断路器弹簧机构操作功强度设计

断路器弹簧机构操作功强度计算

1. 先求各运动件等效质量

将全部运动件质量归化于动触头。

1.1 作直线运动的与动触头相联的零部件（如动触头、喷嘴、热膨胀室、压气缸及其支持架、气缸杆、绝缘操作杆及连接销等件），其等效质量就是其真实质量（ｋg ），m 1， m 2，m 3……

1.2 传动拐臂

（1） 先求大小（内、外）拐臂真实质量m a ，m b ，以及转轴（或套）的真实质量m c ；

（2） 求替代质量

大拐臂替代质量集中于（替代到）A 点后为m A1；

2211111

3[1.1]/6a A m R a b m R a b +=⨯+ （kg ）……………………（1） 式中长度单位为m ，下同。

小拐臂替代质量集中于B 点后为m B ：

222222

3[1.1]/6b B m R a b m R a b +=⨯+ （kg ） 转轴O 2替代质量集中于A 点后为m A2：

22211/2

A c m m r R = （kg ）……………………（2） 小拐臂m

B 折算导A 点后：

222()AB B O B m m O A

=⨯ （kg ）……………………（3） （3） 求等效拐臂质量m A

拐臂各部分的等效质量集中于A 点后为m A ：

12A A A AB m m m m =++

1.3 机构连杆及两端接头（BD 件）

（1） 求连杆BD 真实质量m d1，两端若有接头，求其真实质量m d2；

（2） 求机构输出拐臂O 1D 真实质量m d3，再按（1）式将m d3＇替代到D

点后得替代质量m d3。

（3） 杆件BD 的替代质量为

123'd d d d

m m m m =++ BD 杆为平面运动件，可将m d 的一半集中于B 点，另一半集中于D 点，

B 、D 的替代质量为：

/2B d m m =，/2D d m m = （kg ） (4)

最后，按动能相等的原则（亦按B 、D 点速度或转动半径比的平方），

将质量m B 和m D 折算到A 点：

222122()()A BD B D O B O D m m m O A O A -=⨯+⨯

（kg ） (5)

1.4 求整个开关运动系统的等效质量M o ：

M o =m 1+m 2+m 3+⋅⋅⋅⋅⋅⋅+m A +m A-BD （kg ） (6)

考虑到计算误差和可能的设计更改，计算操作功时，取运动系统等效计算质量为M=1.1 M o 。

图1 断路器分闸操作运动系统图

（K —作直线运动的灭弧室运动件）

2. 机构操作功计算

（1）分闸时加速动能A 1：

2112

f A M V = （N·m ） …………………（7） 式中，M ：运动系统等效质量（k

g ）

V f ：平均分闸速度（m/s ）

（2）分闸时气压缸压气消耗的功A 2：

先假设气缸的压力特性P t =f （l ），如图2所示。

按下列原则定图2压力特性曲线：

a ） 在喷口开放时（堵塞时间t d ）对应的触头行程点，气缸压力为1.7P 0，

时喷口打开后能建立音速气吹。

b ）

在触头行程0.7l 0时，达到最高气压2.2 P 0，l 0为动触头全行程。 c ） 在l 0时气缸内有一定余气；1.1 l 0时压差为零。

为简化计算，以∆ABC 代替压力特性P t =f （l ），求气压消耗能量

A 2：

320011(2.21) 1.11022

A BD AC S P S l =⨯⨯=-⨯⨯⨯⨯，（N·m ）……（8） 式中，P 0：产品额额定SF 6气压，（Mpa ）

S ：气缸截面，（mm 2）

l 0：压气行程，（mm ）

图2 压气缸压力特性设计

（3）分、合闸时触头系统及动密封件摩擦消耗功A 3：

主触头摩擦力P f1，对应超行程l c1；

中间触头摩擦力P f2，对应全行程l 0；

弧触头摩擦力P f3，对应超行程l c2；

转动密封件摩擦力（归算导绝缘操作杆下端后）为P f4a =150N （经验数据），有些产品采用直动密封件，摩擦力较大（直动密封设置在绝缘操作杆下方）

为：P f4b =400N （经验数据），轴密封件摩擦力P f4a （或P f4b ）对应的行程为l 0：

31120324040()f c f f c f a f b A P l P l P l P l P l =⨯+⨯+⨯+⨯⨯，（N·m ） ……（9） 式中，各种力的单位：N

各种行程的单位：m

（4）分闸时油缓充器吸收的能量A 4：

缓冲器工作时，油缸中的油经排油孔高速排泄，形成较强的油流阻尼，将消耗一部分操作功，计算较复杂，工程设计快速计算时，常用经验数据（分闸功的12%左右）来处理：

A 4=0.12 A f ，（N·m ） ……………………（10） 式中，A f 为分闸功，（N·m ）

（5） 合闸加速能量A 5：

2512

h A M V =，（N·m ） ……………………（11） 式中，M 为等效质量，（kg ）

V h 为平均合闸速度，（m/s ）

（6） 合闸缓冲器吸收能量A 6，常用经验折算式估算：

2h 64f

V ()V A A =⨯，（N·m ） ……………………（12） （7） 分闸功A f 计算：

1234()/f A A A A A η

=+++，（N·m ） ……………………（13） 式中，A 4=0.12A f ，传动效率10.90η=（考虑分闸弹簧、机构传动件能耗和

开关传动件的能耗）

（8） 合闸功A h 计算：

356h A A A A =++，（N·m ） ……………………（14） 式中，2h 6f

V ()0.12V f A A =⨯ （9） 弹簧机构应提供的分闸弹簧功为A Tf ≥A f ，机构应提供的合闸弹簧功为A Th ：

012()/T h f h A A A ηη=+，（N·

m ） (15)