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1、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（g），m1， m2，m31.2 传动拐臂（1） 先求大小（内、外）拐臂真实质量ma，mb，以及转轴（或套）的真实质量mc；（2） 求替代质量大拐臂替代质量集中于（替代到）A点后为mA1； （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mB： （kg） 转轴O2替代质量集中于A点后为mA2： （kg）（2）小拐臂mB折算导A点后： （kg）（3）（3
2、） 求等效拐臂质量mA拐臂各部分的等效质量集中于A点后为mA：1.3 机构连杆及两端接头（BD件） （1） 求连杆BD真实质量md1，两端若有接头，求其真实质量md2； （2） 求机构输出拐臂O1D真实质量md3，再按（1）式将md3替代到D点后得替代质量md3。 （3） 杆件BD的替代质量为 BD杆为平面运动件，可将md的一半集中于B点，另一半集中于D点，B、D的替代质量为： ， （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mB和mD折算到A点： （kg）（5）1.4 求整个开关运动系统的等效质量Mo：Mo=m1+m2+m3+mA+mA-BD （kg）（
3、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 Mo。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A1： （Nm） （7） 式中，M：运动系统等效质量（kg） Vf：平均分闸速度（m/s）（2）分闸时气压缸压气消耗的功A2： 先假设气缸的压力特性Pt=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td）对应的触头行程点，气缸压力为1.7P0，时喷口打开后能建立音速气吹。b） 在触头行程0.7l0时，达到最高气压2.2 P0，l0为动触头全行程。c） 在l0时气缸内有
4、一定余气；1.1 l0时压差为零。为简化计算，以ABC代替压力特性Pt=f（l），求气压消耗能量A2： ，（Nm）（8） 式中，P0：产品额额定SF6气压，（Mpa） S：气缸截面，（mm2） l0：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A3：主触头摩擦力Pf1，对应超行程lc1；中间触头摩擦力Pf2，对应全行程l0；弧触头摩擦力Pf3，对应超行程lc2；转动密封件摩擦力（归算导绝缘操作杆下端后）为Pf4a=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：Pf4b=400N（经验数据），轴密封件摩擦力P
5、f4a（或Pf4b）对应的行程为l0：，（Nm） （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A4：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：A4=0.12 Af，（Nm） （10）式中，Af为分闸功，（Nm）（5） 合闸加速能量A5： ，（Nm） （11） 式中，M为等效质量，（kg） Vh为平均合闸速度，（m/s）（6） 合闸缓冲器吸收能量A6，常用经验折算式估算： ，（Nm） （12）（7） 分闸功Af计算： ，（Nm） （13）式中，A4=
6、0.12Af，传动效率（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Ah计算：，（Nm） （14）式中，（9） 弹簧机构应提供的分闸弹簧功为ATfAf，机构应提供的合闸弹簧功为ATh： ，（Nm） （15） 式中， ，机构传动效率，它考虑了合（分）弹簧释放（贮能）能量时弹簧自身要消耗的能量，hiatus考虑了合闸弹簧力通过凸轮传递时摩擦消耗的能量。损耗多，因此传动效率较低，常取0.75.链条传动机构可取。，开关传动装置的能耗，开关传动装置通常很简单，因此传动效率较高。（10）分（合）闸弹簧操作功及操作力设计a)分闸弹簧设计，弹簧力释放行程lTf为已知（单位：m），预压（拉）力
