斷路器用熱雙金屬的選擇和計算

1、w斷路器用熱雙金屬的選擇和計算連理枝一熱雙金屬（片）的主要物理性能及測量1熱敏感性能用比彎曲（k）來表示，它的物理意義是，表示單位厚度的熱雙金屬（片）溫度變化1C時曲率變化的一半。26-61）00式中：6為試樣（雙金屬）的厚度;為加熱后的雙金屬片的溫度；6為未加熱時雙金屬片的溫度；r入為雙金屬片變形后的曲率半徑;九.為雙金屬片未變形的曲率半徑，V=-I181k=.266九0從右圖可見，九2=L汁（九Af）九2=L2+九22XAf+Af22九Af=L?+Af22）L2+Af2九=2Af將（3）式代入（2）式得Af81k=x66Af+L20還可證明丄=護嚴）（6-6o）九283）4）（5）（、為不

2、同的兩種金屬的熱膨脹系數(shù)）代入，得k=3（aa）4當AfW10%L時，上述可簡化為Af81x-66L206）（7）有些國家采用溫曲率來表示熱雙金屬的熱敏感性。它表示單位厚度的熱雙金屬片溫度變化1C時曲率的變化。TOC o 1-5 h z即F=2K=3（a-a）（8）221式中F為溫曲率電阻率pP二阻（即R二p土）（9）LS關(guān)于雙金屬片的彈性模量：它是計算熱雙金屬元件的推力，轉(zhuǎn)矩和內(nèi)應(yīng)力不可缺少的參數(shù)。10)口4PL3E=AfbB3式中：P為機械推力kgfL為雙金屬長度為雙金屬厚度b為雙金屬寬度Af為產(chǎn)生的位移使用溫度范圍線性溫度范圍：在線性溫度范圍內(nèi)，熱雙金屬片的位移與溫度基本上成線性關(guān)系，其

3、范圍大小取決于組合層材料（特別是被動層）的膨脹性能。在線性溫度范圍，熱雙金屬具有最大的熱敏感性能偏轉(zhuǎn)角=-=2-aie-e）（11）屮九250當（a-a）保持為常數(shù)的溫度范圍，0與（e-e）為線性關(guān)系。這一范圍稱為0熱雙金屬的線性溫度范圍。允許使用溫度范圍：熱應(yīng)力（單純由加熱產(chǎn)生的應(yīng)力達到熱雙金屬彈性極限時的溫度，即為允許使用溫度的上限。下限的溫度與材料的低溫相變點等因素有關(guān)。允許使用溫度范圍大于線性溫度范圍。在線性溫度范圍以外，允許使用溫度范圍內(nèi)，材料的熱敏感性能有所降低。3應(yīng)力使用應(yīng)力：承受的應(yīng)力不超過使用應(yīng)力時，卸載荷后基本上能能恢復(fù)原狀。極限應(yīng)力：極限應(yīng)力大于使用應(yīng)力。承受的應(yīng)力大于使

4、用應(yīng)力但小于極限應(yīng)力時，熱雙金屬片還能工作，但卸載荷后有一定的殘余變形。為使熱雙金屬在實際使用中不致發(fā)生殘余變形，施加于熱雙金屬上的總應(yīng)力（負荷）（熱應(yīng)力，外加機械應(yīng)力以及殘余內(nèi)應(yīng)力三者疊加后的應(yīng)力）不應(yīng)超過使用應(yīng)力。二熱雙金屬元件的設(shè)計和計算1材料的選用1）元件的工作溫度范圍是選擇熱雙金屬最重要的參數(shù)之一，熱雙金屬的“允許使用溫度范圍”的上下限必須超過熱雙金屬在工作中可能達到的最高和最低溫度，以防止出現(xiàn)殘余變形。2）元件直接加熱選用熱雙金屬時，除考慮溫度因素外，還必須考慮電阻率和電阻溫度系數(shù)。為此，可從電阻系列熱雙金屬中選擇所需材料；以傳遞方式間接加熱的元件，應(yīng)選擇導(dǎo)熱性能較好的材料，也可在

5、元件上附加銅層，如靠幅射傳遞熱量，選用的材料最好是暗黑色。3）元件的工作溫度一般要求選在線性溫度范圍內(nèi)。4）快速動作或跳躍式，碟形元件，除考慮溫度因素外，還應(yīng)選擇彈性較高的材料，以便使元件具有較好的耐疲勞和抗變形性能。5）對承受重負荷并導(dǎo)致大彎曲應(yīng)力元件，應(yīng)選擇強度高的熱雙金屬；對塑性要求高的元件，一般選用較軟的材料。2元件形狀的選擇材料選定后，即要考慮元件的幾何形狀來適應(yīng)不同的運行條件（如動作與位移的形式，允許占據(jù)的空間以及受力情況等）的需要，以提高控制裝置的精密性。選擇直條形熱雙金屬時應(yīng)注意下列幾點：1）元件的長度一般不能小于寬度的三倍，寬度不大于厚度的20倍，否則元件的動作將不均勻。2）

6、為使元件獲得較大的推力，有時不可避免要選用寬的直形條片，則可在條片的長度方向開槽，以減少橫向的應(yīng)力對縱向應(yīng)力彎曲的影響。3）為承受較大的彎曲應(yīng)力，同時又保持一定的寬度，可將幾塊條片疊成一組來代替單片。元件尺寸的確定元件尺寸必須與占有空間、彎曲應(yīng)力、結(jié)構(gòu)和裝配要求等相適應(yīng)。溫度變化是熱雙金屬元件產(chǎn)生位移或推動力（或轉(zhuǎn)矩）的能源。如元件動作時完全是自由狀態(tài)（不受外力），則溫度的變化全部用來產(chǎn)生位移；反之如元件動作完全受限制（位移=0）,溫度的變化全部用來產(chǎn)生推力（或轉(zhuǎn)矩）。但大多數(shù)情況是上述二者兼而有之，即溫度變化的一部分用來產(chǎn)生位移，另一部分用來產(chǎn)生推力。設(shè)熱雙金屬元件在溫度和外力（阻力）同時作

