灭弧室减重提高机构速度设计

许宝波 刘继勇 周浩

（1.山东泰开高压开关有限公司 2.国网济南供电公司爱普公司 3.国网西安供电公司）

0 引言

断路器进行开断试验，主要就是考察断路器在故障条件下的关合和开断能力。要使断路器具备这个能力，就要有一个可靠的灭弧室，所以大家最关注的就是优化设计气缸、主触头、弧触头、喷口等。其实，在设计灭弧室的过程中，选择机构的配合速度也是非常重要的。一般来说，机构应该具有较快的分、合闸速度。为了达到这个速度，普遍的做法就是加大机构的操作功，对液压弹簧机构来说，方法就是加大碟簧的外径，增大其压缩能力。此方法是很好的，但是需要多次试验，会增加成本。

在做断路器测速试验时，最先采用的是HMB-8.7型机构，由于速度偏低，后采用HMB-8.12型机构，其分闸操作功达到12000J，速度变快。但是为了增大安全系数，给机构留有更大的余量，再通过其他办法提高一定的速度也不失为一个好方法。于是，想到通过减轻重量提高速度。这个办法很直接，也可以节约时间和成本。

1 方法和原理

根据断路器触头运动速度的公式：

式中，m为运动物体的质量；η为机械效率；W为操作力所作的功；WZ为阻力消耗的功。

由式（1）可知：要提高速度V，可通过增大η和W，减小m和WZ的方法来实现。

机械效率η与各轴销处的摩擦影响有关，与各零部件的结构、尺寸和所处的位置关系有关，一般情况下η=0.7～0.9，所以η相当于一个常数。

增大操作力所作的功W，就是上面提到的加大机构的操作功。减小m，就是减小运动物体的质量。减小阻力消耗的功WZ，就要减小阻力FZ，阻力FZ包括运动零部件间的摩擦力Fm及其重力Fg等，也就是说减小质量m也能减小阻力消耗的功WZ。

因此，通过减轻重量提高速度的方法是完全可行的。

2 计算分析

首先应该计算运动物体的质量，但是灭弧室中运动部分的零件很多（如图1所示），运动方式各不相同：动触头部分做直线运动，拐臂绕O点做旋转运动，连板和传动部分做平面平行运动（既平移又旋转）。

图1 灭弧室中运动部件图

所以，为使计算运动物体的质量条理化，可采用归划质量（又名等效质量）法[1]折算。

2.1 原来的归划质量计算

（1）将每个零件的质量集中到A、B、C三个点上，计算零件的替代质量

1）做直线运动的动触头部分（包括喷口、气缸、动触头、动弧触头、动主触头等）在A点替代质量为各零件真实质量的和，即：

2）做平面平行运动的连板（质量为3.5 kg），根据能量守恒原理，按照质量不变、重心位置不变和对重心的转动惯量不变的原则，近似量化为在A点、B点替代质量相等，即：

3）做旋转运动的拐臂（见图2，质量19.5kg）同时作用于B点和C点，因此需将拐臂近似等效为两部分，分别替代到B点（见图3右，质量11kg）和C点（见图3左，质量8.5kg）。

