死點(diǎn)位置在開關(guān)類設(shè)備中的應(yīng)用

郭小燕，朱波濤，胡旭喆

(1.國網(wǎng)河北省電力公司培訓(xùn)中心，河北石家莊　050031；2.國網(wǎng)河北省電力公司邢臺(tái)供電分公司，河北邢臺(tái)　054000；3.河北建投沙河發(fā)電有限責(zé)任公司，河北邢臺(tái)　054100)

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死點(diǎn)位置在開關(guān)類設(shè)備中的應(yīng)用

郭小燕1，朱波濤2，胡旭喆3

(1.國網(wǎng)河北省電力公司培訓(xùn)中心，河北石家莊050031；2.國網(wǎng)河北省電力公司邢臺(tái)供電分公司，河北邢臺(tái)054000；3.河北建投沙河發(fā)電有限責(zé)任公司，河北邢臺(tái)054100)

摘要：介紹了鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)、分類、判定條件等知識點(diǎn)，利用鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)理論對死點(diǎn)位置進(jìn)行了解釋，進(jìn)一步闡述了死點(diǎn)位置在不同類型開關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用特點(diǎn)。死點(diǎn)位置對于開關(guān)類設(shè)備的正常運(yùn)行和操作均具有重要作用，掌握死點(diǎn)位置原理和對死點(diǎn)位置的有效維護(hù)可以提高電力設(shè)備運(yùn)行可靠性。

關(guān)鍵詞：機(jī)械原理與機(jī)構(gòu)學(xué);死點(diǎn)位置；開關(guān)類設(shè)備；操動(dòng)機(jī)構(gòu)

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郭小燕，朱波濤，胡旭喆.死點(diǎn)位置在開關(guān)類設(shè)備中的應(yīng)用[J].河北工業(yè)科技,2015,32(1):50-54.

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開關(guān)類設(shè)備具有開斷和關(guān)合功能，而多數(shù)設(shè)備的儲(chǔ)能、開斷狀態(tài)和關(guān)合狀態(tài)是利用死點(diǎn)位置原理實(shí)現(xiàn)保持的。目前，電力工作人員在對設(shè)備進(jìn)行檢修和操作時(shí)，往往是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)開展工作，不了解死點(diǎn)位置的結(jié)構(gòu)和動(dòng)作原理，進(jìn)而影響了對設(shè)備的合理檢修維護(hù)，縮短了設(shè)備的機(jī)械壽命。

針對鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的研究多集中于對機(jī)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化[1-5]，對于死點(diǎn)位置以及應(yīng)用鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)理論對死點(diǎn)位置進(jìn)行研究的文獻(xiàn)較少，尤其是在電力設(shè)備中應(yīng)用的相關(guān)研究較少。該文針對死點(diǎn)位置的特點(diǎn)，利用鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)原理對其進(jìn)行解釋，并列舉死點(diǎn)位置在不同形式的開關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用情況，分析了死點(diǎn)位置在開關(guān)類設(shè)備中的應(yīng)用效果，對于有效維護(hù)電力設(shè)備、保證電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行具有實(shí)際意義。

1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)簡介

4個(gè)構(gòu)件通過轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈聯(lián)結(jié)而成的機(jī)構(gòu)，稱為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)[6](如圖1所示)。4個(gè)構(gòu)件包括機(jī)架、連桿、曲柄和搖桿。

圖1　鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)原理圖Fig.1　Schematic diagram of four-bar linkage mechanism

機(jī)架：鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中固定不動(dòng)的構(gòu)件，用來支撐運(yùn)動(dòng)部件和固定非位移連桿做圓周運(yùn)動(dòng)的圓點(diǎn)等作用。

連桿：一般為運(yùn)動(dòng)中互相連接互相起作用的單獨(dú)構(gòu)件。

曲柄：與機(jī)架用轉(zhuǎn)動(dòng)副相連且能繞該轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線整圈旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件。

搖桿：與機(jī)架用轉(zhuǎn)動(dòng)副相連但只能繞該轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線擺動(dòng)的構(gòu)件。

設(shè)曲柄AB、連桿BC、搖桿CD和機(jī)架AD的桿長分別為a,b,c,d。

當(dāng)構(gòu)件AB與BC在B1點(diǎn)共線是由△AC1D可得：

b-a+c≥d，

b-a+d≥c。

當(dāng)構(gòu)件AB與CD在B2點(diǎn)共線是由△AC2D可得：

a+b≤c+d。

綜合兩種情況有：

(1)

