断路器机构弹簧是怎么样设计的？

        弹簧是断路器 mechanism中广泛使用的部件，关键弹簧对断路器的性能影响很大。作者从能量的角度，结合弹簧的安装空间，利用弹簧现有的计算公式，由已知量求解未知量，得到所需的弹簧参数，最终形成弹簧的设计图。

        弹簧断路器是弹簧操作机构中广泛使用的零件。机构中使用了圆柱或螺旋弹簧、碟簧、板簧、扭簧等各种弹簧，关键弹簧对断路器的性能影响很大。如果分闸弹簧和合闸弹簧设计不当，断路器 min，合闸不会到位或分闸。

        本文从断路器 general energy layout出发，结合弹簧的安装空间，利用已知条件，求解弹簧参数，再结合弹簧的表面处理、强度校核、加强等因素，设计出符合要求的弹簧。

1、弹簧的设计

        在设计弹簧操动机构时，首先要搞清楚断路器的整体能量安排，即通过断路器的额定电流和额定电压来确定触头弹簧的能量。然后根据断路器速度、运动部件质量、摩擦阻力等。当打开制动器时，打开弹簧的能量被确定。最后，根据闭合速度、运动部件的质量和摩擦力来确定闭合弹簧的能量。

        根据已知的分合闸弹簧能量，结合已知条件，求解出弹簧的参数，再结合弹簧的制造工艺和强度校核，设计出满足要求的弹簧。

1.1分闸弹簧的设计

        分闸弹簧主要有两个作用:一是满足断路器分闸速度的要求，二是保证断路器分闸到位；前者需要分断电弧，后者需要保证动、静触头在分闸后有足够的分闸距离。

        下面以vacuum 断路器为例设计开口弹簧，开口弹簧为圆柱螺旋拉簧。这种弹簧应用广泛，弹簧工作时不需要导向，结构简单。

        设定真空断路器平均分闸速度vf、刚分闸速度vg、分闸和停止速度ve、触头弹簧释放结束时的绝缘拉杆速度V、导电杆质量md、绝缘拉杆质量M、摩擦力Ff、超程h、触头弹簧所需能量Ac、分闸弹簧在超程释放的能量为Af1、分闸弹簧在开距释放的能量为Af2。Ac+af1+mgh-ffh = 1/2mv2，mv = (m+MD) VG，Af2=1/2(m+md)ve2-1/2(m+md)vg2，vf=(vg+ve)/2，所以ve=2vf-vg。

        真空断路器vf，vg都有一定的要求，M，md，H已知，Ac可以提前得到，Ff可以根据零件的运动形式来估算，因此，可以得到Af1，Af2。开启弹簧在开启过程中释放的能量(Af1+Af2)设计为12J。根据机构的输出角度，当分闸弹簧工作时(即从P1+p2 = 2e/λ = 888.9n..

        根据断路器开启条件，P1≥350N，则P2≤538.9N弹簧刚度P' = (P2-P1)/λ ≤ 7.0。为了使断路器开关顺利接通，一般要求分闸弹簧P2的值不能太大，即弹簧刚度P’应适当取小值。P' = gd4/(8d23n)，其中d-弹簧钢丝直径，D2-弹簧中径，n-有效匝数，g-弹簧剪切模量(g = 80000 ~ 83000 MPa)。因此，D2应该越大越好。

        根据空间大小，开启弹簧动作时，外径D1 = 38 mm，中径D2 = D1-D = 31 ~ 35 mm (D估计为3 ~ 7 mm)，卷绕比C = D2/D，一般为4 ~ 16，常用值为5 ~ 8。如果C n=17，D = 4.4 ~ 5 mm. P1 = P0+kλ0，P0是弹簧的初张力，λ0是弹簧P1的变形量。

        P0 = π d3 τ 0/(8d2k)，其中k ≈ (4c-1)/(4c-4)+(0.615/c) = 1.21，k为弹簧的补偿系数，τ0为弹簧的初应力，其值τ 0 = (0.1 ~ 0.15) τ lim取为τ0。

