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(庫柏(寧波)電氣有限公司,浙江　寧波　315336)

1　引言

零部件的運(yùn)動(dòng)方式有很多種，對(duì)于大型復(fù)雜的裝配體，其運(yùn)動(dòng)特性通常是通過大量復(fù)雜的計(jì)算來獲得，其中在對(duì)具備復(fù)雜外形的零部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，其零件上的各點(diǎn)速度都不相同，這樣使得研究此類裝配體的運(yùn)動(dòng)特性顯的非常復(fù)雜。因此通過等效質(zhì)量的計(jì)算，將整個(gè)裝配體的質(zhì)量等效到某一等效點(diǎn)上的質(zhì)量，從而可將復(fù)雜的裝配體運(yùn)動(dòng)分析轉(zhuǎn)化為對(duì)單一等效點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)分析。

本文歸納出一種計(jì)算等效質(zhì)量的方法，將所有運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量集中到運(yùn)動(dòng)部件上某一點(diǎn)上，整個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)特性就可以等效為集中在這一點(diǎn)上的具備相應(yīng)等效質(zhì)量的部件運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，本文建立了高壓真空斷路器的傳動(dòng)模型，以傳動(dòng)模型為基礎(chǔ)，對(duì)等效質(zhì)量的計(jì)算進(jìn)行了研究分析。

2　等效質(zhì)量計(jì)算的理論方法

2.1　從理論力學(xué)的角度出發(fā)，按照零部件運(yùn)動(dòng)方式的不同，計(jì)算替代質(zhì)量[2]的方法有以下三種：

(1)作直線平移運(yùn)動(dòng)的零部件：該類零部件運(yùn)動(dòng)的替代質(zhì)量可視為集中在零部件上的任意一點(diǎn)。

(2)圍繞一固定軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零部件：按照對(duì)固定軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量守恒的原則，該類零部件的替代質(zhì)量可集中在零部件的任意一點(diǎn)上。

式中：L為OB之間的距離,m;JO為對(duì)轉(zhuǎn)軸O的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2。

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JO與零部件的幾何形狀和質(zhì)量分布有關(guān)。

(3)作平面平行運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜零部件：此類零部件為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)零部件，往往包含連桿、軸銷等，計(jì)算其替代質(zhì)量通常依據(jù)能量平衡原理，按照質(zhì)量不變、重心的位置不變和對(duì)重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變的三點(diǎn)要求，將該零部件的質(zhì)量集中在三個(gè)點(diǎn)上。通常所選其中兩點(diǎn)取在軸銷中心(p,r點(diǎn))，另一點(diǎn)選在零件的重心上(g點(diǎn))。假定p，r點(diǎn)離開重心g點(diǎn)的距離為xp與xr，零件的重量為m，對(duì)重心g點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jg，則可求出在p,g,r三個(gè)指定點(diǎn)上的替代質(zhì)量mp,mg,mr如下：

①根據(jù)質(zhì)量守恒原則，可得

mp+mg+mr=m

②根據(jù)重心g點(diǎn)的位置守恒原則[3]，可得

mpxp-mrxr=0

③根據(jù)對(duì)重心g點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jg守恒原則，可得

解方程式，可得

2.2　節(jié)點(diǎn)質(zhì)量[4]

兩個(gè)零件通過軸銷連接在一起，軸銷連接處稱為節(jié)點(diǎn)。通過替代質(zhì)量的計(jì)算，可把絕大部分零件的質(zhì)量集中在節(jié)點(diǎn)上，有些節(jié)點(diǎn)上可能有幾個(gè)等效質(zhì)量。把各節(jié)點(diǎn)上的等效質(zhì)量加在一起叫做節(jié)點(diǎn)質(zhì)量mA，mB。

2.3　等效質(zhì)量[5]

通過替代質(zhì)量與節(jié)點(diǎn)質(zhì)量的計(jì)算，已把運(yùn)動(dòng)零部件的質(zhì)量集中在幾個(gè)節(jié)點(diǎn)上。若通過計(jì)算可得知各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度為vA，vB…，則整個(gè)運(yùn)動(dòng)部分的動(dòng)能Ad為：

