高壓開關中連桿機構的簡便計算

陳賢會

摘 要：從操動機構動作到開關合分閘的中間環節的傳動機構的設計是開關設計人員最重要的工作。開關此部分傳動機構一般都是由一組或者幾組四連桿機構組成，采用傳統的公式去計算四連桿傳動機的力矩是非常繁鎖，而且也容易計算錯誤。本文采用不同的計算方式對幾組高壓真空斷路器的四連桿機構的靜態受力計算，總結出更加高效、簡便的計算方式。

關鍵詞：連桿機構;測量法;三角函數

一、引言

作為一名從事高壓開關行業的設計人員，對開關機械部份的力矩計算的能力是必不可少的。從機構動作到開關合分閘的中間環節的傳動機構的設計成了開關廠設計人員最重要的工作。而高壓開關此部分傳動機構一般都是由一組或者幾組傳動連桿機構組成，在靜態受力分析一般都采用三角函數的方法去計算，在計算過程中太過繁鎖很容易造成計算錯誤，以及計算效率不高。本文通過利用CAD繪圖軟件，結合新的計算方式，將更加高效、簡便的方式來計算各連桿傳動機構的受力情況。本文將采用不同的計算方式對連桿機構的力矩計算進行一個對比，來證明新的計算方式具有高效、簡便的。

二、XGN74-12斷路器柜傳動組成概述

首先，我們要了解在設計XGN74-12斷路器柜傳動的過程中，從操作機構驅動開始到斷路器完全合閘這一過程，都要有詳細的傳動過程計算。利用一組靜態傳動圖，來證明兩種計算方式對靜態受力分析的一致性。本文將采用一組機構中的凸輪剛接觸拐臂時的靜態傳動簡圖，利用兩種不同的計算方式來進行對比。XGN74-12斷路器操動機構到真空滅弧室的傳動主要是由機構凸輪、輸出拐臂組件、輸出拐臂、輸入拐臂、輸出臂板等。具體結構見圖1。

（一）機構凸輪剛接觸傳動拐臂時的傳動簡圖及計算

圖1中，紫色表示斷路器電氣本體部分，在機構后面，置于氣箱內部。在圖1中，為了方更計算，將作用在機構凸輪的力的合閘彈簧省略掉。在合閘彈簧過中后，在合閘彈簧的作用力下，機構凸輪逆時針旋轉。將圖1中，機構凸輪剛接觸輸出拐臂組件時的靜態傳動結構圖采用傳動簡圖方法表示。見圖2。

在實際運行中，機構中的能量由機構中的合閘彈簧通過凸輪等傳動件輸出到機構輸出拐臂，其整個運動過程較復雜，且整個運動過程受摩擦力等因素的影響，為了簡化計算，在計算時不考慮摩擦力等因素，直觀的反應出各構件的靜態受力。在已知機構凸輪T1的扭矩，以及四連桿機構各點的靜態位置，求施加在滅弧室上的力F5，以下分別用三角函數計算和新的簡便方法計算（為了方便敘述就稱其為“測量法計算”）。

（1）三角函數計算

三角函數計算采用大量的三角形作圖，從T1一步步推算到F5。那么我們下面采用直角三角形作圖，利用函數的方法一步步分解去計算各轉點上的扭矩和力。下面我們利用三角函數和圖解的方法進行去推算各扭矩和力的表達式。

當機構凸輪在扭矩T1的作用下，呈逆時針旋至一定角度，在與輸出拐臂上的滾輪剛接觸點時（設接觸點為B），其整體靜態受簡圖見圖2。利用B點和圓心A點連線就可以得到受力方向F1，直線AB兩端延長，分別與O1和O2形成兩個直角△AO1J和△O2KB。見圖3。作用力F1=T1/（AO1×sina1）;作用在O2的扭矩T2=F1×（sina2×O2B）;同理，將直線CD兩端延長，形成兩個直角△O2LC和△O3MD。見圖4。作用力F2=T2/（CO2×cosa3）;作用在O3的扭矩T3=F2×（sina4×O3D）;同理，按此方法直接可計算出F3和T4，最終可計算出F5。見圖5。F3=T3/（cosa5×O3E）;F4為分閘彈簧的作用力，在機構凸輪的作用下，使支點O4呈逆時針旋轉，必須要克服F4施加在支點O4上的扭矩。那么，T4=F3×（sina6×FO4）-F4×（sina7×GO4）;最終求得F5=T4/（cosa8×O4H）;為了體現F5完整表達公式，整合以上公式就可以得到推理公式;F5= [T1/（AO1×sina1）×（sina2×O2B）/（CO2×cosa3）×（sina4×O3D）/（cosa5×O3E）×（sina6×FO4）-F4×（sina7×GO4）] /（cosa8×O4H）? ? 公式①。

（2）測量法計算

上述三角函數的計算方式，我們發現其有一定的規律，角度乘以臂長就可以得到受力方向與支點中心垂線的尺寸。因此，只要明確了其受力方向，我們可以直接在圖上可以測量出各垂線的尺寸，利用乘除就可以得到完整的推理公式。設各垂線為L1～L8，見圖6。為了簡化過程，各個作用力和扭矩不再進行詳細的推理，只要推理出作用在F5上的力即可，可利用以下公式就可以得到F5的表達式。

F5= [T1/L1×L2/L3×L4/L5×L6-F4×L7] /L8? 公式②;

（3）參數驗算

為了證明其公式①和公式②兩者計算的一致性，假設凸輪上的扭矩和分閘彈

簧上的力值已知，各直角三角形斜邊和角度從CAD簡圖測量得出，利用公式①求出各構件的靜態受力情況。已知T1=40000N.mm，F4=450N，a1=26°，a2=53.7°，a3=9.5°，a4=27.3°，a5=20.2°，a6=85°，a7=48.3°，a8=3°，AO1=35mm，O2B=35.4mm，CO2×=40mm，O3D=40mm，O3E=40mm，FO4=50mm，GO4=76mm，O4H=40mm。把已知參數代入公式①中，得到F5=[40000/（35×sin26°）×（sin53.7°×35.4）/（40×cos9.5°）×（sin27.3°×40）/（cos20.2°×40）×（sin85°×50）-450×（sin48.3°×76）] /（cos3°×40）=506.6N。

按測量法來進行計算的話，僅測量出垂線的長度即可。已知T1和F4，L1=15.4mm，L2=28.5mm，L3=39.5mm，L4=18.5mm，L5=37.5mm，L6=49.8mm，L7=56.7mm，L8=40mm。把已知參數代入公式②中，得到F5=[40000/15.4×28.5/39.5×18.5/37.5×49.8-450×56.7]/40=513.2N。

同一種靜態傳動受力圖，采用以上兩種計算方法所取得結果是一致的。

三、結論

在已知的傳動靜態受力圖中，各個傳動受力值和扭矩都是可以按上述兩種方法進行驗算的。相對于利用三角函數的計算，過程繁鎖。采用受力方向與臂長夾角的角度和臂長的關系，計算出垂線的尺寸，在此過程中容易出現計算錯誤，對工程設計人員效率不高;而采用測量法來計算，只要確定了垂線的尺寸，省略了角度和臂長關系的計算，具有更加簡便、高效的計算方法。

參考文獻

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