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        滅弧室減重提高機構速度設計

        2018-12-18 07:17:02許寶波劉繼勇周浩
        電器工業(yè) 2018年12期
        關鍵詞:拐臂轉動慣量重量

        許寶波 劉繼勇 周浩

        (1.山東泰開高壓開關有限公司 2.國網濟南供電公司愛普公司 3.國網西安供電公司)

        0 引言

        斷路器進行開斷試驗,主要就是考察斷路器在故障條件下的關合和開斷能力。要使斷路器具備這個能力,就要有一個可靠的滅弧室,所以大家最關注的就是優(yōu)化設計氣缸、主觸頭、弧觸頭、噴口等。其實,在設計滅弧室的過程中,選擇機構的配合速度也是非常重要的。一般來說,機構應該具有較快的分、合閘速度。為了達到這個速度,普遍的做法就是加大機構的操作功,對液壓彈簧機構來說,方法就是加大碟簧的外徑,增大其壓縮能力。此方法是很好的,但是需要多次試驗,會增加成本。

        在做斷路器測速試驗時,最先采用的是HMB-8.7型機構,由于速度偏低,后采用HMB-8.12型機構,其分閘操作功達到12000J,速度變快。但是為了增大安全系數,給機構留有更大的余量,再通過其他辦法提高一定的速度也不失為一個好方法。于是,想到通過減輕重量提高速度。這個辦法很直接,也可以節(jié)約時間和成本。

        1 方法和原理

        根據斷路器觸頭運動速度的公式:

        式中,m為運動物體的質量;η為機械效率;W為操作力所作的功;WZ為阻力消耗的功。

        由式(1)可知:要提高速度V,可通過增大η和W,減小m和WZ的方法來實現。

        機械效率η與各軸銷處的摩擦影響有關,與各零部件的結構、尺寸和所處的位置關系有關,一般情況下η=0.7~0.9,所以η相當于一個常數。

        增大操作力所作的功W,就是上面提到的加大機構的操作功。減小m,就是減小運動物體的質量。減小阻力消耗的功WZ,就要減小阻力FZ,阻力FZ包括運動零部件間的摩擦力Fm及其重力Fg等,也就是說減小質量m也能減小阻力消耗的功WZ。

        因此,通過減輕重量提高速度的方法是完全可行的。

        2 計算分析

        首先應該計算運動物體的質量,但是滅弧室中運動部分的零件很多(如圖1所示),運動方式各不相同:動觸頭部分做直線運動,拐臂繞O點做旋轉運動,連板和傳動部分做平面平行運動(既平移又旋轉)。

        圖1 滅弧室中運動部件圖

        所以,為使計算運動物體的質量條理化,可采用歸劃質量(又名等效質量)法[1]折算。

        2.1 原來的歸劃質量計算

        (1)將每個零件的質量集中到A、B、C三個點上,計算零件的替代質量

        1)做直線運動的動觸頭部分(包括噴口、氣缸、動觸頭、動弧觸頭、動主觸頭等)在A點替代質量為各零件真實質量的和,即:

        2)做平面平行運動的連板(質量為3.5 kg),根據能量守恒原理,按照質量不變、重心位置不變和對重心的轉動慣量不變的原則,近似量化為在A點、B點替代質量相等,即:

        3)做旋轉運動的拐臂(見圖2,質量19.5kg)同時作用于B點和C點,因此需將拐臂近似等效為兩部分,分別替代到B點(見圖3右,質量11kg)和C點(見圖3左,質量8.5kg)。

        圖2 拐臂圖

        圖3 拐臂等效圖

        先分析B點:圍繞固定軸轉動的零部件一般將替代質量集中到傳動軸銷處(小孔軸銷處,不是花鍵轉軸處),根據轉動慣量守恒法則[2],計算替代質量:

        式中,JB為拐臂OB對轉軸的轉動慣量;L為OB之間的距離)

        轉動慣量JB與零件的幾何形狀和質量分布有關,拐臂可以簡化成圖4的形狀,再用如下公式計算轉動慣量。

        圖4 拐臂簡化圖

        轉動慣量計算公式:

        式中,m拐臂為拐臂的質量,kg;L,a,b為拐臂的尺寸,mm。

        B點拐臂尺寸如圖5所示。

        圖5 B點拐臂圖

        那么,拐臂在B點替代質量:

        同理計算得出:拐臂在C點替代質量:

