一種斷路器彈簧機構(gòu)拉桿防松設計

許羅生 孫 瓊 王 振

（平高集團有限公司，河南 平頂山467001）

斷路器彈簧機構(gòu)是保證斷路器正常分合閘操作的重要組成部件，彈簧機構(gòu)傳動系統(tǒng)正常工作是保證斷路器正常工作乃至電力系統(tǒng)正常運行的重要保障。斷路器分合閘操作時，在斷路器彈簧機構(gòu)較大操作功的作用下，彈簧機構(gòu)拉桿系統(tǒng)容易發(fā)生松動，不僅造成斷路器無法正常完成分合閘操作，而且會對電氣設備和電力系統(tǒng)安全運行造成極大危害。通過對斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配防松結(jié)構(gòu)的研究分析，完成了斷路器彈簧機構(gòu)拉桿防松結(jié)構(gòu)的設計和試驗驗證，確保斷路器正常分合閘操作過程中彈簧機構(gòu)拉桿裝配不會發(fā)生松動，保證電網(wǎng)安全可靠運行。

1 斷路器彈簧機構(gòu)拉桿防松結(jié)構(gòu)設計

斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配防松結(jié)構(gòu)主要由螺桿、防松墊圈和螺母組成組成，斷路器分合閘操作時，在斷路器彈簧機構(gòu)較大操作功的作用下，斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配會受到較大作用力并產(chǎn)生震動，要求拉桿裝配中的螺桿承受的預緊力要大于斷路器分合閘操作時產(chǎn)生的彈簧沖擊力，同時要求防松墊片承受的預緊力要小于防松墊片自身最小載荷力，這樣才能確保防松結(jié)構(gòu)起到作用。下面分別從螺桿設計和防松墊圈設計進行介紹。

1.1 斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配螺桿設計

根據(jù)斷路器分、合閘加速度曲線可知，斷路器合閘最大加速度約為410m/s2，斷路器分閘最大加速度約為1250m/s2，斷路器分閘最大加速度大于斷路器合閘最大加速度，因此斷路器分合閘操作產(chǎn)生的最大沖擊力可由斷路器分閘操作時產(chǎn)生的沖擊力計算得到。根據(jù)《高壓斷路器原理和應用》可知，運動質(zhì)量可以近似計算為m=1.1mA～1.3mA（其中mA為直線方向運動部件質(zhì)量），設計值mA=12kg，取m=1.3mA。由斷路器分閘彈簧沖擊力計算公式Fg=ma（m：運動質(zhì)量，a：加速度）可知，斷路器分閘彈簧沖擊力Fg=ma=1.3*12*1250=19.5kN。

對斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配防松結(jié)構(gòu)中螺桿進行設計，選擇斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配螺桿使用碳鋼緊固件，根據(jù)碳鋼緊固件扭矩值可知，M20 螺桿承受力矩值為220N.m。根據(jù)螺栓力矩公式T=kdF（T：力矩，k：擰緊力系數(shù)0.2，d：螺栓直徑，F(xiàn)：預緊力）可以推出螺栓預緊力F=T/k/d，螺桿預緊力F=T/k/d=220/0.2/0.02=55kN，得知螺桿預緊力F=55kN＞分閘彈簧沖擊力Fg=19.5kN。

根據(jù)上述計算知，斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配中使用M20 碳鋼螺桿滿足設計要求。

1.2 斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配防松墊圈設計

對斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配中的防松墊圈進行設計，適合本斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配中的防松墊圈有：GB/T 1972 標準中的B40 和A45-1 蝶形彈簧墊圈、DIN6796 標準中的碟形彈簧墊圈，下面對上述三種防松墊圈進行分析計算。

1.2.1 B40 蝶形彈簧墊圈防松效果分析計算

根據(jù)GB/T 1972 蝶形彈簧墊圈標準可知，B40 蝶形彈簧墊圈壓縮高度75%（0.75h0）時，其彈性力為F彈=2.62kN，當B40 蝶形彈簧墊圈壓縮量超出75%時，其彈性力將會呈指數(shù)型增大，發(fā)生疲勞破壞。在本拉桿裝配結(jié)構(gòu)設計中，要求成對對扣使用4個蝶形彈簧墊圈，在不考慮蝶形彈簧墊圈相互摩擦力的情況下，4 個墊圈總的彈性力為F總彈=2.62kN，實際此處B40 蝶形彈簧墊圈承受預緊力為F=55kN，B40 蝶形彈簧墊圈承受預緊力F=55kN＞彈性力F總彈=2.62kN，B40 蝶形彈簧墊圈承受預緊力超出正常使用范圍，引起蝶形彈簧墊圈壓縮量超出75%，彈性力發(fā)生指數(shù)型增大，發(fā)生疲勞破壞，導致B40 蝶形彈簧墊圈失效，因此B40 蝶形彈簧墊圈不滿足本防松設計要求。

