断路器机构弹簧的设计 _知识百科

弹簧是断路器机构中应用很广泛的一种零件，且关键处的弹簧对断路器的性能有很大影响。作者从能量的角度着手，结合弹簧所处的安装空间，利用现有弹簧的计算公式，由已知量求解出未知量，获取满足要求的弹簧参数，最终形成弹簧的设计图纸。

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。

【断路器机构弹簧的设计】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二个：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-簧丝直径， D2－弹簧中径， n－有效圈数， G－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/(8 D2k),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。

文章插图

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*（2200+3150）*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，弹簧必须安装于外径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 。

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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 结语

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。