断路器弹簧机构操作功强度设计.docx
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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),m1,m2,m3……
1.2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)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)…………………(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=1.1Mo。
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:
(N·m)…………………(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2.2P0,l0为动触头全行程。
c)在l0时气缸内有一定余气;1.1l0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:
,(N·m)……(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Pf4a(或Pf4b)对应的行程为l0:
,(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=0.12Af,(N·m)……………………(10)
式中,Af为分闸功,(N·m)
(5)合闸加速能量A5:
,(N·m)……………………(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:
,(N·m)……………………(12)
(7)分闸功Af计算:
,(N·m)……………………(13)
式中,A4=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:
,(N·m)……………………(14)
式中,
(9)弹簧机构应提供的分闸弹簧功为ATf≥Af,机构应提供的合闸弹簧功为ATh:
,(N·m)……………………(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)力为PTf1,终压(拉)力为PTf2,
(N·m)……………………(16)
式中,PTf1=(0.4~0.6)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:
,(N·m)……………………(17)
式中,PTh1=(0.6~0.8)PTh2,(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=1.1ATh0。
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=0.4PTf2,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:
145kVP.GCB:
PTf2=29550N(三相操作力)
252kVP.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=S×σs≥K·Pm(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);
σs为材料塑性变形应力,(Mpa),对于确定σs的金属材料零件,可取0.65σs计算。
(2)抗剪强度
(或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
=σ0.2;优质冷拉钢材
=σs;铝材
=σb/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,D2—O形圈外径,(mm)
Pb—破坏水压,(Mpa)
D1—管外径,(mm)
d1—管内径,(mm)
[σn]=180Mpa真空浸渍玻璃丝管许用应力。
b)抗弯强度要求
WW>MW/[σW2]…………………………(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
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(N·mm)
[σW2]=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(N·mm)
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[
]=[σW2]。
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:
f≤1mm。
一端固定、另一端受端子拉力的垂直状态灭弧室复合套管:
f≤1mm。
T·GCB及GIS出线复合套管在端子拉力下:
f≤3mm~5mm。
(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)
[σj]=15MPa,环氧树脂面接许用应力(破坏应力σjb=25MPa)。
b)粘接面抗弯强度要求
σW≤[σW2]……………………………(27)
式中,σW:
粘接处最大工作弯曲应力,由计算机有限元法计算
[σW2]=96Mpa
c)粘结面抗扭强度要求
σn<[
]……………………………(28)
式中,σn:
粘结面最大工作扭应力,由计算机有限元法计算
[
]=[σW2]=90Mpa,许用扭应力参照抗弯许用应力取值
(6)环氧树脂浇注件(填充Al2O3)强度核算
抗拉、抗弯、抗扭及嵌件粘接强度计算方法同(22)(23)(24)(26)(27)及(28)式,其许用应力如下:
拉伸[σs]=42Mpa,弯曲[σW]=42Mpa,扭转[
]=20Mpa,剪切[σq]=23Mpa,嵌件粘接抗拉[
j]=12Mpa。
3.3零部件强度安全系数
(1)用材料许用应力核算的强度,其最大工作应力小于(或等于)相应的许用应力时,认为该零件的强度设计符合要求。
(2)按材料的σb(或σs)核算的零件能承受的最大工作负荷抗张Pb、抗剪Pt、螺纹抗剪Pτa(参见3.2节)与产品分闸操作时所承受的最大操作力Pm(或PTf2、Pn扭力)相比,其安全系数ns和nb的定义及取值为:
塑性材料(钢、铝、铜型材)ns=Pb(Pτ、Pτa)/Pm≥1.67
脆性材料(铸钢、铸铝、铸铜)nb=Pb(Pτ、Pτa)/Pm≥1.67
(特别指出:
本文件所叙述强度设计及计算不适用于GIS壳体)。
3.4常用材料强度应力及选用(注“*”号,优先选有)
(1)湿法缠绕环氧玻璃布管σb=100Mpa
真空基准环氧玻璃布管*σb=400Mpa
(2)铸铝ZL101A—T6*,σb=275Mpa,导电率r=36~40%(用于高强度、高气密性、导电壳体、或GIS内导)
ZL201—T5,σb=275Mpa
热挤铝棒5A02,σb=225Mpa
2A12—T4*,σb=390~420(D>22时)Mpa,导电率r=38%(用于高强度结构零件)
6063—T6*,σ0.2=170Mpa,r=55%(用于导电性要求高的零件)
热轧铝板2A12—T4*,σb=405Mpa(用于高强度结构件)
3A21—0*,σb=175Mpa,r=50%(用于户外结构件及户外导电件)
6A02—T6,σb=295Mpa,r=55%(用作导电杆)
热挤铝管2A12—T4*,σb=390Mpa(用于高强度结构件)
3A21—H112,σb=165Mpa
6063—T6*,σb=205Mpa,r=55%(用于高导电性零件)
冷拉铝管2A12—T4*,σb=410Mpa,r38%(用于高强度结构件)
5A02—0,σb=225Mpa
6063—T6*,σb=230Mpa,r=55%(用于高导电性零件)
当零件承受机械负荷很低(不注意其强度要求)、又特别强调其导电性时可选用相应纯铝材1060(σb=60Mpa,r=61~62%)
(3)铸纯铜ZT3(ZT4)*,σb=167Mpa(用于高导电性零件)
热轧铜板T2R(δ≥12),σb≥196Mpa
冷轧铜板T2Y(δ≤10)*,σb≥295Mpa
圆铜棒T2Y*,σb=275Mpa(≤Φ40),245Mpa(Φ40~60),210Mpa(Φ60~80)
黄铜棒HPb59—1Y2,σb=420Mpa(≤Φ20),390Mpa(Φ20~40),370Mpa(Φ40~80)
冷拉铜管T2Y*,σb=315Mpa(≤Φ100)
冷拉黄铜管H62Y2,σb=335Mpa(≤Φ120)
以上纯铜板、棒、管可作为导电作用;黄铜棒、管因其导电性和强度都低于合金铝棒、管2A12-T4,因此原则上不采用(特殊情况除外)。
(4)铸钢ZG230—450*,RZG230—450*,σb=450Mpa,σs=230Mpa(用于一般结构件)
ZG310—570,σb=570Mpa,σs=310Mpa(尺寸小强度高的特殊零件使用)
冷轧钢板08F(δ≤4),σs=175Mpa(用于一般薄壁结构件)
不锈钢板1Cr18Ni9Ti(δ≤4),σs=205Mpa(用于户外一般薄壁结构件)
普通碳素钢、管、棒Q235A,σs=225Mpa(一般结构件用)
优质碳钢板、管45#(调质后)*,σs=355Mpa(用于开关传动件等高强度零件)
钢板20g*(δ=6~40),σs=235Mpa(用于一般压力容器)
普通型钢*Q235A,σs=235Mpa(一般结构用)
优质型钢45,σs=335Mpa(高强度结构件用)
优质钢棒40Cr*,σs=785Mpa(传动轴、销用,20Cr可以代用)
40CrMo,σs=930Mpa(特殊要求高强度传动轴、销用)
优质冷拉圆钢20*,σs=255Mpa(外圆不加工件优先选用)
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