加速度大于断路器合闸最大加速度，因此断路器分合闸操作产生的最大冲击力可由断路器分闸操作时产生的冲击力计算得到。根据《高压断路器原理和应用》可知，运动质量可以近似计算为m=1.1mA～1.3mA（其中mA为直线方向运动部件质量），设计值mA=12kg，取m=1.3mA。由断路器分闸弹簧冲击力计算公式Fg=ma（m：运动质量，a：加速度）可知，断路器分闸弹簧冲击力Fg=ma=1.3*12*1250=19.5kN。

对断路器弹簧机构拉杆装配防松结构中螺杆进行设计，选择断路器弹簧机构拉杆装配螺杆使用碳钢紧固件，根据碳钢紧固件扭矩值可知，M20 螺杆承受力矩值为220N.m。根据螺栓力矩公式T=kdF（T：力矩，k：拧紧力系数0.2，d：螺栓直径，F：预紧力）可以推出螺栓预紧力F=T/k/d，螺杆预紧力F=T/k/d=220/0.2/0.02=55kN，得知螺杆预紧力F=55kN＞分闸弹簧冲击力Fg=19.5kN。

根据上述计算知，断路器弹簧机构拉杆装配中使用M20 碳钢螺杆满足设计要求。

1.2 断路器弹簧机构拉杆装配防松垫圈设计

对断路器弹簧机构拉杆装配中的防松垫圈进行设计，适合本断路器弹簧机构拉杆装配中的防松垫圈有：GB/T 1972 标准中的B40 和A45-1 蝶形弹簧垫圈、DIN6796 标准中的碟形弹簧垫圈，下面对上述三种防松垫圈进行分析计算。

1.2.1 B40 蝶形弹簧垫圈防松效果分析计算

根据GB/T 1972 蝶形弹簧垫圈标准可知，B40 蝶形弹簧垫圈压缩高度75%（0.75h0）时，其弹性力为F弹=2.62kN，当B40 蝶形弹簧垫圈压缩量超出75%时，其弹性力将会呈指数型增大，发生疲劳破坏。在本拉杆装配结构设计中，要求成对对扣使用4个蝶形弹簧垫圈，在不考虑蝶形弹簧垫圈相互摩擦力的情况下，4 个垫圈总的弹性力为F总弹=2.62kN，实际此处B40 蝶形弹簧垫圈承受预紧力为F=55kN，B40 蝶形弹簧垫圈承受预紧力F=55kN＞弹性力F总弹=2.62kN，B40 蝶形弹簧垫圈承受预紧力超出正常使用范围，引起蝶形弹簧垫圈压缩量超出75%，弹性力发生指数型增大，发生疲劳破坏，导致B40 蝶形弹簧垫圈失效，因此B40 蝶形弹簧垫圈不满足本防松设计要求。

1.2.2 A45-1 蝶形弹簧垫圈防松效果分析计算

根据GB/T 1972 蝶形弹簧垫圈标准可知，A45-1 蝶形弹簧垫圈压缩高度75%（0.75h0）时，其弹性力为F弹=7.72kN，当蝶形弹簧垫圈压缩量超出75%时，其弹性力将会呈指数型增大，发生疲劳破坏。在本拉杆装配结构设计中，要求成对对扣使用4个蝶形弹簧垫圈，在不考虑蝶形弹簧垫圈相互摩擦力的情况下，4 个垫圈总的弹性力为F总弹=7.72kN，此处A45-1 蝶形弹簧垫圈承受预紧力为F=55kN，A45-1 蝶形弹簧垫圈承受预紧力F=55kN＞弹性力F总弹=7.72kN，A45-1 蝶形弹簧垫圈承受预紧力超出正常使用范围，引起蝶形弹簧垫圈压缩量超出75%，弹性力发生指数型增大，发生疲劳破坏，导致A45-1 蝶形弹簧垫圈失效，因此A45-1 蝶形弹簧垫圈不满足本防松设计要求。

1.2.3 DIN6796 蝶形弹簧垫圈防松效果分析计算

根据DIN6796 蝶形弹簧垫圈标准可知，单个M20 碟形弹簧垫圈最大荷载力为130kN，最小荷载力为73kN。此处碟形弹簧垫圈承受预紧力为F=55kN，DIN6796 蝶形弹簧垫圈承受预紧力F=55kN＜最小荷载力73kN，单个DIN6796 蝶形弹簧垫圈即可满足断路器弹簧机构拉杆装配防松设计要求，考虑到零部件材料性能存在分散性，同时为了提高安全裕度，断路器弹簧机构拉杆装配中采用2 个DIN6796 蝶形弹簧垫圈对合使用，其最小载荷力仍是73kN，压缩行程为单个DIN6796 蝶形弹簧垫圈的2 倍，因此DIN6796 蝶形弹簧垫圈满足设计要求。

通过上述计算可知，采用DIN6796 蝶形弹簧垫圈满足本防松设计要求。

2 断路器弹簧机构拉杆装配防松结构设计效果试验验证

为了验证断路器弹簧机构拉杆装配防松结构设计的防松效果，设计两种试验样机进行试验验证。试验样机1 断路器弹簧机构拉杆装配一侧使用A40-1 蝶形弹簧垫圈，另一侧使用DIN6796 蝶形弹簧垫圈；试验样机2 断路器弹簧机构拉杆装配一侧使用B40 蝶形弹簧垫圈，另一侧使用DIN6796 蝶形弹簧垫圈。两台试验样机均安装在断路器本体中进行防松效果验证。

断路器弹簧机构拉杆装配防松效果试验方法：在两种试验样机的弹簧机构拉杆装配螺母、螺杆、防松垫圈位置处分别画力矩线，两台试验样机分别进行2000 次分合闸操作，试验完成后，观察标记的力矩线是否发生错位，螺母是否有松动现象。若发生力矩线错位和螺母松动的现象，则该处防松垫圈不满足设计要求；若未发生力矩线错位和螺母松动的现象，则该处防松垫圈满足防松设计要求。

两台试验样机在经过试验后，发现断路器弹簧机构拉杆装配使用A40-1 和B40 蝶形弹簧垫圈的位置处发生力矩线错位、螺母松动的现象，断路器弹簧机构拉杆装配使用DIN6796 螺栓连接用蝶形弹簧垫圈的位置处未发生力矩线错位、螺母松动的现象，通过试验验证了A40-1 和B40 蝶形弹簧垫圈不满足断路器弹簧机构拉杆装配防松设计要求，DIN6796 蝶形弹簧垫圈满足断路器弹簧机构拉杆装配防松设计要求。