一種彈簧操動機構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[1]。彈簧操動機構是以彈簧作為動力元件對開關進行分閘和合閘操作的操動機構[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節進行改善。凸輪連桿機構是彈簧操動機構的核心[3]，通過該傳動機構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動到結束位置，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據，一組是以動凸輪軸轉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 樣條曲線定位數據確定

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°），可根據動觸頭的運動距離H動+2 mm（考慮機構系統的剛性形變的影響，設計行程稍大2 mm）。以ZW20斷路器為例，按照每份1 mm（可根據開距大小適當調整）微分成n份，而凸輪的轉動角度也微分為n份，每份的角度為/n。

圖1 ZW20斷路器機構分閘位置

超程簧壓縮過程，超程簧產生的扭矩較大，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，根據超程簧的運動距離H超+0.5 mm，按照每份0.5 mm（可根據超程大小適當調整）微分為m份，而凸輪的轉動角度也微分為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。

根據各個位置的樣條曲線定位數據編制合閘滾輪軸圓心到動凸輪轉動圓心的距離L與定位點相對圓心初始位置的角度θ關系表，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

根據表1中θ和L的數據，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斷路器機構的結構形式為例，超程簧與滅弧室存在一定夾角，相互運動通過傳動機構實現，如圖1所示，從剛動位置到過沖位置，可以按照輸出軸的轉動角度，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輸出軸轉動角度分為5～10份，超程簧壓縮過程根據輸出軸轉動角度分為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

利用繪圖和搭建數學模型相結合的方法，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整，調整該部分L與θ的相關參數，使動力矩始終能夠大于阻力矩。

4 結語

圖4 動力距與阻力矩曲線對比

根據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的相關參數，使機構擁有合格的合閘速度。與傳統凸輪設計方法相比，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。