        4)做直線和平面平行運動的傳動部分(包括絕緣拉桿、導向桿、活塞桿等)在C點替代質量為各零件質量的和,即:

        (2)將替代質量集中為節(jié)點質量

        A節(jié)點質量:

        B節(jié)點質量:

        C節(jié)點質量:

        (3)節(jié)點質量歸劃到動觸頭上的質量

        通過以上可知質量已經集中到節(jié)點,帶入各節(jié)點速度,那么整體動能為:

        式中,mA+mB(VB/VA)2+mC(VC/VA)2即為歸劃質量m,要計算m,就要先計算速度比。

        1)B、C點繞O點轉動,其速度比等于旋轉半徑比,即

        2)A、B點速度比用圖解法[3]計算(見圖6)。

        圖6 圖解法示意

        速度比等于長度比:

        3)規(guī)劃質量即為:

        2.2 減重設計

        思路是:先減單純傳動件(不影響導電和開斷的部分),再減導體的重量。又分為可以更改形狀、尺寸的和可以更改材料的。具體更改次序如下:

        (1)更改接頭

        接頭為傳動件,端部為方形(見圖7左),改為圓弧形(見圖7右)。更改前后重量相差0.1kg。

        圖7 接頭

        (2)更改拐臂

        拐臂為傳動件,厚度尺寸較大,可以減薄。更改前(見圖8)后(見圖9)重量相差1.8kg。

        圖8 拐臂更改前

        圖9 拐臂更改后

        (3)更改連板

        連板為傳動件,原為45#鋼板(屈服強度355MPa,抗拉強度600MPa)焊接而成(見圖10),擬改為φ80/2A12-T4鋁棒(屈服強度389MPa,抗拉強度498MPa)加工(見圖11),更改前后重量相差2.2kg。

        圖10 鋼板焊接的連板

        圖11 鋁棒加工的連板

        更改前后強度方面沒什么問題,只不過更改后的零件硬度降低,零件之間的磨損可能會增大,考慮到試驗時分合次數較少,應該不會有問題(摸底試驗證明磨損很輕微)。

        具體進行受力分析,考慮極限情況,一端卡滯(假設是右端,將2個孔設為約束面,見圖12)。

        圖12 約束面

        另一端受拉(假設是左端,將2個孔設為受拉面,見圖13),假設機構操作力全作用到這一端,根據機構油壓和緩沖截面計算操作力為:56×1008=56448N。

        圖13 受拉面

        進行應力分析(見圖14)最大處為207MPa,小于屈服強度389MPa,說明改為鋁棒加工在強度方面是完全可以的。

        圖14 應力分析圖

        (4)更改主觸頭

        主觸頭為銅材,原為圓環(huán)機構(見圖15左),通過增加環(huán)槽的方式擴大內徑(見圖15右),減輕其重量,更改前后重量相差0.1kg。

        圖15 主觸頭

        計算通流:更改后主觸頭外徑φ190mm不變,內徑由φ162增大為φ178mm,截面積減小為

        1)更改后額定通流為:

        式中,Ir為電流,A;s為截面積,mm2;j為電流密度,A/mm2。

        可滿足額定電流6300A溫升的試驗要求。

        2)額定短時耐受電流的最小截面要求為:

        式中,I為額定短時耐受電流,A;a為材質系數,銅為13;t為電流通過時間,s;Δθ為溫升,K。

        所以更改后滿足額定短時耐受電流63kA的載流要求。

        2.3 減重后的歸劃質量計算(方法同項一原來的歸劃質量計算)

        (1)替代質量計算

        (2)節(jié)點質量計算

        (3)歸劃質量計算

        根據觸頭運動速度公式

        只考慮重量的因素,近似計算減重后的速度與減重前速度之比為:

        3 試驗驗證

        在相同的氣壓0.5MPa和額定油壓下,用DB8001測試空載狀態(tài)下的機械特性,減重前后分閘速度統計(見下表)。

        表 分閘速度統計表

        減重前后分閘速度比:

        與計算值1.06比較,偏差不大。

        4 結束語

        通過斷路器空載下的試驗測試結果,對比理論計算值,認為兩者偏差不是很大,偏差的原因與摩擦阻力、測試誤差等應該是有關系的。因此,在要求提高的速度不太快,增大機構操作功時投入成本過高的情況下,通過減輕重量提高速度的方法是可行的。

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