1.2.2 A45-1 蝶形彈簧墊圈防松效果分析計算

根據(jù)GB/T 1972 蝶形彈簧墊圈標準可知，A45-1 蝶形彈簧墊圈壓縮高度75%（0.75h0）時，其彈性力為F彈=7.72kN，當?shù)螐椈蓧|圈壓縮量超出75%時，其彈性力將會呈指數(shù)型增大，發(fā)生疲勞破壞。在本拉桿裝配結(jié)構(gòu)設計中，要求成對對扣使用4個蝶形彈簧墊圈，在不考慮蝶形彈簧墊圈相互摩擦力的情況下，4 個墊圈總的彈性力為F總彈=7.72kN，此處A45-1 蝶形彈簧墊圈承受預緊力為F=55kN，A45-1 蝶形彈簧墊圈承受預緊力F=55kN＞彈性力F總彈=7.72kN，A45-1 蝶形彈簧墊圈承受預緊力超出正常使用范圍，引起蝶形彈簧墊圈壓縮量超出75%，彈性力發(fā)生指數(shù)型增大，發(fā)生疲勞破壞，導致A45-1 蝶形彈簧墊圈失效，因此A45-1 蝶形彈簧墊圈不滿足本防松設計要求。

1.2.3 DIN6796 蝶形彈簧墊圈防松效果分析計算

根據(jù)DIN6796 蝶形彈簧墊圈標準可知，單個M20 碟形彈簧墊圈最大荷載力為130kN，最小荷載力為73kN。此處碟形彈簧墊圈承受預緊力為F=55kN，DIN6796 蝶形彈簧墊圈承受預緊力F=55kN＜最小荷載力73kN，單個DIN6796 蝶形彈簧墊圈即可滿足斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配防松設計要求，考慮到零部件材料性能存在分散性，同時為了提高安全裕度，斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配中采用2 個DIN6796 蝶形彈簧墊圈對合使用，其最小載荷力仍是73kN，壓縮行程為單個DIN6796 蝶形彈簧墊圈的2 倍，因此DIN6796 蝶形彈簧墊圈滿足設計要求。

通過上述計算可知，采用DIN6796 蝶形彈簧墊圈滿足本防松設計要求。

2 斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配防松結(jié)構(gòu)設計效果試驗驗證

為了驗證斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配防松結(jié)構(gòu)設計的防松效果，設計兩種試驗樣機進行試驗驗證。試驗樣機1 斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配一側(cè)使用A40-1 蝶形彈簧墊圈，另一側(cè)使用DIN6796 蝶形彈簧墊圈；試驗樣機2 斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配一側(cè)使用B40 蝶形彈簧墊圈，另一側(cè)使用DIN6796 蝶形彈簧墊圈。兩臺試驗樣機均安裝在斷路器本體中進行防松效果驗證。

斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配防松效果試驗方法：在兩種試驗樣機的彈簧機構(gòu)拉桿裝配螺母、螺桿、防松墊圈位置處分別畫力矩線，兩臺試驗樣機分別進行2000 次分合閘操作，試驗完成后，觀察標記的力矩線是否發(fā)生錯位，螺母是否有松動現(xiàn)象。若發(fā)生力矩線錯位和螺母松動的現(xiàn)象，則該處防松墊圈不滿足設計要求；若未發(fā)生力矩線錯位和螺母松動的現(xiàn)象，則該處防松墊圈滿足防松設計要求。

兩臺試驗樣機在經(jīng)過試驗后，發(fā)現(xiàn)斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配使用A40-1 和B40 蝶形彈簧墊圈的位置處發(fā)生力矩線錯位、螺母松動的現(xiàn)象，斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配使用DIN6796 螺栓連接用蝶形彈簧墊圈的位置處未發(fā)生力矩線錯位、螺母松動的現(xiàn)象，通過試驗驗證了A40-1 和B40 蝶形彈簧墊圈不滿足斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配防松設計要求，DIN6796 蝶形彈簧墊圈滿足斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配防松設計要求。

3 結(jié)論

本文對斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配防松結(jié)構(gòu)進行了分析計算，通過真型試驗驗證了斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配防松效果，得出了以下結(jié)論：

（1）本設計斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配防松結(jié)構(gòu)防松效果優(yōu)異。

（2）根據(jù)受力計算可知，斷路器機構(gòu)動作加速度對斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配防松效果具有較大影響，加速度越快，斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配防松效果越差。

（3）對于斷路器彈簧機構(gòu)拉桿裝配分合閘操作沖擊力、螺栓預緊力和蝶形彈簧墊圈載荷力應滿足以下要求：操作沖擊力＜螺栓預緊力＜蝶形彈簧墊圈載荷力。