一種彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的真空斷路器傳動(dòng)計(jì)算研究與應(yīng)用

于洪宇 張敬濤 王小煥 汪 寧 陳利民

（天津平高智能電氣有限公司，天津300000）

1 背景

彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)是真空斷路器中應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)構(gòu)，是利用已儲(chǔ)能彈簧的動(dòng)力操動(dòng)斷路器的機(jī)構(gòu)[1-3]。操動(dòng)機(jī)構(gòu)通常有電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)、永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用較為廣泛，真空斷路器作為開關(guān)柜中核心元器件，在系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，能夠快速切斷故障，保護(hù)整個(gè)電力系統(tǒng)，因此要求真空斷路器要具有可靠的傳動(dòng)和穩(wěn)定的特性，滿足真空斷路器短路故障時(shí)的需求。

在真空斷路器設(shè)計(jì)中，彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)核心元器件是凸輪元件，通常采用凸輪和連桿設(shè)計(jì)，將合閘彈簧能傳遞到真空斷路器的動(dòng)觸頭，從而完成斷路器合閘操作。其中分、合閘速度、分、合閘時(shí)間、合閘彈跳、動(dòng)觸頭行程等斷路器參數(shù)，主要由傳動(dòng)設(shè)計(jì)和彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)決定。

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

CTP2 長壽命、模塊化彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用鋁合金框架作為機(jī)構(gòu)零部件的安裝支撐，機(jī)構(gòu)的分合閘按鈕、分合閘指示牌、儲(chǔ)能指示牌采用對稱布置；計(jì)數(shù)器和手動(dòng)儲(chǔ)能布置在機(jī)構(gòu)箱體的對稱中心；合閘簧采用單邊布置；儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)采用齒輪傳動(dòng)方式，手動(dòng)儲(chǔ)能二級減速，電機(jī)儲(chǔ)能一級傳動(dòng)。傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)采用兩塊或多塊金屬板結(jié)構(gòu)，將機(jī)構(gòu)所有零部件安裝其上，再將該板安裝在斷路器的框架中，這樣的布局可采用多個(gè)模塊，在將各模塊通過傳動(dòng)軸連接在一起，這樣的布局安裝檢修方便，但總體剛度不好。CTP2 長壽命、模塊化彈簧機(jī)構(gòu)采用的鋁合金框架結(jié)構(gòu)，鋁合金采用AlSi9Mg 材料，其抗拉強(qiáng)度σb≥290MPa。這樣結(jié)構(gòu)布局樣式新穎，突破傳統(tǒng)，且強(qiáng)度滿足要求，最大好處是，箱體可采用一次定位加工全部孔位，孔位的同軸度和定位精度高，機(jī)構(gòu)的整體剛度好。

圖1 機(jī)構(gòu)圖

3 主傳動(dòng)設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)的作用是驅(qū)動(dòng)斷路器分、合閘的，機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)能也是為分、合閘做準(zhǔn)備工作的。所以機(jī)構(gòu)主傳動(dòng)的設(shè)計(jì)非常重要，設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)化的主傳動(dòng)可以大大減小合閘功，也可以極大減小儲(chǔ)能電機(jī)的功率，這兩個(gè)數(shù)據(jù)是衡量設(shè)計(jì)者水平的重要指標(biāo)。主傳動(dòng)的設(shè)計(jì)要結(jié)合斷路器輸出部分進(jìn)行。 本次以VTP2-12/T1250-31.5 斷路器的相關(guān)參數(shù)為例進(jìn)行說明。

圖中實(shí)線表示機(jī)構(gòu)分閘位置，虛線表示合閘位置，兩個(gè)位置的輸出端距離是13.4mm。斷路器的開距要求是（8±1）mm，超行程要求是（3.5±0.5）mm，那么總行程的變化范圍在（10～13）mm 之間，考慮到傳動(dòng)部件受力后的變形和加工裝配誤差，固將其總行程設(shè)計(jì)的稍大一些。

整套傳動(dòng)的設(shè)計(jì)力求簡單，機(jī)構(gòu)中的傳動(dòng)采用合閘簧直接驅(qū)動(dòng)合閘凸輪，合閘凸輪驅(qū)動(dòng)輸出拐臂，再通過連桿傳動(dòng)將合閘簧能量傳遞出去。整套傳遞是由兩級四連桿組成。第一級四連桿是凸輪、合閘拐臂及其上端滾子組成，第二級四連桿由輸出拐臂和兩個(gè)連桿組成。這樣簡單的傳動(dòng)鏈可以提高輸出的效率，減少傳動(dòng)的零件，增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的可靠性。

