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          彈簧操動機構的合閘效率

          劉唯

          (西安西電電氣研究院有限責任公司,西安710000)


          摘 要:提高彈簧操機構的合閘效率可以降低其成本,提高其運行可靠性。從能量守恒的角度,描述了真空斷 路器的合閘過程,并對凸輪曲線及兩類合閘驅動結構在合閘效率方面做了詳細的描述,對彈簧操動機構的 設計有參考意義。

          關鍵詞:彈簧操動機構;合閘效率;優化

           

          引言

          彈簧操動機構因其功能完備,價格便宜,被越來越多的中壓斷路器采用。隨后,彈簧操動機構向高可靠性、小型化和高電壓領域發展。真正的小型化并不能以犧牲產品的設計裕度為代價;將其引入高壓領域,也不能是簡單的尺寸放大。無論怎樣,提高合閘效率是機構優化的重要內容之一。

          機構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,主要轉換為運動部件的動能,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 致機構合閘效率降低。

          機構的凸輪曲線,影響機構的出力特性,是機構 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重要的作用。

          文中先簡單討論凸輪曲線的作用,然后詳細討 論合閘驅動結構對合閘效率的影響。


          1  機構的動作原理

          斷路器合閘操作時,機構承擔了合閘驅動的角色,斷路器能不能合閘到位及合閘速度是否合適都和機構有關,具體來說,和機構的合閘驅動有關。我們關心的效率,主要和這部分結構有關。

          對于目前大多數真空斷路器配用的彈簧操動機構而言,盡管原理稍有不同,結構千差萬別,但其能量在合閘操作后會轉換為以下形式,估算能量轉換分布數據見圖1。


           

           能量轉換分布圖


          機構的合閘過程是一個能量轉換的過程。機構的能量損耗主要表現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,也和產品的加工精度有關。文中暫認為摩擦損耗對于特定機構,其摩擦損耗為一常數。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,也認為這次損失的能量為一常數。斷路器合閘結束后,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,有合閘不到位的風險;剩余能量也不能太大,否則會降低產品的壽命,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 結構的不同,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構的出力特性和負載特 性匹配的角度上,研究斷路器的性能。筆者認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在動觸頭的速度上,否則就會出現合閘不到位的現象。

          實際應用中,有些設計人員碰到合閘不到位的現象,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,對機構斷路器并沒有好處。但也有些設計人員,通過改變凸輪的上升曲線,重新分配機構在合閘過程中釋放的能量,也可以解決合閘不到位的問題。這樣就表現為不同的機構,由于凸輪曲線的不同,合閘效率不同。

          通過仿真計算,對于同樣的輸人扭矩,不同外形的凸輪曲線,彈簧操動機構輸出軸上的扭矩特性對比見圖2。圖2中的橫坐標為時間,s;縱坐標為扭矩,N·mm。仿真結果表明,凸輪對輸出特性的調整能力非常強。合理的優化也會提高機構的合閘效率。


           

            扭矩對比圖


          3  合閘驅動結構的影響

          有兩類合閘驅動結構,一類是合閘彈簧能量在整個合閘過程中,都用于合閘操作,還有一類合閘驅動結構,在合閘到位后,驅動機構還要參與合閘保持的工作。根據其結構特點,分為兩大類,一類是凸輪不參與合閘保持的驅動結構,另一類是凸輪參與合閘保持的驅動結構。


          3.1  凸輪不參與合閘保持的驅動結構

          某一凸輪不參與合閘保持的彈簧操動機構的分閘已儲能位置示意圖見圖3(a)。這類機構的主要特點是合閘驅動是采用凸輪直接撞擊輸出拐臂。因其結構簡單,被絕大多數機構采用。合閘彈簧的掛簧拐臂和凸輪6同軸并固定,能夠360°旋轉。掛簧拐臂順時針旋轉180°儲能后,再順時針轉180°釋放能量,這時,也帶動凸輪6順時針180°旋轉,推動輸出拐臂4到合閘位置,見圖3(b)。凸輪轉動過程分了3:①真正的合閘過程,凸輪6從圖3(a)所示位置轉到另一位置,見圖4。②合閘保持扣接過程,圖4中所示凸6輪從實線到虛線的位置;③防碰過程,見圖5。

          4中所示的56°,以凸輪將輸出拐臂第1次頂到合閘位置為起點,到凸輪轉過剛好和輸出拐臂分閘時不干涉為結束點,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,它的存在只是為了能使合閘保持結構可靠扣接。圖5所示的尺寸7°,以凸輪轉過剛好和輸出拐臂分閘時不干涉為起始點,到凸輪最終停在合閘彈簧能量最低處的位置為結束點,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生干涉。因為,合閘完成后,凸輪并不會直接停在能量的最低處,會經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。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,機構的合閘 效率就越低。

          假定合閘彈簧的剛性系數為25 N/mm,自由長度為144mm,兩個工作位置分別為158mm218mm。計算合閘彈簧做功為: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。為簡化計算,每1°求出其扭矩值,共181個點。由于在0°和180°時,力臂為0,其扭矩也為0。采用數值計算方法,將117°~180°共64個點的扭矩值進行坐標變換,轉換為弧度后相加,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,這種結構效率較低。


          3.2  凸輪不參與合閘保持的合閘驅動結構的優化

               為了提高彈簧操動機構的合閘效率,可以減小合閘保持角,但這會降低合閘保持的可靠性。對于中壓彈簧機構,機構的操作功并不是太大,只要能可靠動作,能量浪費一點,還并不太影響性能,但對高壓大功率彈簧機構,這會顯著增加機構的成本,增加震動降低系統的可靠性。因此某髙壓彈簧機構作如下兩方面改進:①尺寸優化,減小合閘保持角,合閘彈簣釋放到最小時凸輪的位置見圖7,7中的49°就是合閘保持角。②結構優化,在凸輪轉軸處裝有單向軸承,大幅度減小防碰間隙角,使其 近似為0°。


           

          彈簧機構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


           

           凸輪扭矩曲線


          3.3  凸輪參與合閘保持的驅動結構

          另一種結構,見圖8(a)。機構所在狀態為分閘已儲能。這種結構的主要特點是:凸輪驅動五連桿,帶動輸出拐臂。在合閘起始后凸輪轉過很小的角度,扇形板1扣在半軸2上。直連板6、彎連板7和搖臂83個零件的連接點由活動點變為固定點。之后,五連桿結構轉為四連桿結構。簡單地說,合閘彈簧帶動凸輪3逆時針轉動180°,驅動四連桿,推動輸出拐臂4轉動,見圖8(b)。其能量轉換過程中,并無前述的其他部分。通過計算,這種驅動結構的效率要高于前述凸輪不參與合閘保持的驅動結構,效率提高約16%,因此稱為高效的合閘驅動結構。


           

           7  結構優化方案


           

           圖8  合閘驅動結構2


          3.4  實驗驗證

          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,分別配用兩種驅動結構的彈簧操動機構,在速度開距超程都一致的條件下,測量機構的合閘功,凸輪不參與合閘保持的彈簧機構的合閘功為100而凸輪參與合閘保持的彈簧機構的合閘功為70?80J。很好的驗證了前面的分析。


          4   結語

          通過改善潤滑條件或改進軸承結構,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;選擇正確的驅動結構,能減少不必要的能量損耗;優化凸輪曲線,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構的合閘效率,希望對彈簧機構設計人員有所幫助。

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