手車式真空斷路器聯(lián)鎖設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析

張敬濤 叢艷偉 康世榮 趙東輝 張羅銳 于洪宇 吳 登

（天津平高智能電氣有限公司，天津300300）

作為電力系統(tǒng)中重要的開關(guān)設(shè)備，在斷路器運(yùn)行中，防止誤操作裝置的設(shè)計(jì)關(guān)系到直接關(guān)系到斷路器運(yùn)行維護(hù)中的安全及可靠問題。電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)范中指出凡是有可能發(fā)生人員失誤而引起誤操作的高壓電器設(shè)備應(yīng)裝設(shè)誤防裝置，誤防裝置應(yīng)實(shí)現(xiàn)“五防”功能，在成套的高壓開關(guān)柜中誤防裝置要有限選用機(jī)械閉鎖。手車式真空斷路器作為高壓開關(guān)柜中最重要的開關(guān)設(shè)備，其聯(lián)鎖閉鎖功能直接關(guān)系到開關(guān)柜的穩(wěn)定運(yùn)行，而在手車式真空斷路器試驗(yàn)位置與工作位置切換途中的合閘閉鎖功能是其“五防”聯(lián)鎖中的重要功能之一。

本文通過對(duì)斷路器合閘閉鎖的設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析，對(duì)手車式真空斷路器的合閘閉鎖功能實(shí)現(xiàn)及彈簧力值的選擇進(jìn)行優(yōu)化分析，最終設(shè)計(jì)出滿足使用要求的合閘閉鎖結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了斷路器的安全可靠運(yùn)行。

1 合閘閉鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手車式真空斷路器合閘聯(lián)鎖是依靠機(jī)構(gòu)合閘閉鎖板的上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)機(jī)構(gòu)聯(lián)鎖板處于下端時(shí)，機(jī)構(gòu)處于解鎖狀態(tài)，當(dāng)機(jī)構(gòu)聯(lián)鎖板向上運(yùn)動(dòng)到設(shè)計(jì)位置時(shí)，機(jī)構(gòu)處于合閘閉鎖狀態(tài)。如圖1 所示：

2 合閘閉鎖仿真分析

2.1 初始判據(jù)

為保證合閘閉鎖結(jié)構(gòu)靈活可靠，底盤車鎖板轉(zhuǎn)動(dòng)輸出力值應(yīng)始終大于合閘閉鎖復(fù)位簧的力值，并應(yīng)有1.2 倍的設(shè)計(jì)裕度。

2.2 合閘閉鎖運(yùn)動(dòng)過程力值計(jì)算

2.2.1 設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)

a. 底盤車鎖板扭簧：T1=2394±230N.mm T2=2260±220N.mm K=13.3N.mm/°，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角10 度°。

b.合閘閉鎖復(fù)位簧：F1=10N，F(xiàn)2=15N，K=0.625N/mm，有效圈數(shù)n=12。

2.2.2 力學(xué)分析

由于初始為止存在間隙，底盤車搖動(dòng)脫扣后轉(zhuǎn)動(dòng)2.19°與合閘聯(lián)鎖橫板接觸，帶動(dòng)聯(lián)鎖推桿向上運(yùn)動(dòng)。底盤車初始位置與合閘聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)位置關(guān)系如圖2 所示：

圖2 底盤車初始位置與合閘聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)位置關(guān)系圖

對(duì)接觸位置進(jìn)行受力分解，如圖3 所示：

圖3 初始接觸位置受力分析圖

底盤車初始扭簧扭矩為2394N.mm，轉(zhuǎn)動(dòng)2.19°后扭矩為：

N=2394-2.19°×13.3=2364.873N.mm

接觸時(shí)切向力為：

F切=N÷L=2364.873÷68.6=34.47N

傳動(dòng)效率按75%計(jì)算，豎直向上的分力為：

F豎= F切sinθ=34.47×sin26.16°×75%=12.2025N

將公式進(jìn)行整合為：

F豎= (N/L)sinθ×75%

按照此公式以1°為步長(zhǎng)進(jìn)行逐步計(jì)算，直至轉(zhuǎn)角到達(dá)10°。計(jì)算結(jié)果表1 所示：

表1 底盤車聯(lián)板扭簧標(biāo)稱值輸出力值

根據(jù)圖紙要求，計(jì)算扭簧下偏差極限力值，如表2 所示：

表2 底盤車聯(lián)板扭簧下偏差值輸出力值

通過計(jì)算，聯(lián)鎖推桿向上移動(dòng)9.7mm，聯(lián)鎖推板與推桿中間存在2.57mm 間隙，所以聯(lián)鎖推板運(yùn)動(dòng)距離為7.13mm。根據(jù)此力值進(jìn)行合閘閉鎖復(fù)位簧運(yùn)動(dòng)力值計(jì)算，如表3 所示：

