一種電動(dòng)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用簡(jiǎn)介

李東濤　劉偉杰　劉新軍　王超　閆嬙

摘要 通過(guò)建立彈簧機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算方程式，將推導(dǎo)出的彈簧機(jī)構(gòu)輸出扭矩及轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式應(yīng)用于實(shí)例，設(shè)計(jì)了一種快接地彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有快合慢分功能，使得機(jī)構(gòu)與本體更好的匹配，分閘運(yùn)動(dòng)不再依靠彈簧彈力，而是靠機(jī)構(gòu)電機(jī)扭矩傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)分閘，降低了儲(chǔ)能彈簧彈力，減少了機(jī)構(gòu)的彈簧震動(dòng)，提高了機(jī)構(gòu)壽命。

關(guān)鍵詞：高壓開(kāi)關(guān);操動(dòng)機(jī)構(gòu);分合

高壓電氣行業(yè)，快速接地開(kāi)關(guān)裝置是氣體絕緣金屬封閉組合電氣GIS的一個(gè)組件，配置在出線回路的出線隔離開(kāi)關(guān)靠線路一側(cè)，它有兩個(gè)作用：開(kāi)合平行架空線路由于靜電感應(yīng)產(chǎn)生的電容電流和電磁感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流;當(dāng)外殼內(nèi)部絕緣子出現(xiàn)爬電現(xiàn)象或外殼內(nèi)部燃弧時(shí)，快速接地開(kāi)關(guān)將主回路快速接地，利用斷路器切除故障電流。快接地開(kāi)關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)是高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)中的核心操動(dòng)設(shè)備，主要是操作快速接地開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的分合閘運(yùn)動(dòng)。

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有快接地電動(dòng)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)中，整體外形尺寸偏大。另外，現(xiàn)有的操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用快分快合原理，即分合閘都是由彈簧釋放相等的能量完成，這種方式不利于分閘操作，由于開(kāi)關(guān)本體的分閘負(fù)載曲線與合閘負(fù)載曲線不同導(dǎo)致，為了能夠分閘，必然增加彈簧力，這樣會(huì)引起合閘速度過(guò)快，震動(dòng)增大，不利于開(kāi)關(guān)本體和機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命。同時(shí)現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的基座和外殼的加工成本較高，裝配效率較低。在這里介紹一種電動(dòng)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)供大家學(xué)習(xí)與參考，該機(jī)構(gòu)滿足GIS中的快速接地開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)快速合閘、慢速分閘的功能。

1 主要結(jié)構(gòu)組成及原理

該一種電動(dòng)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)由基座、電機(jī)、主軸組件、緩沖器組件、蝸輪蝸桿組件和彈簧組件。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用快合慢分原理，既滿足關(guān)合短路電流的要求，又最大可能減小彈簧操作功;只需合閘緩沖器組件，減少了分閘緩沖器組件的設(shè)置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

2.1總體組成

如圖1-圖3所示，機(jī)構(gòu)包括：基座1、電機(jī)2、主軸組件3、蝸輪蝸桿組件4、彈簧組件5和緩沖器組件6，其中：主軸組件3固定設(shè)置于基座1上，彈簧組件5一端與基座1相連接，另一端與主軸組件3相連接，蝸輪蝸桿組件4的蝸桿7兩端固定設(shè)置于基座上，蝸輪8與主軸組件3相連接，電機(jī)2與蝸桿7連接。電機(jī)2的輸出軸上設(shè)有與蝸輪蝸桿組件4蝸桿7連接的聯(lián)軸器19。

2.2 主軸組件

主軸組件3包括：主軸9、主動(dòng)拐臂10以及從動(dòng)拐臂11，其中：主軸9套接于主動(dòng)拐臂10內(nèi)且一端通過(guò)軸承與基座1活動(dòng)設(shè)置，主軸9通過(guò)花鍵套接于從動(dòng)拐臂11內(nèi)，從動(dòng)拐臂19嵌入安裝在主動(dòng)拐臂10的中部空間。

主動(dòng)拐臂10具體通過(guò)軸套12與主軸9相連。

從動(dòng)拐臂11具體通過(guò)花鍵固定設(shè)置于主軸9上。從動(dòng)拐臂11為不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，包括三個(gè)凸臺(tái)13、14、15，如圖1。

主軸9與底座之間設(shè)有角接觸球軸承16以實(shí)現(xiàn)活動(dòng)連接。

2.3蝸輪蝸桿組件

蝸輪蝸桿組件4包括：兩個(gè)軸承座17、18、蝸桿7、蝸輪8、扭簧21，其中蝸桿7的兩端分別與第一軸承座17和第二軸承座18相連，第一軸承座17和第二軸承座18分別固定設(shè)置于基座1上，蝸輪8通過(guò)軸承套接于主軸9上，扭簧21套接于主軸9上且一頭固定于基座1，另一頭固定于蝸輪8上。

