，并對凸輪曲線及兩類合閘驅(qū)動結(jié)構(gòu)在合閘效率方面做了詳細(xì)的描述
，對彈簧操動機(jī)構(gòu)的 設(shè)計(jì)有參考意義。
關(guān)鍵詞：彈簧操動機(jī)構(gòu)
；合閘效率；優(yōu)化
0 引言
彈簧操動機(jī)構(gòu)因其功能完備
，價格便宜
，被越來越多的中壓斷路器采用。隨后
，彈簧操動機(jī)構(gòu)向高可靠性、小型化和高電壓領(lǐng)域發(fā)展
。真正的小型化并不能以犧牲產(chǎn)品的設(shè)計(jì)裕度為代價
；將其引入高壓領(lǐng)域，也不能是簡單的尺寸放大
。無論怎樣，提高合閘效率是機(jī)構(gòu)優(yōu)化的重要內(nèi)容之一
。
機(jī)構(gòu)的合閘動作過程簡單描述如下：合閘彈簧儲存的能量在合閘過程前期，主要轉(zhuǎn)換為運(yùn)動部件的動能,還有摩擦損耗
，碰撞損耗等
。合閘到位后
，其能量轉(zhuǎn)換為分閘彈簧的勢能和觸頭彈簧的勢能
，還有一部分就是剩余能量。如果合閘彈簧的能量還用于其它功能
，如用于合閘保持動作
，這必將導(dǎo)
致機(jī)構(gòu)合閘效率降低
。
機(jī)構(gòu)的凸輪曲線
，影響機(jī)構(gòu)的出力特性，是機(jī)構(gòu) 對合閘彈簧能量重新分配的重要手段
，對斷路器能
否正確合閘及剩余能量的大小有至關(guān)重要的作用。
文中先簡單討論凸輪曲線的作用
，然后詳細(xì)討 論合閘驅(qū)動結(jié)構(gòu)對合閘效率的影響
。
1 機(jī)構(gòu)的動作原理
斷路器合閘操作時，機(jī)構(gòu)承擔(dān)了合閘驅(qū)動的角色
，斷路器能不能合閘到位及合閘速度是否合適都和機(jī)構(gòu)有關(guān)
，具體來說，和機(jī)構(gòu)的合閘驅(qū)動有關(guān)
。我們關(guān)心的效率
，主要和這部分結(jié)構(gòu)有關(guān)。
對于目前大多數(shù)真空斷路器配用的彈簧操動機(jī)構(gòu)而言
，盡管原理稍有不同，結(jié)構(gòu)千差萬別
，但其能量在合閘操作后會轉(zhuǎn)換為以下形式
，估算能量轉(zhuǎn)換分布數(shù)據(jù)見圖
1。
圖1 能量轉(zhuǎn)換分布圖
機(jī)構(gòu)的合閘過程是一個能量轉(zhuǎn)換的過程
。機(jī)構(gòu)的能量損耗主要表現(xiàn)為摩擦損耗和碰撞損耗。摩擦損耗主要和傳動鏈的表面接觸形式有關(guān)
，也和產(chǎn)品的加工精度有關(guān)
。文中暫認(rèn)為摩擦損耗對于特定機(jī)構(gòu)，其摩擦損耗為一常數(shù)
。合閘過程中有兩處碰撞，一次是合閘過程初期
，凸輪和滾子有一次碰撞
；另一次碰撞是在剛合點(diǎn)，也認(rèn)為這次損失的能量為一常數(shù)
。斷路器合閘結(jié)束后，合閘彈簧多余的能量稱為剩余能量
。剩余能量不能太小
，隨時間的推移，潤滑不到位及生銹等原因
，摩擦力加大，有合閘不到位的風(fēng)險
；剩余能量也不能太大
，否則會降低產(chǎn)品的壽命，影響其可靠性
。其它指的是指為完成其它功能所消耗的合閘彈簧能量
，在本文中，其它重點(diǎn)指為完成合閘保持功能所消耗的能量
。顯然
，減少其它損耗，會提高合閘效率
。合閘保持
結(jié)構(gòu)的不同，主要是指凸輪是否參與合閘保持
。
2凸輪曲線的影響
雖然很多工作是從機(jī)構(gòu)的出力特性和負(fù)載特 性匹配的角度上
，研究斷路器的性能。筆者認(rèn)為從能量的匹配角度更容易理解
。
凸輪曲線在合閘過程中起著能量按需分配的作用
。斷路器要能正確完成合閘動作
，合閘彈簧所釋放的能量
，除去損耗外，在任一位置其釋放的能量都必須大于分閘彈簧和觸頭彈簧的勢能和
，多出的那部分能量體現(xiàn)在動觸頭的速度上
，否則就會出現(xiàn)合閘不到位的現(xiàn)象
。
實(shí)際應(yīng)用中
，有些設(shè)計(jì)人員碰到合閘不到位的現(xiàn)象，只是簡單的加大合閘彈簧的功
，雖然解決了問題
，但這樣會增加剩余能量，對機(jī)構(gòu)斷路器并沒有好處。但也有些設(shè)計(jì)人員