7、为PTf1，终压（拉）力为PTf2，,（Nm） （16）式中，PTf1=（0.40.6）PTf2，（N）；根据Vf值及关合可靠性要求取PTf1值。为满足Vf要求，通常希望PTf2取值大一些，PTf1取值小一些；为保持机构关合可靠（合到底），由希望PTf2值小一些，而PTf1应取大。机构是否能合闸到位要之一两点：第一， 足够的合闸速度Vh（关合撞击动能）；第二， 分簧终压（拉）力与合簧预压（拉）力的差值（P=PTf2-PTf1）设计很重要，对于一确定的开关和机构，当Vh确定后，差值P有一个最小限值Pmin，P超过此值时，机构合不到位。按式（16）设计分簧操作功时，应使ATf=1.1Af，以留适当
8、的设计裕度。b)合闸簧设计，合簧力释放行程lTh为已知（单位：m），预压（拉）力为PTh1，终压（拉）力为PTh2，合簧功应为：，（Nm） （17）式中，PTh1=（0.60.8）PTh，（N）；为包装机构可靠合到位，希望PTh1取值较大一些。按式（17）计算的ATh，应留一定设计裕度，取ATh=1.1 ATh0。3. 开关操作系统强度计算3.1 最大工作负荷按式（16）确定了分闸簧输出的终压（拉）力PTf2，取PTf1=0.4 PTf2，使PTf2取偏大值，以适应强度核算的需要。再将机构分簧输出力PTf2从外拐臂B点折算导内拐臂A点（亦绝缘操作杆下方）：,（N） （18）冲击力Pm为作直线运
9、动的与动触头相连的零部件分闸时承受的极限力；冲击力PTf2为机构输出拐臂、联结杆件BD及开关外拐臂O2B承受的极限力。产品试验数据：145kV P.GCB：PTf2=29550N（三相操作力） 252 kV P.GCB：PTf2=29550N（单相操作力）产品进行零部件强度核算时，将分闸操作冲击力（Pm和PTf2）作为静负荷处理。3.2 零部件强度核算（1）抗张强度Pb=SsKPm（或PTf2） （19）式中，S为零件最小受力截面，（mm2）；K为设计安全系数1.67（塑性料），2.5（脆性料）；s为材料塑性变形应力，（Mpa），对于确定s的金属材料零件，可取0.65s计算。（2）抗剪强度（或
10、PTf2） （20）（3）螺纹抗拉强度（或PTf2） （21）式中，d1，为螺纹中径，（mm） b,螺纹宽系数，0.87 t，螺距，（mm） n，螺纹圈数 ，材料抗剪应力（Mpa） 无缝钢管=0.2；优质冷拉钢材=s；铝材=b/2。（4） 真空浸渍环氧玻璃丝管、棒的冷拉强度及钢的核算a) 钢材内水分压强度要求 （22）式中，D2O形圈外径，（mm）Pb破坏水压，（Mpa）D1管外径，（mm）d1管内径，（mm）n=180Mpa 真空浸渍玻璃丝管许用应力。b）抗弯强度要求WWMW/W2 （23）式中，WW为绝缘件的抗弯截面模量，（mm3）圆管：WW=（D4-d4）/32D1圆棒：WW=D3/32
11、矩形板：WWX=bh3/6，WWY=hb3/6，b为板截面长，h为板截面宽（mm）MW为零部件承受的弯矩（Nmm）W2=90Mpa，真空浸渍环氧玻璃布管（棒）金具浇装弯曲许用应力，超过此应力后将产生不可逆的塑性变形。c) 抗扭强度要求Mn/Wn （24）式中，Mn为扭力矩（Nmm）Wn为绝缘件的抗扭截面模量（mm3）圆管：Wn=(D4-d4）/16D圆棒：Wn=d3/16=90Mpa,资料无此数据。按材料强度理论，可取=W2。d) 在弯矩作用下的刚度要求弯曲弹性变形量 f=Pl3/3EI，（mm） （25）式中，P：弯曲力（N） l：弯曲力臂（mm） E=30000Mpa 弹性模量 I=，管转
12、动惯量（mm4）弯曲弹性变量f值的控制：一端固定、另一端为悬臂的水平状态的灭弧室动、静触头联结筒：f1mm。一端固定、另一端受端子拉力的垂直状态灭弧室复合套管：f1mm。TGCB及GIS出线复合套管在端子拉力下：f3mm5mm。（5）真空浸渍绝缘管（棒）金具粘接强度a) 粘接面抗拉强度要求 （26）式中，Pb：最大拉力负荷（N） D：管（棒）粘接面直径（mm） l：粘接面宽（mm） j=15MPa，环氧树脂面接许用应力（破坏应力jb=25MPa）。b) 粘接面抗弯强度要求 WW2 （27） 式中，W：粘接处最大工作弯曲应力，由计算机有限元法计算 W2=96Mpac) 粘结面抗扭强度要求 n （28） 式中，n：粘结面最大工作扭应力，由计算机有限元法计算 =W2=90 Mpa，许用扭应力参照抗弯许用应力取值（6） 环氧树脂