由于受到設(shè)計(jì)空間的和裝配難易程度的約束，高效率四連桿的設(shè)計(jì)會(huì)受到限制，凸輪是一個(gè)可變連桿長度的結(jié)構(gòu),所以整套傳動(dòng)的效率更主要是通過凸輪來實(shí)現(xiàn)的。合理的凸輪不僅可以極大提高合閘能力，也可調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)合閘速度數(shù)量級上的變化。

分閘簧的作用是改變分閘速度和克服額定開距下的觸頭反力，其位置一般布置在“蹺蹺板”形式的絕緣拉桿對側(cè)。

圖2 主傳動(dòng)示意圖

鋁合金箱體采用ALSi9Mg 材料，鑄造方法采用砂型鑄造，熱處理采用T6（固溶處理加完全人工時(shí)效），抗拉強(qiáng)度達(dá)到290Mpa，布氏硬度達(dá)到90。

由于AC 相拐臂的動(dòng)作相當(dāng)于通過通軸由B 相帶動(dòng)，因此長軸受力后存在彎曲和扭曲的現(xiàn)象。

進(jìn)行6 種主軸形式的建模，仿真，綜合考慮6 種方式的變形量以及實(shí)施難度，確定采用通軸軸徑Φ42mm，通軸距轉(zhuǎn)動(dòng)中心67mm 的方案，計(jì)算結(jié)果3。

圖3 強(qiáng)度計(jì)算

4 連桿設(shè)計(jì)計(jì)算

在斷路器設(shè)計(jì)中，首先根據(jù)柜體配柜尺寸，確定斷路器外形尺寸，在靜態(tài)設(shè)計(jì)中，首先傳動(dòng)計(jì)算主要涉及四連桿、五連桿計(jì)算，如圖4 所示，四連桿ABCD 中，按照機(jī)構(gòu)封閉矢量方程式改寫成復(fù)數(shù)矢量形式，如式子（1）所示。

圖4 四連桿傳動(dòng)

在斷路器傳動(dòng)計(jì)算中，從凸輪開始計(jì)算，將凸輪看成四連桿組成，按照四連桿傳動(dòng)計(jì)算原理，如圖所示5，將凸輪中心到第一段圓弧圓心標(biāo)記為四連桿第一桿，在四連桿ABCD 中，組成四連桿傳動(dòng)，從合閘彈簧儲(chǔ)能開始，通過式子（3）進(jìn)行力矩傳遞計(jì)算。

圖5 凸輪簡化圖

在進(jìn)行靜態(tài)傳動(dòng)計(jì)算中，合閘彈簧需要克服分閘彈簧和超程彈簧做功，在靜態(tài)計(jì)算中，沒有考慮摩擦系數(shù)因素的影響，所以靜態(tài)計(jì)算只是考慮最優(yōu)化狀態(tài)時(shí)的合閘力和負(fù)載之間的比例關(guān)系。

將合閘儲(chǔ)能簧按照一定角度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，例如5 度，通過角度的變化，合閘扭矩，分閘扭矩都隨之變化，力矩傳遞實(shí)現(xiàn)連續(xù)性，在將合閘扭矩折算到絕緣拉桿上合閘力，同理，也將分閘彈簧的扭矩折算到絕緣拉桿下端，在同一部件上，將合閘力（包括觸頭反力）和分閘力和超程簧力在不同角度得到的力值點(diǎn)一起擬合成曲線上，如圖6 所示。

圖6 合閘力與負(fù)載

在傳動(dòng)計(jì)算中，靜態(tài)計(jì)算可以得到一個(gè)比例趨勢，因?yàn)闆]有考慮摩擦系數(shù)，在優(yōu)化傳動(dòng)方案時(shí)，要設(shè)計(jì)一定安全裕度。

目前，斷路器傳動(dòng)計(jì)算是斷路器設(shè)計(jì)的必要理論依據(jù)，通過凸輪簡化四連桿設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)斷路器靜態(tài)計(jì)算突破。實(shí)現(xiàn)斷路器設(shè)計(jì)的合閘力和負(fù)載量化曲線。