將式(1)中的3個(gè)不等式兩兩相加，經(jīng)簡化后可得：

a≤b，a≤c，a≤d。

(2)

由此得出曲柄存在條件[1-3]：1)連架桿與機(jī)架必有一個(gè)是最短桿；2)最短桿與最長桿長度之和必小于或等于其余兩桿長度之和。

2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)分類

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)可按有無曲柄、搖桿，分為以下3種基本型式。

2.1　曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩連架桿之一為曲柄，另一個(gè)是搖桿，此機(jī)構(gòu)稱為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

圖2　曲柄搖桿機(jī)構(gòu)Fig.2　Crank and rocker mechanism

2.2　雙曲柄機(jī)構(gòu)

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩連架桿均為曲柄時(shí)，此機(jī)構(gòu)稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)。平行四邊形機(jī)構(gòu)是一種特殊的雙曲柄機(jī)構(gòu)，雙曲柄機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3　雙曲柄機(jī)構(gòu)Fig.3　Double crank mechanism

2.3　雙搖桿機(jī)構(gòu)

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩連架桿均為搖桿時(shí)，此機(jī)構(gòu)稱為雙搖桿機(jī)構(gòu)，如圖4所示。

圖4　雙搖桿機(jī)構(gòu)Fig.4　Double rocker mechanism

3鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)類型判定

首先滿足桿長之和條件，即最短桿與最長桿之和小于或等于其余兩桿長度之和。滿足桿長之和條件：

1)最短桿為機(jī)架(雙曲柄機(jī)構(gòu))；

2)最短桿的相鄰桿為機(jī)架(曲柄搖桿機(jī)構(gòu))；

3)最短桿的相對桿為機(jī)架(雙搖桿機(jī)構(gòu))。

不滿足桿長之和條件，無論以哪個(gè)桿作機(jī)架，均為雙搖桿機(jī)構(gòu)。

判定鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)類型框圖如圖5所示。

圖5　鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)類型判定框圖Fig.5　Type decision diagram of four-bar linkage mechanism

4死點(diǎn)位置

當(dāng)從動(dòng)件上的傳動(dòng)角為零，驅(qū)動(dòng)力對從動(dòng)件的有效回轉(zhuǎn)力矩為零，這個(gè)位置稱為機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置，也就是機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件與連桿共線的位置稱為機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置。

在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，取搖桿為主動(dòng)件，曲柄為從動(dòng)件時(shí)，連桿與從動(dòng)件曲柄存在兩次共線的位置。死點(diǎn)的特點(diǎn)是無論在搖桿上施加多大的驅(qū)動(dòng)力，均不能使從動(dòng)件曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)向不能確定。

如圖6所示，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)正處于可以獲得無窮大機(jī)械增益的機(jī)構(gòu)位置。如果此時(shí)原動(dòng)件為CD構(gòu)件，由于從動(dòng)件AB和連桿BC處于共線位置(即死點(diǎn)位置)，則機(jī)構(gòu)將無法運(yùn)動(dòng)。

圖6　鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)Fig.6　Four-bar linkage mechanism

對于需連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)來說，如果存在死點(diǎn)位置，則對傳動(dòng)不利，必須避免機(jī)構(gòu)由死點(diǎn)位置開始起動(dòng)，同時(shí)采取措施使機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中能順利通過死點(diǎn)位置并使從動(dòng)件按預(yù)期方向運(yùn)動(dòng)。

死點(diǎn)位置也存在可以利用的一面，因?yàn)闄C(jī)械裝置在死點(diǎn)位置，無論驅(qū)動(dòng)力有多大，機(jī)構(gòu)都將不能運(yùn)動(dòng)，因此可以起到“鎖緊”作用。

5死點(diǎn)位置的應(yīng)用

5.1　死點(diǎn)位置在斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用

在斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的保持與脫扣系統(tǒng)中，利用死點(diǎn)或鎖扣裝置使斷路器實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能保持或合閘狀態(tài)保持；利用破壞死點(diǎn)或利用鎖扣釋放使斷路器分閘[7-14]。

