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        一種彈簧操動機(jī)構(gòu)凸輪的設(shè)計和校驗方法

        2018-08-27 10:24:16李曉虎方春陽穆貝貝郭勝軍
        機(jī)電信息 2018年24期
        關(guān)鍵詞:樣條凸輪圓心

        李曉虎 方春陽 穆貝貝 郭勝軍 魏 偉

        (許繼電氣股份有限公司,河南許昌461000)

        0 引言

        彈簧操動機(jī)構(gòu)是高壓斷路器的重要組成部分,是高壓斷路器中最常見,也是應(yīng)用最廣的一種機(jī)構(gòu)[1]。彈簧操動機(jī)構(gòu)是以彈簧作為動力元件對開關(guān)進(jìn)行分閘和合閘操作的操動機(jī)構(gòu)[2],在合閘過程中,由于彈簧的動力逐漸減小,而斷路器的阻力則逐漸增大,導(dǎo)致動力特性與阻力特性不能匹配,因此需要通過傳動環(huán)節(jié)進(jìn)行改善。凸輪連桿機(jī)構(gòu)是彈簧操動機(jī)構(gòu)的核心[3],通過該傳動機(jī)構(gòu)可改善合閘輸出特性并與負(fù)載特性相匹配,保證合閘可靠性。以往的凸輪廓線主要靠經(jīng)驗設(shè)計,這些凸輪廓線大多只由幾段圓弧或圓弧與直線組成,可參照同類產(chǎn)品中已有的凸輪廓線,通過試驗檢驗其是否滿足設(shè)計要求[4]。

        本文主要介紹一種凸輪設(shè)計新方法,能設(shè)計出滿足機(jī)構(gòu)合閘特性的凸輪廓線。

        1 合閘過程分析

        一般斷路器的合閘過程可以分為以下幾個階段:

        第一個階段:加速過程,動凸輪從儲能保持位置轉(zhuǎn)動到剛動位置,此過程中沒有負(fù)載,動凸輪做加速運(yùn)動。

        第二個階段:動觸頭運(yùn)動過程,動凸輪從剛動位置轉(zhuǎn)動到剛合位置,此過程中的負(fù)載主要是分閘簧。

        第三個階段:超程簧壓縮過程,動凸輪從剛合位置轉(zhuǎn)動到過沖位置,此過程中的負(fù)載主要是超程簧和分閘簧。

        第四個階段:保持過程,動凸輪從過沖位置轉(zhuǎn)動到結(jié)束位置,動凸輪在合閘簧和慣性的作用下,使超程簧一直處于被壓縮到最大值的位置。

        剛動位置:動凸輪和合閘滾輪剛接觸時的位置即動觸頭開始運(yùn)動位置。

        剛合位置:滅弧室動靜觸頭剛接觸時動凸輪的位置。

        過沖位置:超程簧被壓縮到最大值時動凸輪的位置。

        結(jié)束位置:合閘滾輪將離開動凸輪的位置。

        2 凸輪設(shè)計

        動凸輪外形一般認(rèn)為是一條樣條曲線,樣條曲線的定位需要兩組數(shù)據(jù),一組是以動凸輪軸轉(zhuǎn)動圓心到合閘滾輪軸圓心的距離L,另一組是定位點(diǎn)與圓心所在直線相對初始位置的角度θ。

        2.1 樣條曲線定位數(shù)據(jù)確定

        如圖1所示,斷路器達(dá)到剛合點(diǎn)位置時,由于需要克服超程簧做功,所需要的動力扭矩突變,因此此位置應(yīng)對合閘簧對儲能軸的最大扭矩處,扭矩最大位置處θM=(65°~70°),可根據(jù)動觸頭的運(yùn)動距離H動+2 mm(考慮機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的剛性形變的影響,設(shè)計行程稍大2 mm)。以ZW20斷路器為例,按照每份1 mm(可根據(jù)開距大小適當(dāng)調(diào)整)微分成n份,而凸輪的轉(zhuǎn)動角度也微分為n份,每份的角度為/n。