，通過改變凸輪的上升曲線
，重新分配機(jī)構(gòu)在合閘過程中釋放的能量，也可以解決合閘不到位的問題
。這樣就表現(xiàn)為不同的機(jī)構(gòu)
，由于凸輪曲線的不同
，合閘效率不同
。
通過仿真計(jì)算，對于同樣的輸人扭矩
，不同外形的凸輪曲線
，彈簧操動機(jī)構(gòu)輸出軸上的扭矩特性對比見圖
2。圖
2中的橫坐標(biāo)為時間
，
s；縱坐標(biāo)為扭矩，
N·
mm。仿真結(jié)果表明
，凸輪對輸出特性的調(diào)整能力非常強(qiáng)。合理的優(yōu)化也會提高機(jī)構(gòu)的合閘效率
。
圖2 扭矩對比圖
3 合閘驅(qū)動結(jié)構(gòu)的影響
有兩類合閘驅(qū)動結(jié)構(gòu)
，一類是合閘彈簧能量在整個合閘過程中，都用于合閘操作
，還有一類合閘驅(qū)動結(jié)構(gòu)，在合閘到位后
，驅(qū)動機(jī)構(gòu)還要參與合閘保持的工作
。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分為兩大類
，一類是凸輪不參與合閘保持的驅(qū)動結(jié)構(gòu)
，另一類是凸輪參與合閘保持的驅(qū)動結(jié)構(gòu)
。
3.1 凸輪不參與合閘保持的驅(qū)動結(jié)構(gòu)
某一凸輪不參與合閘保持的彈簧操動機(jī)構(gòu)的分閘已儲能位置示意圖見圖3(a)
。這類機(jī)構(gòu)的主要特點(diǎn)是合閘驅(qū)動是采用凸輪直接撞擊輸出拐臂。因其結(jié)構(gòu)簡單
，被絕大多數(shù)機(jī)構(gòu)采用
。合閘彈簧的掛簧拐臂和凸輪
6同軸并固定
，能夠
360°旋轉(zhuǎn)
。掛簧拐臂順時針旋轉(zhuǎn)
180°儲能后，再順時針轉(zhuǎn)
180°釋放能量
，這時
，也帶動凸輪
6順時針
180°旋轉(zhuǎn)
，推動輸出拐臂
4到合閘位置
，見圖
3(b)。凸輪轉(zhuǎn)動過程分了
3段
:①真正的合閘過程
，凸輪
6從圖
3(a)所示位置轉(zhuǎn)到另一位置
，見圖
4。②合閘保持扣接過程
，圖
4中所示凸
6輪從實(shí)線到虛線的位置
;③防碰過程
，見圖
5。
圖4中所示的56°,以凸輪將輸出拐臂第1次頂?shù)胶祥l位置為起點(diǎn)
，到凸輪轉(zhuǎn)過剛好和輸出拐臂分閘時不干涉為結(jié)束點(diǎn)
，這個角度稱其為合閘保持角。也就是說這
56°的合閘保持角對合閘過程并沒有貢獻(xiàn)
，它的存在只是為了能使合閘保持結(jié)構(gòu)可靠扣接。圖
5所示的尺寸
7°
,以凸輪轉(zhuǎn)過剛好和輸出拐臂分閘時不干涉為起始點(diǎn)
，到凸輪最終停在合閘彈簧能量最低處的位置為結(jié)束點(diǎn)
，這個角度稱其為防碰間隙角。這個間隙角是為了防止重合閘過程中的第
2次分閘過程中
，輸出拐臂上的滾子和凸輪發(fā)生干涉。因?yàn)?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">，合閘完成后
，凸輪并不會直接停在能量的最低處，會經(jīng)歷一個小幅擺動的過程
。
56°的合閘保持角和
7°的防碰間隙角這兩部分能量對合閘過程并沒有貢獻(xiàn)
。合閘彈簧所做的這部分功就是前面說的其他部分
，這部分越大
，機(jī)構(gòu)的合閘
效率就越低。
假定合閘彈簧的剛性系數(shù)為25 N/mm
，自由長度為
144mm，兩個工作位置分別為
158mm和
218mm。計(jì)算合閘彈簧做功為：
F1=25×
(158-144)=350(N)；
F2=25x(218-144)=l
850(N)，
W=(F1+F2)X(218-158)/2=
66 000(N·
mm)。
合閘彈簧作用在凸輪的扭矩見圖6,曲線和X軸的面積就是合閘彈簧所做的功
，合閘彈簧用于合閘保持角及防碰間隙角所消耗的功為圖中陰影面積。為簡化計(jì)算
，每
1°求出其扭矩值，共
181個點(diǎn)
。由于在
0°和
180°時，力臂為
0,其扭矩也為
0 。采用數(shù)值計(jì)算方法
