許寶波 劉繼勇 周浩
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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(guān)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(guān)注的就是優(yōu)化設(shè)計氣缸、主觸頭、弧觸頭、噴口等。其實,在設(shè)計滅弧室的過程中,選擇機構(gòu)的配合速度也是非常重要的。一般來說,機構(gòu)應(yīng)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(gòu)的操作功,對液壓彈簧機構(gòu)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(gòu),由于速度偏低,后采用HMB-8.12型機構(gòu),其分閘操作功達到12000J,速度變快。但是為了增大安全系數(shù),給機構(gòu)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。
根據(jù)斷路器觸頭運動速度的公式:
式中,m為運動物體的質(zhì)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(xiàn)。
機械效率η與各軸銷處的摩擦影響有關(guān),與各零部件的結(jié)構(gòu)、尺寸和所處的位置關(guān)系有關(guān),一般情況下η=0.7~0.9,所以η相當(dāng)于一個常數(shù)。
增大操作力所作的功W,就是上面提到的加大機構(gòu)的操作功。減小m,就是減小運動物體的質(zhì)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(zhì)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。
首先應(yīng)該計算運動物體的質(zhì)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(zhuǎn)運動,連板和傳動部分做平面平行運動(既平移又旋轉(zhuǎn))。
圖1 滅弧室中運動部件圖
所以,為使計算運動物體的質(zhì)量條理化,可采用歸劃質(zhì)量(又名等效質(zhì)量)法[1]折算。
(1)將每個零件的質(zhì)量集中到A、B、C三個點上,計算零件的替代質(zhì)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(zhì)量為各零件真實質(zhì)量的和,即:
2)做平面平行運動的連板(質(zhì)量為3.5 kg),根據(jù)能量守恒原理,按照質(zhì)量不變、重心位置不變和對重心的轉(zhuǎn)動慣量不變的原則,近似量化為在A點、B點替代質(zhì)量相等,即:
3)做旋轉(zhuǎn)運動的拐臂(見圖2,質(zhì)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(zhì)量11kg)和C點(見圖3左,質(zhì)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(zhuǎn)動的零部件一般將替代質(zhì)量集中到傳動軸銷處(小孔軸銷處,不是花鍵轉(zhuǎn)軸處),根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量守恒法則[2],計算替代質(zhì)量:
式中,JB為拐臂OB對轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量;L為OB之間的距離)
轉(zhuǎn)動慣量JB與零件的幾何形狀和質(zhì)量分布有關(guān),拐臂可以簡化成圖4的形狀,再用如下公式計算轉(zhuǎn)動慣量。
圖4 拐臂簡化圖
轉(zhuǎn)動慣量計算公式:
式中,m拐臂為拐臂的質(zhì)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(zhì)量:
同理計算得出:拐臂在C點替代質(zhì)量:
4)做直線和平面平行運動的傳動部分(包括絕緣拉桿、導(dǎo)向桿、活塞桿等)在C點替代質(zhì)量為各零件質(zhì)量的和,即:
(2)將替代質(zhì)量集中為節(jié)點質(zhì)量
A節(jié)點質(zhì)量:
B節(jié)點質(zhì)量:
C節(jié)點質(zhì)量:
(3)節(jié)點質(zhì)量歸劃到動觸頭上的質(zhì)量
通過以上可知質(zhì)量已經(jīng)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(zhì)量m,要計算m,就要先計算速度比。
1)B、C點繞O點轉(zhuǎn)動,其速度比等于旋轉(zhuǎn)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(zhì)量即為:
思路是:先減單純傳動件(不影響導(dǎo)電和開斷的部分),再減導(dǎo)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(shù)較少,應(yīng)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(shè)是右端,將2個孔設(shè)為約束面,見圖12)。
圖12 約束面
另一端受拉(假設(shè)是左端,將2個孔設(shè)為受拉面,見圖13),假設(shè)機構(gòu)操作力全作用到這一端,根據(jù)機構(gòu)油壓和緩沖截面計算操作力為:56×1008=56448N。
圖13 受拉面
進行應(yīng)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(yīng)力分析圖
(4)更改主觸頭
主觸頭為銅材,原為圓環(huán)機構(gòu)(見圖15左),通過增加環(huán)槽的方式擴大內(nèi)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(nèi)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(zhì)系數(shù),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。
(1)替代質(zhì)量計算
(2)節(jié)點質(zhì)量計算
(3)歸劃質(zhì)量計算
根據(jù)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:
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(tǒng)計(見下表)。
表 分閘速度統(tǒng)計表
減重前后分閘速度比:
與計算值1.06比較,偏差不大。
通過斷路器空載下的試驗測試結(jié)果,對比理論計算值,認(rèn)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(yīng)該是有關(guān)系的。因此,在要求提高的速度不太快,增大機構(gòu)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。