彈簧是斷路器 mechanism中廣泛使用的部件，關(guān)鍵彈簧對斷路器的性能影響很大。作者從能量的角度，結(jié)合彈簧的安裝空間，利用彈簧現(xiàn)有的計算公式，由已知量求解未知量，得到所需的彈簧參數(shù)，最終形成彈簧的設(shè)計圖。

        彈簧斷路器是彈簧操作機(jī)構(gòu)中廣泛使用的零件。機(jī)構(gòu)中使用了圓柱或螺旋彈簧、碟簧、板簧、扭簧等各種彈簧，關(guān)鍵彈簧對斷路器的性能影響很大。如果分閘彈簧和合閘彈簧設(shè)計不當(dāng)，斷路器 min，合閘不會到位或分閘。

        本文從斷路器 general energy layout出發(fā)，結(jié)合彈簧的安裝空間，利用已知條件，求解彈簧參數(shù)，再結(jié)合彈簧的表面處理、強(qiáng)度校核、加強(qiáng)等因素，設(shè)計出符合要求的彈簧。

1、彈簧的設(shè)計

        在設(shè)計彈簧操動機(jī)構(gòu)時，首先要搞清楚斷路器的整體能量安排，即通過斷路器的額定電流和額定電壓來確定觸頭彈簧的能量。然后根據(jù)斷路器速度、運(yùn)動部件質(zhì)量、摩擦阻力等。當(dāng)打開制動器時，打開彈簧的能量被確定。最后，根據(jù)閉合速度、運(yùn)動部件的質(zhì)量和摩擦力來確定閉合彈簧的能量。

        根據(jù)已知的分合閘彈簧能量，結(jié)合已知條件，求解出彈簧的參數(shù)，再結(jié)合彈簧的制造工藝和強(qiáng)度校核，設(shè)計出滿足要求的彈簧。

1.1分閘彈簧的設(shè)計

        分閘彈簧主要有兩個作用:一是滿足斷路器分閘速度的要求，二是保證斷路器分閘到位；前者需要分?jǐn)嚯娀。笳咝枰ＷC動、靜觸頭在分閘后有足夠的分閘距離。

        下面以vacuum 斷路器為例設(shè)計開口彈簧，開口彈簧為圓柱螺旋拉簧。這種彈簧應(yīng)用廣泛，彈簧工作時不需要導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)簡單。

        設(shè)定真空斷路器平均分閘速度vf、剛分閘速度vg、分閘和停止速度ve、觸頭彈簧釋放結(jié)束時的絕緣拉桿速度V、導(dǎo)電桿質(zhì)量md、絕緣拉桿質(zhì)量M、摩擦力Ff、超程h、觸頭彈簧所需能量Ac、分閘彈簧在超程釋放的能量為Af1、分閘彈簧在開距釋放的能量為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。

        真空斷路器vf，vg都有一定的要求，M，md，H已知，Ac可以提前得到，F(xiàn)f可以根據(jù)零件的運(yùn)動形式來估算，因此，可以得到Af1，Af2。開啟彈簧在開啟過程中釋放的能量(Af1+Af2)設(shè)計為12J。根據(jù)機(jī)構(gòu)的輸出角度，當(dāng)分閘彈簧工作時(即從P1+p2 = 2e/λ = 888.9n..

        根據(jù)斷路器開啟條件，P1≥350N，則P2≤538.9N彈簧剛度P' = (P2-P1)/λ ≤ 7.0。為了使斷路器開關(guān)順利接通，一般要求分閘彈簧P2的值不能太大，即彈簧剛度P’應(yīng)適當(dāng)取小值。P' = gd4/(8d23n)，其中d-彈簧鋼絲直徑，D2-彈簧中徑，n-有效匝數(shù)，g-彈簧剪切模量(g = 80000 ~ 83000 MPa)。因此，D2應(yīng)該越大越好。

        根據(jù)空間大小，開啟彈簧動作時，外徑D1 = 38 mm，中徑D2 = D1-D = 31 ~ 35 mm (D估計為3 ~ 7 mm)，卷繞比C = D2/D，一般為4 ~ 16，常用值為5 ~ 8。如果C n=17，D = 4.4 ~ 5 mm. P1 = P0+kλ0，P0是彈簧的初張力，λ0是彈簧P1的變形量。

        P0 = π d3 τ 0/(8d2k)，其中k ≈ (4c-1)/(4c-4)+(0.615/c) = 1.21，k為彈簧的補(bǔ)償系數(shù)，τ0為彈簧的初應(yīng)力，其值τ 0 = (0.1 ~ 0.15) τ lim取為τ0。

