淺談彈簧操動機構儲能過程保持方式

穆貝貝，袁平定

（許繼電氣股份有限公司，河南許昌461000）

淺談彈簧操動機構儲能過程保持方式

穆貝貝，袁平定

（許繼電氣股份有限公司，河南許昌461000）

彈簧操動機構是一種以彈簧作為儲能元件的機械式操動機構，其利用已儲能彈簧釋放的能量為動力，實現機構的合閘操作。本文針對彈簧操動機構儲能過程中使用的四種儲能過程保持方式加以分析說明，并介紹各自的特點及使用環境，為彈簧操動機構的儲能過程保持設計提供選擇依據。

彈簧操動機構；儲能過程保持方式；特點

彈簧操動機構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。其儲能方式分為電動和手動兩種儲能方式。電動儲能方式是通過電動機帶動減速裝置來實現；而手動方式是通過手動方式操作儲能手柄，進而帶動機構的輸入接口來實現儲能。在手動儲能中，儲能彈簧未運動到儲能保持狀態的情況下，通過操作手柄對機構的輸入接口做功時，需有儲能過程保持裝置，否則手動操作手柄一旦停止或取消對機構的輸入接口做功，儲能彈簧將釋放已儲存的能量，驅動儲能手柄倒轉，進而造成手動儲能失敗。

彈簧操動機構原理簡單，性能穩定，隨著彈簧操動機構在開關行業的廣泛應用，用戶對彈簧操作機構可靠性要求越來越高。對手動儲能功能的要求越來越苛刻，不僅要求動作靈敏穩定，而且要求操作方便，后期使用盡可能達到免維護狀態。本文對手動方式儲能過程中的儲能過程保持方式作簡要探討。

1 彈簧操動機構手動方式儲能的過程和要求

1.1 彈簧操動機構手動方式儲能的過程

彈簧操動機構的儲能環節一般包括手動輸入軸、齒輪嚙合傳動環節或鏈輪傳動環節、離合摯子、離合輪、儲能軸、拐臂和儲能簧等。離合摯子固定在齒輪或鏈輪上，離合輪和拐臂固接在儲能軸上。儲能時，由手動輸入軸通過齒輪嚙合傳動環節或鏈輪傳動環節帶動離合摯子運動，然后由離合摯子驅動離合輪帶動拐臂旋轉運動，從而由拐臂拉動合閘彈簧進行儲能，直到儲能到位并保持。同時離合摯子通過限位軸脫離離合輪，保證電機或儲能手柄可繼續沿儲能方向運動，不至于儲能簧運動到位后而由于手動或電動方式儲能過位而造成機構卡死。

1.2 彈簧操動機構手動方式儲能的要求

儲能彈簧從初始最短狀態被拉伸到最大極限長度狀態過程中的某一任意時刻時，要求儲能手柄停止轉動或拔出后，儲能彈簧的能量不能釋放，而應實現此狀態的即時保持。為實現此過程種某一時刻保持，此處需要有一機械限位裝置，該裝置要求具有一定的強度，達到一定的壽命和較高的安全性。儲能操作動作應可靠，保持裝置動作應靈敏。

2 儲能過程保持的種類

2.1 棘爪方式的儲能過程保持

彈簧操動機構的儲能環節通常都有齒輪傳動環節。可在機構側板上安裝固定一棘爪（如圖1），并帶有棘爪復位扭簧，通過棘爪的尖部與齒輪的齒廓相嚙合而實現單向保持，由此實現齒輪的單向傳動，逆向保持扭矩[1]。

圖1 棘爪方式儲能保持示意圖

在手動儲能過程中，儲能手柄儲能旋轉時，大齒輪順時針轉動，并由大輪齒依其外形撥動棘爪升離輪齒，從而實現齒輪傳動，當棘爪尖部越過齒頂時，在棘爪復位扭簧的復位扭矩下，棘爪尖部再次躍入齒底，此時儲能手柄拔出或停止提供儲能扭矩時，棘爪仍與齒輪齒廓嚙合而實現保持，防止了齒輪倒轉，實現了儲能過程保持。

此種方式的優點是：結構簡單、體積精小、工藝可靠性高、機械壽命長、零件簡單、加工方便、成本低、易維護且標準化程度高。缺點是：儲能過程中，因棘爪在棘爪復位扭簧的復位扭矩下，棘爪的尖部從齒形頂部躍入齒底時，產生“噠噠”的聲響。另外由于棘爪尖部與齒輪齒廓間隙較大，存在較小幅度的回退，此動作不是很靈敏。受到齒輪齒數數量的限制，對其動作靈敏性影響很大，齒數越多，傳遞越精確。齒數越少，傳遞回退現象越明顯。

