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            弹簧操动机构的合闸效率

            刘唯

            (西安西电电气研究院有限责任公司,西安710000)


            摘 要:提高弹簧操机构的合闸效率可以降低其成本,提高其运行可靠性。从能量守恒的角度,描述了真空断 路器的合闸过程,并对凸轮曲线及两类合闸驱动结构在合闸效率方面做了详细的描述,对弹簧操动机构的 设计有参考意义。

            关键词:弹簧操动机构;合闸效率;优化

             

            引言

            弹簧操动机构因其功能完备,价格便宜,被越来越多的中压断路器采用。随后,弹簧操动机构向高可靠性、小型化和高电压领域发展。真正的小型化并不能以牺牲产品的设计裕度为代价;将其引入高压领域,也不能是简单的尺寸放大。无论怎样,提高合闸效率是机构优化的重要内容之一。

            机构的合闸动作过程简单描述如下:合闸弹簧储存的能量在合闸过程前期,主要转换为运动部件的动能,还有摩擦损耗,碰撞损耗等。合闸到位后,其能量转换为分闸弹簧的势能和触头弹簧的势能,还有一部分就是剩余能量。如果合闸弹簧的能量还用于其它功能,如用于合闸保持动作,这必将导 致机构合闸效率降低。

            机构的凸轮曲线,影响机构的出力特性,是机构 对合闸弹簧能量重新分配的重要手段,对断路器能 否正确合闸及剩余能量的大小有至关重要的作用。

            文中先简单讨论凸轮曲线的作用,然后详细讨 论合闸驱动结构对合闸效率的影响。


            1  机构的动作原理

            断路器合闸操作时,机构承担了合闸驱动的角色,断路器能不能合闸到位及合闸速度是否合适都和机构有关,具体来说,和机构的合闸驱动有关。我们关心的效率,主要和这部分结构有关。

            对于目前大多数真空断路器配用的弹簧操动机构而言,尽管原理稍有不同,结构千差万别,但其能量在合闸操作后会转换为以下形式,估算能量转换分布数据见图1


             

             能量转换分布图


            机构的合闸过程是一个能量转换的过程。机构的能量损耗主要表现为摩擦损耗和碰撞损耗。摩擦损耗主要和传动链的表面接触形式有关,也和产品的加工精度有关。文中暂认为摩擦损耗对于特定机构,其摩擦损耗为一常数。合闸过程中有两处碰撞,一次是合闸过程初期,凸轮和滚子有一次碰撞;另一次碰撞是在刚合点,也认为这次损失的能量为一常数。断路器合闸结束后,合闸弹簧多余的能量称为剩余能量。剩余能量不能太小,随时间的推移,润滑不到位及生锈等原因,摩擦力加大,有合闸不到位的风险;剩余能量也不能太大,否则会降低产品的寿命,影响其可靠性。其它指的是指为完成其它功能所消耗的合闸弹簧能量,在本文中,其它重点指为完成合闸保持功能所消耗的能量。显然,减少其它损耗,会提高合闸效率。合闸保持 结构的不同,主要是指凸轮是否参与合闸保持。


            2凸轮曲线的影响

            虽然很多工作是从机构的出力特性和负载特 性匹配的角度上,研究断路器的性能。笔者认为从能量的匹配角度更容易理解。

            凸轮曲线在合闸过程中起着能量按需分配的作用。断路器要能正确完成合闸动作,合闸弹簧所释放的能量,除去损耗外,在任一位置其释放的能量都必须大于分闸弹簧和触头弹簧的势能和,多出的那部分能量体现在动触头的速度上,否则就会出现合闸不到位的现象。

            实际应用中,有些设计人员碰到合闸不到位的现象,只是简单的加大合闸弹簧的功,虽然解决了问题,但这样会增加剩余能量,对机构断路器并没有好处。但也有些设计人员,通过改变凸轮的上升曲线,重新分配机构在合闸过程中释放的能量,也可以解决合闸不到位的问题。这样就表现为不同的机构,由于凸轮曲线的不同,合闸效率不同。

            通过仿真计算,对于同样的输人扭矩,不同外形的凸轮曲线,弹簧操动机构输出轴上的扭矩特性对比见图2。图2中的横坐标为时间,s;纵坐标为扭矩,N·mm。仿真结果表明,凸轮对输出特性的调整能力非常强。合理的优化也会提高机构的合闸效率。


             

              扭矩对比图


            3  合闸驱动结构的影响

            有两类合闸驱动结构,一类是合闸弹簧能量在整个合闸过程中,都用于合闸操作,还有一类合闸驱动结构,在合闸到位后,驱动机构还要参与合闸保持的工作。根据其结构特点,分为两大类,一类是凸轮不参与合闸保持的驱动结构,另一类是凸轮参与合闸保持的驱动结构。