3　研究對(duì)象

本文選取VN1-40.5/T1250-31.5高壓真空斷路器為研究對(duì)象，該斷路器為新一代40.5kV電壓等級(jí)小型化真空斷路器，采用一體化的專用彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單傳動(dòng)可靠，額定電流達(dá)到315A，短路開斷電流達(dá)到31.5kA，機(jī)械壽命達(dá)到20000次，主回路部分和操動(dòng)機(jī)構(gòu)部分為上下布置方式，從而減小了斷路器縱深方向的尺寸，使得所配開關(guān)柜的柜深大幅減小。

該斷路器的外形如圖1所示，選取該斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，其操動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)[7]簡圖如下。

圖1　VN1-40.5高壓真空斷路器

圖3所示模型為依據(jù)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件實(shí)際尺寸建立的傳動(dòng)簡圖[8]，依據(jù)本文所介紹的替代質(zhì)量的計(jì)算方法，可得到以下方案：

(1)圍繞固定軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的拐臂可按照對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jo守恒的原則，將該類零部件的等效質(zhì)量可集中在軸銷處；

(2)作直線平移運(yùn)動(dòng)的連桿等零部件的等效質(zhì)量可視為集中在該零部件的質(zhì)心處。

(3)對(duì)于斷路器中形狀復(fù)雜的傳動(dòng)零部件，可根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算方法來計(jì)算其等效質(zhì)量，并等效到相應(yīng)的質(zhì)心處；

依據(jù)以上方法，計(jì)算出VN1-40.5/T1250-31.5高壓真空斷路器各傳動(dòng)零部件等效到相應(yīng)點(diǎn)的質(zhì)量，

表1中“-”表示該傳動(dòng)部件做非轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，無轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

表1　運(yùn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及等效到各傳動(dòng)節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量參數(shù)

以A、B、C、D、E、F為節(jié)點(diǎn)，通過計(jì)算可得到斷路器各傳動(dòng)節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量如表2所示。

表2　斷路器各傳動(dòng)節(jié)點(diǎn)質(zhì)量

表2中“-”表示傳動(dòng)節(jié)點(diǎn)并無對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)質(zhì)量分配。

本文通過對(duì)機(jī)械四連桿機(jī)構(gòu)[9]的分析可知，當(dāng)不考慮轉(zhuǎn)軸與軸銷處的摩擦?xí)r，根據(jù)能量守恒關(guān)系，主動(dòng)臂所作的功應(yīng)與從動(dòng)臂所作的功相等。假定在時(shí)間dt內(nèi)主動(dòng)臂轉(zhuǎn)過的角度為dα1，從動(dòng)臂轉(zhuǎn)過的角度為dα2，則

M1α1=M2α2

由于Am=M2/M2=dα1/dα2=ω1/ω2

式中：ω1為主動(dòng)臂的角速度;ω2為從動(dòng)臂的角速度。

依據(jù)公式(3)，可得到斷路器傳動(dòng)系統(tǒng)等效到真空滅弧室動(dòng)端的等效質(zhì)量曲線如圖4所示。

圖4　斷路器傳動(dòng)系統(tǒng)的等效質(zhì)量

圖4為研究對(duì)象VN1-40.5/T1250-31.5高壓真空斷路器的傳動(dòng)系統(tǒng)在分閘過程中等效到真空滅弧室動(dòng)端的等效質(zhì)量，由于斷路器的分閘特性直接影響到開關(guān)滅弧的性能，因此得到斷路器傳動(dòng)系統(tǒng)等效到滅弧室動(dòng)端的等效質(zhì)量的理論變化趨勢(shì)對(duì)如何提升斷路器的分閘開斷能力是非常有意義的。

4　結(jié)語

本文從理論的角度對(duì)不同運(yùn)動(dòng)類型的零部件的等效質(zhì)量計(jì)算方法進(jìn)行了闡述，通過轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的速度比，可計(jì)算出傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的等效質(zhì)量，并將等效質(zhì)量的概念引入到高壓真空斷路器的傳動(dòng)系統(tǒng)中，建立了理論研究模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)斷路器傳動(dòng)系統(tǒng)的等效質(zhì)量進(jìn)行了大量計(jì)算，得出了分閘過程中斷路器傳動(dòng)系統(tǒng)的等效質(zhì)量變化曲線，對(duì)高壓斷路器的開斷能力提升研究起到了積極的作用。

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