斷路器用熱雙金屬的選擇和計(jì)算

1、w斷路器用熱雙金屬的選擇和計(jì)算連理枝一熱雙金屬（片）的主要物理性能及測(cè)量1熱敏感性能用比彎曲（k）來(lái)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(shí)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(shí)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(jiàn)，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(hù)嚴(yán)）（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(dāng)AfW10%L時(shí)，上述可簡(jiǎn)化為Af81x-66L206）（7）有些國(guó)家采用溫曲率來(lái)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(shí)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(jì)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(jī)械推力kgfL為雙金屬長(zhǎng)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(dòng)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(dāng)（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(dá)到熱雙金屬?gòu)椥詷O限時(shí)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(diǎn)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(guò)使用應(yīng)力時(shí)，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(shí)，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(shí)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(fù)荷）（熱應(yīng)力，外加機(jī)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(guò)使用應(yīng)力。二熱雙金屬元件的設(shè)計(jì)和計(jì)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(guò)熱雙金屬在工作中可能達(dá)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(shí)，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(dòng)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(duì)承受重負(fù)荷并導(dǎo)致大彎曲應(yīng)力元件，應(yīng)選擇強(qiáng)度高的熱雙金屬；對(duì)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(lái)適應(yīng)不同的運(yùn)行條件（如動(dòng)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(shí)應(yīng)注意下列幾點(diǎn)：1）元件的長(zhǎng)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(dòng)作將不均勻。2）

6、為使元件獲得較大的推力，有時(shí)不可避免要選用寬的直形條片，則可在條片的長(zhǎng)度方向開(kāi)槽，以減少橫向的應(yīng)力對(duì)縱向應(yīng)力彎曲的影響。3）為承受較大的彎曲應(yīng)力，同時(shí)又保持一定的寬度，可將幾塊條片疊成一組來(lái)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(dòng)力（或轉(zhuǎn)矩）的能源。如元件動(dòng)作時(shí)完全是自由狀態(tài)（不受外力），則溫度的變化全部用來(lái)產(chǎn)生位移；反之如元件動(dòng)作完全受限制（位移=0）,溫度的變化全部用來(lái)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(lái)產(chǎn)生位移，另一部分用來(lái)產(chǎn)生推力。設(shè)熱雙金屬元件在溫度和外力（阻力）同時(shí)作

7、用下位移量為Af；當(dāng)外力P=0時(shí)，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(shí)位移量為Af。9設(shè)m=竺Af9計(jì)算時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題1）當(dāng)m=1/2,即熱雙金屬元件把溫度變化的一半用來(lái)產(chǎn)生位移，另一半用來(lái)產(chǎn)生推力（或轉(zhuǎn)矩）時(shí)，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(jì)算長(zhǎng)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(dāng)m=2/3時(shí)元件具有最小的長(zhǎng)度，這一條件適用于直條形，螺旋形和U形。3）當(dāng)m=1/3時(shí)，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(dòng)作時(shí)如有摩擦存在，則必須把它作為外力來(lái)處理。

8、這樣將使元件尺寸稍為增大。5）當(dāng)元件的長(zhǎng)、寬、厚三個(gè)尺寸之一給定時(shí)，其余兩個(gè)尺寸可用相應(yīng)的公式求出。如果三個(gè)尺寸都屬未知，則必須先假定一個(gè)尺寸，再求其余兩個(gè)。求出的結(jié)果不符合要求或不適用時(shí)，可適當(dāng)變動(dòng)一下，再重新計(jì)算。6）由于實(shí)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(jì)。假定的條件不完全符合實(shí)際情況，熱雙金屬元件的尺寸不能完全依靠計(jì)算得出，因此，元件的尺寸只能在初步計(jì)算的基礎(chǔ)上，再經(jīng)過(guò)實(shí)際使用條件下的反復(fù)試驗(yàn)才能最后確定。熱雙金屬元件幾何形狀的計(jì)算公式元件形狀計(jì)算公式位移量機(jī)械推力熱推力外加機(jī)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(jī)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(guò)程中造成的殘余應(yīng)力和熱雙金屬中正常的熱應(yīng)力。對(duì)穩(wěn)定性有高要求時(shí)，彎曲負(fù)荷必須盡可能減少。常用形狀熱雙金屬元件的尺寸計(jì)算公式三熱雙金屬元件生產(chǎn)中應(yīng)注意的事項(xiàng)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(shí)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(fù)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(wú)毛刺），否則元件的熱敏感性能將降低。3）盡量避免過(guò)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(qiáng)度與承受負(fù)荷和高溫的能力都要降低。4）在繞制螺旋元件時(shí)應(yīng)考慮熱雙金屬片的反彈力。為了使螺旋元件達(dá)到要求的外形尺寸，卷繞時(shí)，匝間應(yīng)加適當(dāng)?shù)膲|布。5）一般熱雙金屬被動(dòng)層帶有識(shí)別標(biāo)記。對(duì)不帶任何標(biāo)記的材料，為便于識(shí)別，在制作元件時(shí)應(yīng)加如缺口等適當(dāng)?shù)臉?biāo)記。這對(duì)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(diǎn)焊或錫焊等方法固定。釬焊的溫度太高，會(huì)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(dòng)層熔點(diǎn)較低，易氧化，焊接時(shí)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(guò)程中，各道加工工序（如軋制、

11、校直、沖剪、彎、鉆、鉚、焊等）都會(huì)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(guò)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(fù)載范圍內(nèi)通過(guò)適當(dāng)?shù)募訜徇^(guò)程，使其轉(zhuǎn)入一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。這種過(guò)程的特點(diǎn)是溫度較低，升降溫的速度較慢，往往需要進(jìn)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(shí)間約12小時(shí)。對(duì)較厚平板形元件，保溫時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)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(zhǎng)，而反復(fù)的次數(shù)可增多一些。對(duì)于動(dòng)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(shí)間也不宜長(zhǎng)。對(duì)于經(jīng)常工作在