一種彈簧操動機構(gòu)凸輪的設計和校驗方法

李曉虎 方春陽 穆貝貝 郭勝軍 魏 偉

（許繼電氣股份有限公司，河南許昌461000）

0 引言

彈簧操動機構(gòu)是高壓斷路器的重要組成部分，是高壓斷路器中最常見，也是應用最廣的一種機構(gòu)[1]。彈簧操動機構(gòu)是以彈簧作為動力元件對開關(guān)進行分閘和合閘操作的操動機構(gòu)[2]，在合閘過程中，由于彈簧的動力逐漸減小，而斷路器的阻力則逐漸增大，導致動力特性與阻力特性不能匹配，因此需要通過傳動環(huán)節(jié)進行改善。凸輪連桿機構(gòu)是彈簧操動機構(gòu)的核心[3]，通過該傳動機構(gòu)可改善合閘輸出特性并與負載特性相匹配，保證合閘可靠性。以往的凸輪廓線主要靠經(jīng)驗設計，這些凸輪廓線大多只由幾段圓弧或圓弧與直線組成，可參照同類產(chǎn)品中已有的凸輪廓線，通過試驗檢驗其是否滿足設計要求[4]。

本文主要介紹一種凸輪設計新方法，能設計出滿足機構(gòu)合閘特性的凸輪廓線。

1 合閘過程分析

一般斷路器的合閘過程可以分為以下幾個階段：

第一個階段：加速過程，動凸輪從儲能保持位置轉(zhuǎn)動到剛動位置，此過程中沒有負載，動凸輪做加速運動。

第二個階段：動觸頭運動過程，動凸輪從剛動位置轉(zhuǎn)動到剛合位置，此過程中的負載主要是分閘簧。

第三個階段：超程簧壓縮過程，動凸輪從剛合位置轉(zhuǎn)動到過沖位置，此過程中的負載主要是超程簧和分閘簧。

第四個階段：保持過程，動凸輪從過沖位置轉(zhuǎn)動到結(jié)束位置，動凸輪在合閘簧和慣性的作用下，使超程簧一直處于被壓縮到最大值的位置。

剛動位置：動凸輪和合閘滾輪剛接觸時的位置即動觸頭開始運動位置。

剛合位置：滅弧室動靜觸頭剛接觸時動凸輪的位置。

過沖位置：超程簧被壓縮到最大值時動凸輪的位置。

結(jié)束位置：合閘滾輪將離開動凸輪的位置。

2 凸輪設計

動凸輪外形一般認為是一條樣條曲線，樣條曲線的定位需要兩組數(shù)據(jù)，一組是以動凸輪軸轉(zhuǎn)動圓心到合閘滾輪軸圓心的距離L，另一組是定位點與圓心所在直線相對初始位置的角度θ。

2.1 樣條曲線定位數(shù)據(jù)確定

如圖1所示，斷路器達到剛合點位置時，由于需要克服超程簧做功，所需要的動力扭矩突變，因此此位置應對合閘簧對儲能軸的最大扭矩處，扭矩最大位置處θM=（65°～70°），可根據(jù)動觸頭的運動距離H動+2 mm（考慮機構(gòu)系統(tǒng)的剛性形變的影響，設計行程稍大2 mm）。以ZW20斷路器為例，按照每份1 mm（可根據(jù)開距大小適當調(diào)整）微分成n份，而凸輪的轉(zhuǎn)動角度也微分為n份，每份的角度為/n。

圖1 ZW20斷路器機構(gòu)分閘位置

超程簧壓縮過程，超程簧產(chǎn)生的扭矩較大，需要更多的能量，為了盡可能利用合閘簧的能量，把動凸輪從θM轉(zhuǎn)動到θ過（θ過一般選為130°），作為動凸輪對超程簧的做功過程，根據(jù)超程簧的運動距離H超+0.5 mm，按照每份0.5 mm（可根據(jù)超程大小適當調(diào)整）微分為m份，而凸輪的轉(zhuǎn)動角度也微分為m份，每份的角度為（130-θM）/m。

通常初始位置設定d=2 mm，以保證分閘后，分閘摯子不會撞擊到動凸輪圓輪廓上。

凸輪的輪廓即為L和θ做出的樣條線L（合閘滾輪圓心的運動軌跡）偏移r合距離后的新樣條線L動。

根據(jù)各個位置的樣條曲線定位數(shù)據(jù)編制合閘滾輪軸圓心到動凸輪轉(zhuǎn)動圓心的距離L與定位點相對圓心初始位置的角度θ關(guān)系表，如表1所示。

2.2 繪制凸輪輪廓

2.2.1 繪制出合閘滾輪圓心運動軌跡的樣條曲線

根據(jù)表1中θ和L的數(shù)據(jù)，以極坐標的方式，繪制出樣條曲線L，如圖2所示。

2.2.2 生成動凸輪輪廓的樣條曲線

保證θ不變，剛動位置、剛合位置、過沖位置的長度不變的情況下，微調(diào)剛合位置和過沖位置附近的L值，保證樣條曲線L可以r合的長度進行偏移，生成動凸輪輪廓的樣條曲線L動，以樣條曲線L的剛合點為圓心O，以r合為半徑做圓，相交于樣條曲線L動的剛合點P，并在射線OP連線上找一點做圓心Q，以LPQ的長度為半徑做圓弧，分別交樣條曲線L動于兩點。再以此兩點分別與剛動點和過沖點做圓弧，使圓弧線盡可能貼近樣條曲線L動，如圖3所示。

表1 L與θ關(guān)系表

圖2 合閘滾輪的樣條曲線L

圖3 動凸輪輪廓

3 合閘凸輪校驗

3.1 微分合閘過程

以ZW20斷路器機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式為例，超程簧與滅弧室存在一定夾角，相互運動通過傳動機構(gòu)實現(xiàn)，如圖1所示，從剛動位置到過沖位置，可以按照輸出軸的轉(zhuǎn)動角度，對動觸頭運動過程和超程簧壓縮過程分別微分，動觸頭運動過程根據(jù)輸出軸轉(zhuǎn)動角度分為5～10份，超程簧壓縮過程根據(jù)輸出軸轉(zhuǎn)動角度分為10～15份。

3.2 計算對比動力矩和阻力矩

3.2.1 計算各個角度合閘動力扭矩和阻力扭矩

利用繪圖和搭建數(shù)學模型相結(jié)合的方法，計算微分后各個點動力對輸出軸的扭矩M動和阻力對輸出軸的扭矩M阻。

3.2.2 比較動力矩和阻力矩

根據(jù)各個點的動力矩和阻力矩繪制扭矩曲線圖，如圖4所示，在合閘過程中，動力矩曲線1始終保持動力矩大于阻力距，此種情況，機構(gòu)能夠可靠合閘，而動力矩曲線2和動力矩曲線3均有部分動力矩小于阻力矩，此種情況會導致機構(gòu)不能可靠合閘，或者合閘速度低于設計要求，就需要對動力矩小于阻力矩的輪廓部分進行調(diào)整，調(diào)整該部分L與θ的相關(guān)參數(shù)，使動力矩始終能夠大于阻力矩。

4 結(jié)語

圖4 動力距與阻力矩曲線對比

根據(jù)此種方法進行的凸輪設計和校驗，不但可以保證合閘過程中動力矩始終大于阻力矩，還可通過改變L與θ的相關(guān)參數(shù)，使機構(gòu)擁有合格的合閘速度。與傳統(tǒng)凸輪設計方法相比，本文的設計方法不僅合閘可靠性高，而且動力特性和阻力特性更加匹配。