表3 合閘閉鎖復(fù)位簧運(yùn)動(dòng)力值

將三組數(shù)據(jù)繪制成曲線圖進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4 所示：

圖4 力值對(duì)比曲線圖

2.2.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過對(duì)比可以看出，當(dāng)?shù)妆P車鎖板轉(zhuǎn)動(dòng)到9°時(shí)，合閘閉鎖復(fù)位簧力值高于扭簧設(shè)計(jì)下限輸出力值，底盤車鎖板停止動(dòng)作，此時(shí)合閘閉鎖板移動(dòng)高度為6.43mm。當(dāng)?shù)妆P車鎖板轉(zhuǎn)動(dòng)到7.2°時(shí)，合閘閉鎖復(fù)位簧力值高于判據(jù)值，底盤車鎖板停止動(dòng)作，此時(shí)合閘閉鎖板移動(dòng)高度為5.03mm。

2.3 結(jié)論

通過計(jì)算分析可以得出，在底盤車鎖板扭簧力值下限時(shí)，合閘閉鎖板移動(dòng)高度可以滿足可靠聯(lián)鎖需要高度，但在判據(jù)值下，合閘閉鎖板移動(dòng)高度在可靠聯(lián)鎖需要高度偏下部位。此結(jié)構(gòu)存在合閘閉鎖不可靠的情況，當(dāng)零部件尺寸加工誤差較大，裝配工藝處理不好的情況下，極易出現(xiàn)合閘閉鎖失效的情況。此計(jì)算亦可反推驗(yàn)證判據(jù)值的合理性。

3 合閘閉鎖優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

重新設(shè)計(jì)合閘閉鎖復(fù)位簧，將彈簧工作位置F2 值設(shè)計(jì)為低于底盤車鎖板扭簧輸出力值判據(jù)值,值為6.66N。

考慮安全系數(shù)關(guān)系，F(xiàn)2=6.66/σ

其中:σ-安全系數(shù)，值為1.2,則F2=5.55。

新設(shè)計(jì)彈簧輸入?yún)?shù):d=0.8mm，D=8mm，F(xiàn)2=5.55N，F(xiàn)1=2.7N,合閘閉鎖復(fù)位簧拉伸行程△L=7.13mm，K=0.4N/mm，機(jī)構(gòu)初始安裝合閘閉鎖復(fù)位簧高度H=41mm。

則彈簧初始安裝尺寸: L=H-(F1/K)=34.25mm

根據(jù)彈簧剛度計(jì)算公式：

其中：K-彈簧剛度；G-彈簧材料切變模量；d- 彈簧線徑；D-彈簧中經(jīng)；n-彈簧有效纏繞圈數(shù)；

將已知量帶入公式，通過計(jì)算得出：n=20 元整為：n=20

原結(jié)構(gòu)彈簧與優(yōu)化彈簧參數(shù)對(duì)比如4 表所示：

表4 優(yōu)化前后合閘閉鎖復(fù)位簧參數(shù)對(duì)比

根據(jù)前述計(jì)算步驟進(jìn)行優(yōu)化后合閘閉鎖復(fù)位簧運(yùn)動(dòng)力值計(jì)算，如表5 所示：

表5 合閘閉鎖復(fù)位簧運(yùn)動(dòng)力值

將底盤車鎖板扭簧輸出力值與改進(jìn)后合閘閉鎖復(fù)位簧力值數(shù)據(jù)繪制成曲線圖進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5 所示：

圖5 力值對(duì)比曲線圖

通過圖表可以看出，在合閘聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，合閘閉鎖復(fù)位簧力值低于底盤車鎖板扭簧輸出力值的判據(jù)值，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

通過對(duì)斷路器合閘閉鎖設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)校核，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在底盤車鎖板扭簧力值下限時(shí)，合閘閉鎖板移動(dòng)高度可以滿足可靠聯(lián)鎖需要高度，但在判據(jù)值下，合閘閉鎖板移動(dòng)高度不滿足可靠聯(lián)鎖需要高度。此結(jié)構(gòu)存在合閘閉鎖不可靠的情況，當(dāng)零部件尺寸加工誤差較大，裝配工藝處理不好的情況下，極易出現(xiàn)合閘閉鎖失效的情況。對(duì)合閘閉鎖連板及合閘閉鎖連板復(fù)位簧進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過計(jì)算，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在判據(jù)值以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。