        所以P0 = 94n，λ 0 = (P1-P0)/k = 38.8mm .结合弹簧的装配尺寸，可以计算出弹簧两端挂钩的尺寸，形成最终的弹簧图，如图1所示。经校核，P2 < Plim(弹簧的极限工作载荷)，弹簧满足使用要求。

1.2关闭弹簧的设计

        闭合弹簧的设计也必须从能量开始。合闸弹簧的能量主要分配给触头弹簧、分闸弹簧、合闸时做功的电力、运动部件的重力功、运动部件摩擦消耗的能量等。，其中负载能量一般占合闸能量的30 ~ 50%。由于已经获得了接触弹簧和分闸弹簧的能量，因此可以大致估算出合闸弹簧的能量。

        以vacuum 断路器为例，接触弹簧(碟簧)所做的功主要在超程阶段。根据断路器额定电流、分断电流等电气参数可知，触头弹簧的初压力为P1 = 2200n，工作压力P2 = 3150n，超程为T = 3.5mm，三相触头弹簧的能量为E1 = 3 *(P1+P2)* T/2 = 3 *(2200+3150)* 3.5/2 = 28088n . mm≈28.1j因此，负载

        当机构合闸弹簧的行程为S = 20毫米时，则E = (P1+P2) * S/2，P1+P1+P2=10670N。由于空间尺寸的限制，弹簧必须安装在外径D0 < φ 57，内径D1 > φ 20的范围内，单个弹簧很难满足上述要求。因此，该设计采用组合弹簧。图2所示为其中一个压缩弹簧，组合弹簧的P1和P2值之和应满足P1+P1+P2=10670N，且各自应满足P2 < Plim。

2、组合弹簧的设计

        当圆柱螺旋压缩弹簧设计为承受较大载荷，安装空间有限时，可以使用组合弹簧。这种弹簧钢丝直径小，便于制造。设计组合弹簧时，应注意以下事项:

1)内外弹簧的强度应接近相等，计算如下关系:D1/D2 = D1/D2 = (Pn1/Pn2) 1/2且PN = PN1+PN2，g类一般组合弹簧的Pn1(外弹簧最大工作载荷)与Pn2(内弹簧最大工作载荷)之比为5: 2。

2)内外弹簧的变形应接近相等，其中一个弹簧在最大工作载荷下的变形Fn不应大于另一个弹簧的工作极限变形Fj，实际变形差可通过垫片调整。

3)为了保证组合弹簧工作时不互相缠绕，防止内外弹簧歪斜，两个弹簧的旋转方向应相反。如果采用三个弹簧的组合，应保证中间弹簧的旋转方向与外、内弹簧的旋转方向相反。

4)组合弹簧的径向间隙δ应满足以下关系:δ = (d11-d22)/2 ≥ (d1-d2)/2，其中d11为外弹簧的内径，d22为内弹簧的外径，D1和D2为外弹簧和内弹簧的线径。

5)弹簧末端的支承面结构应能防止内、外弹簧在工作中的偏移。

3、结论

        弹簧在断路器 mechanism中应用广泛，关键弹簧对断路器的性能影响很大。对于关键弹簧，设计时弹簧的工作压力P2必须≤ 80% plim，以确保弹簧不会因疲劳而塑性变形。另外，弹簧可以通过喷丸、压制等措施进行强化，其Plim可以提高20%左右。

        当然，根据弹簧的不同应用场合，也可以通过使用合适的材料来提高弹簧的Plim值。弹簧表面镀锌后，必须进行脱氢处理，防止弹簧氢脆。总之，在设计德力西断路器 mechanism的弹簧时，不仅要考虑断路器 mechanism的要求，还要考虑弹簧本身的一般设计规格，这样设计出来的弹簧才能更好地满足断路器的使用要求。