此種方式的儲能過程保持對工作狀況要求低，能克服工作環境灰塵大、潤滑狀況一般、重載傳遞，瞬間能承受一定的沖擊力，適應性強，適用范圍廣。

2.2 凸輪方式的儲能過程保持

傳動原理示意圖如圖2所示，手動儲能時，儲能連桿順時針旋轉，對與其鉸接一起的儲能凸輪產生一壓力，使儲能盤與儲能凸輪間形成驅動儲能盤旋轉的摩擦力，通過此摩擦力帶動儲能盤做順時針轉動，后續儲能方式類似于大齒輪儲能方式，從而實現彈簧操動機構的儲能。而保持凸輪在自身復位扭簧的作用下，時刻保持與儲能盤圓面接觸。當連桿回位時或者停止做功時，儲能盤在儲能彈簧的回退扭矩下，給保持凸輪一壓力，在儲能盤與保持凸輪間形成阻礙凸輪盤旋轉的摩擦力，從而實現儲能盤的保持。而此時儲能凸輪對儲能盤的壓力也隨之消失，僅在自身復位簧作用下，產生與儲能盤接觸的壓力，此壓力很小，可忽略不計。連桿如此回位，繼續下一個儲能動作，以實現單向傳遞扭矩，直至儲能結束。

圖2 凸輪方式儲能保持示意

這種方式的優點是：儲能噪聲小、傳動過程平穩、無回退現象。缺點是體積大、結構容易受空間布局限制、凸輪加工精度高、工藝復雜、成本高。這種方式一般不采用尺寸齒輪驅動齒輪軸，而是采用凸輪驅動圓柱面的方式進行直接驅動儲能軸進行儲能，與電動傳動環節分離。為提高傳遞可靠性，需要在儲能凸輪與儲能盤和保持凸輪與儲能盤之間保持一定的摩擦系數。其系數不能太小，否則容易失效。同時，對零件表面光潔度要求較為嚴格，因此此種方式使用范圍較小。

2.3 單向軸承方式的儲能過程保持

此方式是將單向軸承安裝到軸承套內（見圖3），再將軸承套固定在機構側板上，最后將儲能環節的齒輪軸或鏈輪軸穿過單向軸承，通過單向軸承自身的單向功能實現儲能環節的單向傳動。

圖3 單向軸承方式儲能保持示意圖

此種方式的優點是：儲能無噪音、零件標準化程度高、結構簡單、空間占用小、無回退。缺點是：對與之配合的儲能軸的精度和強度要求高、機械強度低、可靠性稍差、損壞后機構儲能卡死狀態不易消除，不易維護。

此種方式一般使用在儲能環節大于2級齒輪傳動的環節上，為減小單向軸承的負載扭矩，單向軸承一般用于一級傳動齒輪軸上。工況要求較高，要求在密閉、潤滑良好且污垢較少的工況下，扭矩傳遞要求較平穩，載荷不大，受力變化幅度要求不是很大，以延長其使用壽命。適用范圍有一定局限性。

2.4 超越離合器方式的儲能過程保持

此方式在功能上類似于單向軸承（見圖4），但這種超越離合器一般直接使用在驅動合閘彈簧儲能的儲能軸上，超越離合器的外圈固定在機構側板上，內圈固接在儲能軸上。同樣采用齒輪或鏈輪傳動方式帶動超越離合器內圈單向轉動，反向保持[2]。

圖4 超越離合器方式儲能保持示意

一般彈簧操動機構合閘后，合閘彈簧會在初始位置反復震動，最終歸于初始位置，這樣對儲能簧的壽命會有一定的影響。而使用這種方式的彈簧操動機構，其合閘后合閘簧會運動到儲能方向擺動幅值最大的位置保持，從而減小下一次儲能手柄提供扭矩的圈數，對于電動則減小電機帶負載運動的圈數。

這種方法的優點是：儲能無噪音，可靠性高，無回退，扭矩傳遞能承受一定的沖擊，載荷大，減少手動帶負載操作的儲能次數。缺點是：結構復雜、組裝工藝復雜且要求較高、工況要求較高，要求在密閉、潤滑良好且污垢較少的工況下，體積大、加工精度高，機械強度高、適用性較差。

3 結束語

手動彈簧操動機構的儲能過程保持種類較多，各有特點，使用方法和適用環境也各不相同，在儲能過程保持的設計中可根據手動彈簧操動機構的布局特點、傳動環節的特點、使用工況的不同以及加工單位自身工藝水平高低，以及產品的定位等方面，綜合考慮選擇合適的設計方案。

[1]姚受田.多功能的雙爪棘輪機構[J].礦山機械，1995（02）：39.

[2]王建偉，張素寧.三種單向自動離合器特性及使用分析[J].移動電源與車輛，1999（04）：2.

The Energy Storage Process Holding Ways of the Spring Operating Mechanism

MU Bei-bei，YUAN Ping-ding
（XuJi Electric Co.，Ltd.，Xuchang Henan 461000，China）

Spring operating mechanism is a kind of mechanical actuator with spring as energy storage element，and uses energy released by stored energy spring as the driving force to achieve the closing operation of the mechanism. In this paper，the four kinds of energy storage process holding ways used in energy storage process of spring operating mechanism are analyzed，and their characteristics and the usage contexts are introduced，providing the basis for energy storage process holding design of the spring operating mechanism.

spring operating mechanism；energy storage process holding ways；characteristics

TM561

：A

：1672-545X（2017）01-0019-02

2016-10-20

穆貝貝（1989-），男，河南周口人，助理工程師，本科，從事開關機構設計及制造工作。