        所以P0 = 94n，λ 0 = (P1-P0)/k = 38.8mm .結(jié)合彈簧的裝配尺寸，可以計算出彈簧兩端掛鉤的尺寸，形成最終的彈簧圖，如圖1所示。經(jīng)校核，P2 < Plim(彈簧的極限工作載荷)，彈簧滿足使用要求。

1.2關(guān)閉彈簧的設(shè)計

        閉合彈簧的設(shè)計也必須從能量開始。合閘彈簧的能量主要分配給觸頭彈簧、分閘彈簧、合閘時做功的電力、運(yùn)動部件的重力功、運(yùn)動部件摩擦消耗的能量等。，其中負(fù)載能量一般占合閘能量的30 ~ 50%。由于已經(jīng)獲得了接觸彈簧和分閘彈簧的能量，因此可以大致估算出合閘彈簧的能量。

        以vacuum 斷路器為例，接觸彈簧(碟簧)所做的功主要在超程階段。根據(jù)斷路器額定電流、分?jǐn)嚯娏鞯入姎鈪?shù)可知，觸頭彈簧的初壓力為P1 = 2200n，工作壓力P2 = 3150n，超程為T = 3.5mm，三相觸頭彈簧的能量為E1 = 3 *(P1+P2)* T/2 = 3 *(2200+3150)* 3.5/2 = 28088n . mm≈28.1j因此，負(fù)載

        當(dāng)機(jī)構(gòu)合閘彈簧的行程為S = 20毫米時，則E = (P1+P2) * S/2，P1+P1+P2=10670N。由于空間尺寸的限制，彈簧必須安裝在外徑D0 < φ 57，內(nèi)徑D1 > φ 20的范圍內(nèi)，單個彈簧很難滿足上述要求。因此，該設(shè)計采用組合彈簧。圖2所示為其中一個壓縮彈簧，組合彈簧的P1和P2值之和應(yīng)滿足P1+P1+P2=10670N，且各自應(yīng)滿足P2 < Plim。

2、組合彈簧的設(shè)計

        當(dāng)圓柱螺旋壓縮彈簧設(shè)計為承受較大載荷，安裝空間有限時，可以使用組合彈簧。這種彈簧鋼絲直徑小，便于制造。設(shè)計組合彈簧時，應(yīng)注意以下事項(xiàng):

1)內(nèi)外彈簧的強(qiáng)度應(yīng)接近相等，計算如下關(guān)系:D1/D2 = D1/D2 = (Pn1/Pn2) 1/2且PN = PN1+PN2，g類一般組合彈簧的Pn1(外彈簧最大工作載荷)與Pn2(內(nèi)彈簧最大工作載荷)之比為5: 2。

2)內(nèi)外彈簧的變形應(yīng)接近相等，其中一個彈簧在最大工作載荷下的變形Fn不應(yīng)大于另一個彈簧的工作極限變形Fj，實(shí)際變形差可通過墊片調(diào)整。

3)為了保證組合彈簧工作時不互相纏繞，防止內(nèi)外彈簧歪斜，兩個彈簧的旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)相反。如果采用三個彈簧的組合，應(yīng)保證中間彈簧的旋轉(zhuǎn)方向與外、內(nèi)彈簧的旋轉(zhuǎn)方向相反。

4)組合彈簧的徑向間隙δ應(yīng)滿足以下關(guān)系:δ = (d11-d22)/2 ≥ (d1-d2)/2，其中d11為外彈簧的內(nèi)徑，d22為內(nèi)彈簧的外徑，D1和D2為外彈簧和內(nèi)彈簧的線徑。

5)彈簧末端的支承面結(jié)構(gòu)應(yīng)能防止內(nèi)、外彈簧在工作中的偏移。

3、結(jié)論

        彈簧在斷路器 mechanism中應(yīng)用廣泛，關(guān)鍵彈簧對斷路器的性能影響很大。對于關(guān)鍵彈簧，設(shè)計時彈簧的工作壓力P2必須≤ 80% plim，以確保彈簧不會因疲勞而塑性變形。另外，彈簧可以通過噴丸、壓制等措施進(jìn)行強(qiáng)化，其Plim可以提高20%左右。

        當(dāng)然，根據(jù)彈簧的不同應(yīng)用場合，也可以通過使用合適的材料來提高彈簧的Plim值。彈簧表面鍍鋅后，必須進(jìn)行脫氫處理，防止彈簧氫脆?？傊?，在設(shè)計德力西斷路器 mechanism的彈簧時，不僅要考慮斷路器 mechanism的要求，還要考慮彈簧本身的一般設(shè)計規(guī)格，這樣設(shè)計出來的彈簧才能更好地滿足斷路器的使用要求。