蝸輪8為異形結(jié)構(gòu)，保留工作弧段的全齒形，剩余弧段為切去全齒牙的弧面，如圖1。

蝸桿7與兩個(gè)軸承座17、18相接觸的位置分別設(shè)有角接觸球軸承22。

2.4彈簧組件

彈簧組件5包括：彈簧23、拉桿24和支座20，其中：拉桿24和支座20分別轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置于主軸組件3上和基座1上，彈簧23的兩端分別與拉桿24及支座20相連。

2.5緩沖器組件

緩沖器組件6包括：緩沖器安裝于基座上，對(duì)合閘運(yùn)動(dòng)結(jié)束階段起緩沖作用。

2 主要工作原理

如圖1所示，為本機(jī)構(gòu)處于分閘位置。若需要合閘，高壓開(kāi)關(guān)控制柜將給出合閘指令，電機(jī)2轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器19轉(zhuǎn)動(dòng)，由于蝸桿7與聯(lián)軸器19固定在一起，故蝸桿7旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)蝸輪8轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪8帶動(dòng)主動(dòng)拐臂10向順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，壓縮彈簧組件5，即拉桿24壓縮彈簧23，轉(zhuǎn)動(dòng)至死點(diǎn)位置，稍過(guò)死點(diǎn)一定角度，彈簧儲(chǔ)存的能量將釋放，彈簧拉桿24帶動(dòng)主動(dòng)拐臂10順時(shí)針快速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)彈簧拉桿24和從動(dòng)拐臂11上凸臺(tái)13接觸，推動(dòng)從動(dòng)拐臂11順時(shí)針快速轉(zhuǎn)動(dòng)，而從動(dòng)拐臂11通過(guò)花鍵與主軸9連接，故從動(dòng)拐臂11帶動(dòng)主軸9加速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快合功能，加速運(yùn)動(dòng)中設(shè)置在從動(dòng)拐臂11上的凸臺(tái)面13會(huì)撞上安裝在基座1上的緩沖器組件6，緩沖器組件6吸收彈簧釋放的多余能量，減小沖擊，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到位，從動(dòng)拐臂11壓緊緩沖器組件6，實(shí)現(xiàn)定位功能，此時(shí)合閘到位。

如圖3所示，為本機(jī)構(gòu)處于合閘位置。若需要分閘，高壓開(kāi)關(guān)控制柜將給出分閘指令，電機(jī)2轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器19轉(zhuǎn)動(dòng)，由于蝸桿7與聯(lián)軸器19固定在一起，故蝸桿7旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)蝸輪8轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪8帶動(dòng)主動(dòng)拐臂10向逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)主動(dòng)拐臂10和從動(dòng)拐臂11凸臺(tái)14接觸時(shí)，推動(dòng)從動(dòng)拐臂11逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直至從動(dòng)拐臂11上設(shè)置的凸臺(tái)15觸碰定位件25，分閘到位停止轉(zhuǎn)動(dòng)。主動(dòng)拐臂10向逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)拉桿24壓縮彈簧23，轉(zhuǎn)動(dòng)至死點(diǎn)位置，彈簧此時(shí)壓縮量最大，電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)拐臂10稍過(guò)死點(diǎn)一定角度，由于從動(dòng)拐臂11觸碰定位件25，主動(dòng)拐臂10也停止轉(zhuǎn)動(dòng)。與此同時(shí)蝸桿7驅(qū)動(dòng)蝸輪8，剛好異形蝸輪8逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的最后一個(gè)牙齒脫離蝸桿嚙合面，由于蝸輪蝸桿組件4上的扭簧21扭力的作用，蝸輪8最后一個(gè)牙齒始終緊貼蝸桿7的齒面，待下一次合閘時(shí)，蝸桿7反轉(zhuǎn)時(shí)可再次與蝸輪8順利嚙合傳動(dòng)。從動(dòng)拐臂11通過(guò)花鍵與軸9連接，故從動(dòng)拐臂11帶動(dòng)主軸9慢速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)慢分功能，定位件25固定在基座1上， 當(dāng)運(yùn)動(dòng)到位，從動(dòng)拐臂11上設(shè)置的凸臺(tái)15將碰到定位件25，實(shí)現(xiàn)定位功能，此時(shí)分閘到位。