            3.1  凸轮不参与合闸保持的驱动结构

            某一凸轮不参与合闸保持的弹簧操动机构的分闸已储能位置示意图见图3(a)。这类机构的主要特点是合闸驱动是采用凸轮直接撞击输出拐臂。因其结构简单,被绝大多数机构采用。合闸弹簧的挂簧拐臂和凸轮6同轴并固定,能够360°旋转。挂簧拐臂顺时针旋转180°储能后,再顺时针转180°释放能量,这时,也带动凸轮6顺时针180°旋转,推动输出拐臂4到合闸位置,见图3(b)。凸轮转动过程分了3:①真正的合闸过程,凸轮6从图3(a)所示位置转到另一位置,见图4。②合闸保持扣接过程,图4中所示凸6轮从实线到虚线的位置;③防碰过程,见图5

            4中所示的56°,以凸轮将输出拐臂第1次顶到合闸位置为起点,到凸轮转过刚好和输出拐臂分闸时不干涉为结束点,这个角度称其为合闸保持角。也就是说这56°的合闸保持角对合闸过程并没有贡献,它的存在只是为了能使合闸保持结构可靠扣接。图5所示的尺寸7°,以凸轮转过刚好和输出拐臂分闸时不干涉为起始点,到凸轮最终停在合闸弹簧能量最低处的位置为结束点,这个角度称其为防碰间隙角。这个间隙角是为了防止重合闸过程中的第2次分闸过程中,输出拐臂上的滚子和凸轮发生干涉。因为,合闸完成后,凸轮并不会直接停在能量的最低处,会经历一个小幅摆动的过程。56°的合闸保持角和7°的防碰间隙角这两部分能量对合闸过程并没有贡献。合闸弹簧所做的这部分功就是前面说的其他部分,这部分越大,机构的合闸 效率就越低。

            假定合闸弹簧的刚性系数为25 N/mm,自由长度为144mm,两个工作位置分别为158mm218mm。计算合闸弹簧做功为:F1=25×(158-144)=350(N)F2=25x(218-144)=l 850(N)W=(F1+F2)X(218-158)/2= 66 000(N·mm)

            合闸弹簧作用在凸轮的扭矩见图6,曲线和X轴的面积就是合闸弹簧所做的功,合闸弹簧用于合闸保持角及防碰间隙角所消耗的功为图中阴影面积。为简化计算,每1°求出其扭矩值,共181个点。由于在0°和180°时,力臂为0,其扭矩也为0。采用数值计算方法,将117°~180°共64个点的扭矩值进行坐标变换,转换为弧度后相加,其大小为10 888 N·mm,即,有10 888/66 000=16%的能量并没有用于合闸操作。确实,这种结构效率较低。


            3.2  凸轮不参与合闸保持的合闸驱动结构的优化

                 为了提高弹簧操动机构的合闸效率,可以减小合闸保持角,但这会降低合闸保持的可靠性。对于中压弹簧机构,机构的操作功并不是太大,只要能可靠动作,能量浪费一点,还并不太影响性能,但对高压大功率弹簧机构,这会显著增加机构的成本,增加震动降低系统的可靠性。因此某髙压弹簧机构作如下两方面改进:①尺寸优化,减小合闸保持角,合闸弹簣释放到最小时凸轮的位置见图7,7中的49°就是合闸保持角。②结构优化,在凸轮转轴处装有单向轴承,大幅度减小防碰间隙角,使其 近似为0°。


             

            弹簧机构1的合分位置示意图


             

             图4  合闸保持角示意图


             图5  防碰间隙角示意图


             

             凸轮扭矩曲线


            3.3  凸轮参与合闸保持的驱动结构

            另一种结构,见图8(a)。机构所在状态为分闸已储能。这种结构的主要特点是:凸轮驱动五连杆,带动输出拐臂。在合闸起始后凸轮转过很小的角度,扇形板1扣在半轴2上。直连板6、弯连板7和摇臂83个零件的连接点由活动点变为固定点。之后,五连杆结构转为四连杆结构。简单地说,合闸弹簧带动凸轮3逆时针转动180°,驱动四连杆,推动输出拐臂4转动,见图8(b)。其能量转换过程中,并无前述的其他部分。通过计算,这种驱动结构的效率要高于前述凸轮不参与合闸保持的驱动结构,效率提高约16%,因此称为高效的合闸驱动结构。


             

             7  结构优化方案


             

             图8  合闸驱动结构2


            3.4  实验验证

            通过对10kV,额定电流为1 250 A,额定短路开断电流31.5kA的真空断路器,分别配用两种驱动结构的弹簧操动机构,在速度开距超程都一致的条件下,测量机构的合闸功,凸轮不参与合闸保持的弹簧机构的合闸功为100而凸轮参与合闸保持的弹簧机构的合闸功为70?80J。很好的验证了前面的分析。


            4   结语

            通过改善润滑条件或改进轴承结构,可以减小摩擦损耗;选择合适的真空灭弧室能减小碰撞损耗;选择正确的驱动结构,能减少不必要的能量损耗;优化凸轮曲线,改善能量分配,留有合理的剩余能量。这些都能提高弹簧操动机构的合闸效率,希望对弹簧机构设计人员有所帮助。

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