7、用下位移量為Af；當外力P=0時，同一熱雙金屬元件在相同溫度條件下，完全是自由狀態(tài)時位移量為Af。9設(shè)m=竺Af9計算時應(yīng)注意的問題1）當m=1/2,即熱雙金屬元件把溫度變化的一半用來產(chǎn)生位移，另一半用來產(chǎn)生推力（或轉(zhuǎn)矩）時，元件的體積是最小的。這一條件適用于直條片，螺旋形和U形元件。但元件在這種情況下既不是最短也不是最薄的。如果計算長度與允許占有空間或與彎曲應(yīng)力、結(jié)構(gòu)和裝配等要求不適應(yīng)，則不能采用。2）當m=2/3時元件具有最小的長度，這一條件適用于直條形，螺旋形和U形。3）當m=1/3時，元件具有最小的厚度，這一條件適用于直條形和U形。4）元件動作時如有摩擦存在，則必須把它作為外力來處理。

8、這樣將使元件尺寸稍為增大。5）當元件的長、寬、厚三個尺寸之一給定時，其余兩個尺寸可用相應(yīng)的公式求出。如果三個尺寸都屬未知，則必須先假定一個尺寸，再求其余兩個。求出的結(jié)果不符合要求或不適用時，可適當變動一下，再重新計算。6）由于實際上元件的溫升不均勻，吸熱和散熱的條件就較難精確估計。假定的條件不完全符合實際情況，熱雙金屬元件的尺寸不能完全依靠計算得出，因此，元件的尺寸只能在初步計算的基礎(chǔ)上，再經(jīng)過實際使用條件下的反復(fù)試驗才能最后確定。熱雙金屬元件幾何形狀的計算公式元件形狀計算公式位移量機械推力熱推力外加機械應(yīng)力/:/XXV17k(9一9兒2Af0丄k(9-9)L360=0兀0b03EAfP-4L

9、3”dk(9-9)b02EP二64L6PL0=b02上表所列外加機械應(yīng)力公式僅限于外力引起的應(yīng)力，總應(yīng)力還必須包括材料加工過程中造成的殘余應(yīng)力和熱雙金屬中正常的熱應(yīng)力。對穩(wěn)定性有高要求時，彎曲負荷必須盡可能減少。常用形狀熱雙金屬元件的尺寸計算公式三熱雙金屬元件生產(chǎn)中應(yīng)注意的事項1沖剪、彎折、卷繞和固定1）熱雙金屬應(yīng)沿縱向（即片材軋制方向）落料，有時為了節(jié)約材料也可橫向落料，但熱敏感性能要降低約13%,其承受彎曲負荷的能力也比縱向落料的元件低。2）沖剪后元件邊緣應(yīng)不帶毛邊（即應(yīng)無毛刺），否則元件的熱敏感性能將降低。3）盡量避免過小的彎曲半徑，否則元件表面易出現(xiàn)裂紋，橫向落料元件比縱向的容易折斷。

10、如要求元件有較高的彎曲（折）性能，應(yīng)選用較軟材料，但其強度與承受負荷和高溫的能力都要降低。4）在繞制螺旋元件時應(yīng)考慮熱雙金屬片的反彈力。為了使螺旋元件達到要求的外形尺寸，卷繞時，匝間應(yīng)加適當?shù)膲|布。5）一般熱雙金屬被動層帶有識別標記。對不帶任何標記的材料，為便于識別，在制作元件時應(yīng)加如缺口等適當?shù)臉擞?。這對要求電鍍的元件尤其必要。6）熱雙金屬元件可采用鉚釘、螺釘、點焊或錫焊等方法固定。釬焊的溫度太高，會使元件軟化和產(chǎn)生新的應(yīng)力，因此不宜采用。5J20110（5J11）熱雙金屬的主動層熔點較低，易氧化，焊接時要特別注意。元件的熱處理在熱雙金屬的生產(chǎn)，元件的制作與裝配過程中，各道加工工序（如軋制、

11、校直、沖剪、彎、鉆、鉚、焊等）都會在元件中產(chǎn)生殘余應(yīng)力。為使元件工作穩(wěn)定必須通過熱處理，在基本上不損害性能的情況下，盡可能減少殘余應(yīng)力，并使之均勻化。熱雙金屬的熱處理是，在允許使用溫度范圍內(nèi)和允許負載范圍內(nèi)通過適當?shù)募訜徇^程，使其轉(zhuǎn)入一個穩(wěn)定狀態(tài)。這種過程的特點是溫度較低，升降溫的速度較慢，往往需要進行多次反復(fù)處理。熱處理的溫度一般應(yīng)比熱雙金屬元件在工作中可能碰到的最高溫度高50C,保溫時間約12小時。對較厚平板形元件，保溫時間應(yīng)長一些，反復(fù)次數(shù)可少一些。易變形的體積小，厚度薄的元件，其處理溫度不宜太高，保溫不宜太長，而反復(fù)的次數(shù)可增多一些。對于動作頻繁度大，精確度要求高的元件，寧可增多熱處理次數(shù)，而不宜采取高的熱處理溫度，保溫時間也不宜長。對于經(jīng)常工作在