3 機(jī)構(gòu)主要輸出參數(shù)計(jì)算

3.1 機(jī)構(gòu)輸出扭力參數(shù)

操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)入壓縮彈簧過(guò)中點(diǎn)后釋放階段，是壓縮彈簧的逆過(guò)程，是通過(guò)釋放彈簧的彈力推動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)。彈簧機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可以簡(jiǎn)化為曲柄滑塊運(yùn)動(dòng)，如圖2為彈簧機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖，拐臂為曲柄O1O3，機(jī)架為O1O2彈簧拉桿為O3O2，令O1O3、O1O2、O3O2長(zhǎng)度分別為a、b、L。在彈簧儲(chǔ)能過(guò)中后，在彈力的作用下拉桿O3O2運(yùn)動(dòng)推動(dòng)拐臂O1O3轉(zhuǎn)動(dòng)，其中拐臂O3O2的長(zhǎng)度決定了彈簧的壓縮量（儲(chǔ)能量），拐臂O3O2轉(zhuǎn)角為α，在彈簧機(jī)構(gòu)壓縮彈簧釋放運(yùn)動(dòng)時(shí)，推動(dòng)拐臂先轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度β后，以提高彈簧的輸出的動(dòng)能，才帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度θ實(shí)現(xiàn)分合閘運(yùn)動(dòng)。其中空程角度β，機(jī)構(gòu)輸出角度θ。即有：α=β+θ的關(guān)系。設(shè)α0為拐臂最大轉(zhuǎn)角，θ0為機(jī)構(gòu)輸出最大轉(zhuǎn)角，則有α0=β+θ0的關(guān)系。如圖4，為彈簧機(jī)構(gòu)彈簧釋放狀態(tài)，即通過(guò)釋放彈簧的彈力推動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)到位的狀態(tài)，在△O1O2O3中：

由于彈簧機(jī)構(gòu)的彈簧釋放過(guò)程中彈力方向與輸出拐臂成一定的角度，且這一角度始終變化，導(dǎo)致整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)構(gòu)彈簧彈力分解到順拐臂方向的這部分拉力或壓力為F2，該力對(duì)機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)矩?zé)o用，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中F2只增大運(yùn)動(dòng)副的摩擦力產(chǎn)生摩擦熱增大無(wú)用的能量消耗。然而，決定F2大小的重要參數(shù)為夾角γ，如圖4 所示，彈簧彈力方向與拐臂彈力作用點(diǎn)O3的切線方向的夾角γ，在彈簧釋放過(guò)程中γ的變化，會(huì)影響彈簧機(jī)構(gòu)的出力效率，若γ越小，則F2就越小，彈簧彈力就更多的用于推動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，所以在設(shè)計(jì)彈簧機(jī)構(gòu)時(shí)，為了提高效率應(yīng)盡量降低γ的數(shù)值。

設(shè)計(jì)彈簧機(jī)構(gòu)的技術(shù)參數(shù)如下表1：

3.2 緩沖特性計(jì)算

緩沖器主要作用是吸收合閘結(jié)束整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的剩余動(dòng)能。大部分采用油緩沖器結(jié)構(gòu)，當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)快結(jié)束時(shí)，拐臂觸碰緩沖器，緩沖器產(chǎn)生緩沖力F，在緩沖力F的作用下將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件的速度逐漸降低為0。

4 配開(kāi)關(guān)本體特性

快速接地開(kāi)關(guān)裝置主要包括外殼1、拐臂2、動(dòng)觸頭3、觸頭座4和導(dǎo)向套5、夾叉6、軸銷(xiāo)9。其中拐臂轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)向套套接于動(dòng)觸頭外并與觸頭座固定連接，觸頭座與外殼連接。如圖5所示。

機(jī)構(gòu)與快接地開(kāi)關(guān)裝配后試驗(yàn)特性，合閘速度2.4m/s ，緩沖特性曲線光滑。如圖6、7所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

該電動(dòng)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，由于簡(jiǎn)化了主軸組件，從而使該操作裝置的整體結(jié)構(gòu)也被簡(jiǎn)化，并且實(shí)現(xiàn)了快分慢合功能，機(jī)構(gòu)只裝配有合閘緩沖器，減少了分閘緩沖器的設(shè)置，最大限度的簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)的零部件結(jié)構(gòu)，以及降低了彈簧的操作功，減少了開(kāi)關(guān)震動(dòng)，提高了機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外形美觀、性能穩(wěn)定、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

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作者簡(jiǎn)介

李東濤（1985-）男，本科，工程師，主要從事高壓開(kāi)關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的研發(fā)設(shè)計(jì)工作。