图2 拐臂图

图3 拐臂等效图

先分析B点：围绕固定轴转动的零部件一般将替代质量集中到传动轴销处（小孔轴销处，不是花键转轴处），根据转动惯量守恒法则[2]，计算替代质量：

式中，JB为拐臂OB对转轴的转动惯量；L为OB之间的距离）

转动惯量JB与零件的几何形状和质量分布有关，拐臂可以简化成图4的形状，再用如下公式计算转动惯量。

图4 拐臂简化图

转动惯量计算公式：

式中，m拐臂为拐臂的质量，kg；L，a，b为拐臂的尺寸，mm。

B点拐臂尺寸如图5所示。

图5 B点拐臂图

那么，拐臂在B点替代质量：

同理计算得出：拐臂在C点替代质量：

4）做直线和平面平行运动的传动部分（包括绝缘拉杆、导向杆、活塞杆等）在C点替代质量为各零件质量的和，即：

（2）将替代质量集中为节点质量

A节点质量：

B节点质量：

C节点质量：

（3）节点质量归划到动触头上的质量

通过以上可知质量已经集中到节点，带入各节点速度，那么整体动能为：

式中，mA+mB（VB／VA）2+mC（VC／VA）2即为归划质量m，要计算m，就要先计算速度比。

1）B、C点绕O点转动，其速度比等于旋转半径比，即

2）A、B点速度比用图解法[3]计算（见图6）。

图6 图解法示意

速度比等于长度比：

3）规划质量即为：

2.2 减重设计

思路是：先减单纯传动件（不影响导电和开断的部分），再减导体的重量。又分为可以更改形状、尺寸的和可以更改材料的。具体更改次序如下：

（1）更改接头

接头为传动件，端部为方形（见图7左），改为圆弧形（见图7右）。更改前后重量相差0.1kg。

图7 接头

（2）更改拐臂

拐臂为传动件，厚度尺寸较大，可以减薄。更改前（见图8）后（见图9）重量相差1.8kg。

图8 拐臂更改前

图9 拐臂更改后

（3）更改连板

连板为传动件，原为45#钢板（屈服强度355MPa，抗拉强度600MPa）焊接而成（见图10），拟改为φ80/2A12-T4铝棒（屈服强度389MPa，抗拉强度498MPa）加工（见图11），更改前后重量相差2.2kg。

图10 钢板焊接的连板

图11 铝棒加工的连板

更改前后强度方面没什么问题，只不过更改后的零件硬度降低，零件之间的磨损可能会增大，考虑到试验时分合次数较少，应该不会有问题（摸底试验证明磨损很轻微）。

具体进行受力分析，考虑极限情况，一端卡滞（假设是右端，将2个孔设为约束面，见图12）。

图12 约束面

另一端受拉（假设是左端，将2个孔设为受拉面，见图13），假设机构操作力全作用到这一端，根据机构油压和缓冲截面计算操作力为：56×1008=56448N。

图13 受拉面

进行应力分析（见图14）最大处为207MPa，小于屈服强度389MPa，说明改为铝棒加工在强度方面是完全可以的。

图14 应力分析图

（4）更改主触头

主触头为铜材，原为圆环机构（见图15左），通过增加环槽的方式扩大内径（见图15右），减轻其重量，更改前后重量相差0.1kg。

图15 主触头

计算通流：更改后主触头外径φ190mm不变，内径由φ162增大为φ178mm，截面积减小为

1）更改后额定通流为：

式中，Ir为电流，A；s为截面积，mm2；j为电流密度，A/mm2。

可满足额定电流6300A温升的试验要求。

2）额定短时耐受电流的最小截面要求为：

式中，I为额定短时耐受电流，A；a为材质系数，铜为13；t为电流通过时间，s；Δθ为温升，K。

所以更改后满足额定短时耐受电流63kA的载流要求。

2.3 减重后的归划质量计算（方法同项一原来的归划质量计算）

（1）替代质量计算

（2）节点质量计算

（3）归划质量计算

根据触头运动速度公式

只考虑重量的因素，近似计算减重后的速度与减重前速度之比为：

3 试验验证

在相同的气压0.5MPa和额定油压下，用DB8001测试空载状态下的机械特性，减重前后分闸速度统计（见下表）。

表 分闸速度统计表

减重前后分闸速度比：

与计算值1.06比较，偏差不大。

4 结束语

通过断路器空载下的试验测试结果，对比理论计算值，认为两者偏差不是很大，偏差的原因与摩擦阻力、测试误差等应该是有关系的。因此，在要求提高的速度不太快，增大机构操作功时投入成本过高的情况下，通过减轻重量提高速度的方法是可行的。