        圖1 ZW20斷路器機(jī)構(gòu)分閘位置

        超程簧壓縮過程,超程簧產(chǎn)生的扭矩較大,需要更多的能量,為了盡可能利用合閘簧的能量,把動凸輪從θM轉(zhuǎn)動到θ過(θ過一般選為130°),作為動凸輪對超程簧的做功過程,根據(jù)超程簧的運(yùn)動距離H超+0.5 mm,按照每份0.5 mm(可根據(jù)超程大小適當(dāng)調(diào)整)微分為m份,而凸輪的轉(zhuǎn)動角度也微分為m份,每份的角度為(130-θM)/m。

        通常初始位置設(shè)定d=2 mm,以保證分閘后,分閘摯子不會撞擊到動凸輪圓輪廓上。

        凸輪的輪廓即為L和θ做出的樣條線L(合閘滾輪圓心的運(yùn)動軌跡)偏移r合距離后的新樣條線L動。

        根據(jù)各個位置的樣條曲線定位數(shù)據(jù)編制合閘滾輪軸圓心到動凸輪轉(zhuǎn)動圓心的距離L與定位點(diǎn)相對圓心初始位置的角度θ關(guān)系表,如表1所示。

        2.2 繪制凸輪輪廓

        2.2.1 繪制出合閘滾輪圓心運(yùn)動軌跡的樣條曲線

        根據(jù)表1中θ和L的數(shù)據(jù),以極坐標(biāo)的方式,繪制出樣條曲線L,如圖2所示。

        2.2.2 生成動凸輪輪廓的樣條曲線

        保證θ不變,剛動位置、剛合位置、過沖位置的長度不變的情況下,微調(diào)剛合位置和過沖位置附近的L值,保證樣條曲線L可以r合的長度進(jìn)行偏移,生成動凸輪輪廓的樣條曲線L動,以樣條曲線L的剛合點(diǎn)為圓心O,以r合為半徑做圓,相交于樣條曲線L動的剛合點(diǎn)P,并在射線OP連線上找一點(diǎn)做圓心Q,以LPQ的長度為半徑做圓弧,分別交樣條曲線L動于兩點(diǎn)。再以此兩點(diǎn)分別與剛動點(diǎn)和過沖點(diǎn)做圓弧,使圓弧線盡可能貼近樣條曲線L動,如圖3所示。

        表1 L與θ關(guān)系表

        圖2 合閘滾輪的樣條曲線L

        圖3 動凸輪輪廓

        3 合閘凸輪校驗

        3.1 微分合閘過程

        以ZW20斷路器機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式為例,超程簧與滅弧室存在一定夾角,相互運(yùn)動通過傳動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn),如圖1所示,從剛動位置到過沖位置,可以按照輸出軸的轉(zhuǎn)動角度,對動觸頭運(yùn)動過程和超程簧壓縮過程分別微分,動觸頭運(yùn)動過程根據(jù)輸出軸轉(zhuǎn)動角度分為5~10份,超程簧壓縮過程根據(jù)輸出軸轉(zhuǎn)動角度分為10~15份。

        3.2 計算對比動力矩和阻力矩

        3.2.1 計算各個角度合閘動力扭矩和阻力扭矩

        利用繪圖和搭建數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方法,計算微分后各個點(diǎn)動力對輸出軸的扭矩M動和阻力對輸出軸的扭矩M阻。

        3.2.2 比較動力矩和阻力矩

        根據(jù)各個點(diǎn)的動力矩和阻力矩繪制扭矩曲線圖,如圖4所示,在合閘過程中,動力矩曲線1始終保持動力矩大于阻力距,此種情況,機(jī)構(gòu)能夠可靠合閘,而動力矩曲線2和動力矩曲線3均有部分動力矩小于阻力矩,此種情況會導(dǎo)致機(jī)構(gòu)不能可靠合閘,或者合閘速度低于設(shè)計要求,就需要對動力矩小于阻力矩的輪廓部分進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整該部分L與θ的相關(guān)參數(shù),使動力矩始終能夠大于阻力矩。

        4 結(jié)語

        圖4 動力距與阻力矩曲線對比

        根據(jù)此種方法進(jìn)行的凸輪設(shè)計和校驗,不但可以保證合閘過程中動力矩始終大于阻力矩,還可通過改變L與θ的相關(guān)參數(shù),使機(jī)構(gòu)擁有合格的合閘速度。與傳統(tǒng)凸輪設(shè)計方法相比,本文的設(shè)計方法不僅合閘可靠性高,而且動力特性和阻力特性更加匹配。

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