，將
117°～
180°共
64個點(diǎn)的扭矩值進(jìn)行坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)換為弧度后相加，其大小為
10 888 N·
mm,即
，有
10
888/66 000=16%的能量并沒有用于合閘操作。確實(shí)
，這種結(jié)構(gòu)效率較低
。
3.2 凸輪不參與合閘保持的合閘驅(qū)動結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
為了提高彈簧操動機(jī)構(gòu)的合閘效率，可以減小合閘保持角
，但這會降低合閘保持的可靠性
。對于中壓彈簧機(jī)構(gòu)
，機(jī)構(gòu)的操作功并不是太大
，只要能可靠動作，能量浪費(fèi)一點(diǎn)
，還并不太影響性能
，但對高壓大功率彈簧機(jī)構(gòu)，這會顯著增加機(jī)構(gòu)的成本
，增加震動降低系統(tǒng)的可靠性。因此某髙壓彈簧機(jī)構(gòu)作如下兩方面改進(jìn)：①尺寸優(yōu)化
，減小合閘保持角
，合閘彈簣釋放到最小時凸輪的位置見圖
7,圖
7中的
49°就是合閘保持角。②結(jié)構(gòu)優(yōu)化
，在凸輪轉(zhuǎn)軸處裝有單向軸承
，大幅度減小防碰間隙角
，使其
近似為
0°
。
圖3 彈簧機(jī)構(gòu)1的合分位置示意圖
圖4 合閘保持角示意圖
圖5 防碰間隙角示意圖
圖6 凸輪扭矩曲線
3.3 凸輪參與合閘保持的驅(qū)動結(jié)構(gòu)
另一種結(jié)構(gòu)，見圖8(a)
。機(jī)構(gòu)所在狀態(tài)為分閘已儲能。這種結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是：凸輪驅(qū)動五連桿
,帶動輸出拐臂
。在合閘起始后凸輪轉(zhuǎn)過很小的角度
,扇形板
1扣在半軸
2上
。直連板
6、彎連板
7和搖臂
8這
3個零件的連接點(diǎn)由活動點(diǎn)變?yōu)楣潭c(diǎn)
。之后
，五連桿結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為四連桿結(jié)構(gòu)。簡單地說
，合閘彈簧帶動凸輪
3逆時針轉(zhuǎn)動
180°
，驅(qū)動四連桿，推動輸出拐臂
4轉(zhuǎn)動
，見圖
8(b)。其能量轉(zhuǎn)換過程中
，并無前述的其他部分
。通過計(jì)算，這種驅(qū)動結(jié)構(gòu)的效率要高于前述凸輪不參與合閘保持的驅(qū)動結(jié)構(gòu)
，效率提高約
16%,因此稱為高效的合閘驅(qū)動結(jié)構(gòu)
。
圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案
圖8 合閘驅(qū)動結(jié)構(gòu)2
3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
通過對10kV,額定電流為1 250 A
，額定短路開斷電流
31.5kA的真空斷路器
，分別配用兩種驅(qū)動結(jié)構(gòu)的彈簧操動機(jī)構(gòu)，在速度開距超程都一致的條件下
，測量機(jī)構(gòu)的合閘功
，凸輪不參與合閘保持的彈簧機(jī)構(gòu)的合閘功為
100而凸輪參與合閘保持的彈簧機(jī)構(gòu)的合閘功為
70?80J。很好的驗(yàn)證了前面的分析
。
4 結(jié)語
通過改善潤滑條件或改進(jìn)軸承結(jié)構(gòu)，可以減小摩擦損耗
；選擇合適的真空滅弧室能減小碰撞損耗
；選擇正確的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，能減少不必要的能量損耗
；優(yōu)化凸輪曲線
，改善能量分配，留有合理的剩余能量
。這些都能提高彈簧操動機(jī)構(gòu)的合閘效率
，希望對彈簧機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)人員有所幫助
。