采用凸輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖7所示。其中，圖7 a)為未儲(chǔ)能狀態(tài)，此時(shí)儲(chǔ)能杠桿在合閘彈簧初拉力作用下處于接近死點(diǎn)位置(O3-A-O6三點(diǎn)接近在一條直線上)。儲(chǔ)能開始后，杠桿3繞O3軸作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，合閘彈簧被拉伸儲(chǔ)能。當(dāng)杠桿3越過上死點(diǎn)位置時(shí)(見圖7 b))，該杠桿就脫離減速箱中大蝸輪的制約，并在合閘彈簧拉力作用下，自動(dòng)向逆時(shí)針方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到扣合杠桿2被合閘鎖扣4扣住為止。這時(shí)儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)就被鎖定在儲(chǔ)能狀態(tài)(實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能保持)。儲(chǔ)能后，銷滾輪與合閘鎖扣4作用力的大小決定于O6-A-O3角度的大小。該角度越大，其合閘鎖扣力越大，合閘脫扣電壓也就越高。

圖7　凸輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.7　Cam storage system structure

合閘過程中的連桿系統(tǒng)如圖8所示。其中，圖8 a)的合閘彈簧已儲(chǔ)能但斷路器處于分閘位置。此時(shí)接到合閘信號后，合閘鎖扣5作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使杠桿上的滾輪脫扣。儲(chǔ)能軸O3在合閘彈簧力作用下逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使O3軸上的凸輪1壓動(dòng)三角形杠桿3上A點(diǎn)處的合閘滾輪4。于是三角形杠桿繞O2軸順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)連桿6推動(dòng)O1軸旋轉(zhuǎn)，從而使斷路器合閘。

圖8 b)為開關(guān)合閘位置，但合閘彈簧未儲(chǔ)能狀態(tài)。此時(shí)分閘扣合杠桿8上的滾輪被分閘鎖扣7扣住。由于合理選擇了凸輪與儲(chǔ)能杠桿之間的夾角，因而在合閘過程中，當(dāng)凸輪已將三角形杠桿驅(qū)動(dòng)至合閘位置后，儲(chǔ)能杠桿尚距下死點(diǎn)最終位置約60°。這時(shí)，儲(chǔ)能杠桿在合閘彈簧力繼續(xù)作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，直至圖7 a)所示的死點(diǎn)位置。這時(shí)，凸輪釋放了三角形杠桿，為分閘操作做好準(zhǔn)備，因而也就具備了自由脫扣功能。

圖8　操動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿系統(tǒng)狀態(tài)示意圖Fig.8　Operating state of the linkage system 　schematic diagram of a mechanism

5.2　死點(diǎn)位置在隔離開關(guān)中的應(yīng)用

在隔離開關(guān)傳動(dòng)系統(tǒng)中，利用死點(diǎn)或鎖扣裝置使隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn)分閘狀態(tài)保持或合閘狀態(tài)保持；利用破壞死點(diǎn)或利用鎖扣釋放使斷路器完成分閘或者合閘功能。

如圖9所示GW16型隔離開關(guān)底座裝配圖。將隔離開關(guān)合閘，在合閘到位時(shí)底座裝配上的雙連桿要過死點(diǎn)1~2 mm[15]，即B點(diǎn)要求相對A—B—C的直線偏離1~2 mm，這樣能夠保證導(dǎo)電臂固定座5不會(huì)在外力作用下出現(xiàn)向左側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，即防止發(fā)生自動(dòng)分閘的現(xiàn)象，從而保證隔離開關(guān)在合閘位置。如果要完成分閘動(dòng)作，需要對拐臂1施加作用力，破壞死點(diǎn)位置，使得拐臂沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)導(dǎo)電臂固定座向左運(yùn)動(dòng)，完成分閘動(dòng)作。

圖9　GW16型隔離開關(guān)底座裝配圖Fig.9　Assembly drawing of GW16 type isolation switch base

GW4型隔離開關(guān)傳動(dòng)裝配圖如圖10所示。如圖10 a)GW4型隔離開關(guān)在合閘位置時(shí)，B點(diǎn)要求過死點(diǎn)1~2 mm，即B點(diǎn)要求相對A—B—C的直線向下偏離1~2 mm，防止拉桿1誤動(dòng)，造成自動(dòng)分閘；如果要實(shí)現(xiàn)分閘，通過拐臂2對B點(diǎn)作用，破壞死點(diǎn)位置，使得拉桿1沿B點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)，完成分閘動(dòng)作。

如圖10 b)隔離開關(guān)在分閘位置時(shí)，B點(diǎn)要求過死點(diǎn)1~2 mm，即B點(diǎn)要求相對A—B—C的直線向下偏離1~2 mm，防止拉桿1誤動(dòng)，造成自動(dòng)合閘；如果要實(shí)現(xiàn)合閘，通過拐臂2對B點(diǎn)作用，破壞死點(diǎn)位置，使得拉桿1沿B點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)，完成合閘動(dòng)作。

圖10　GW4型隔離開關(guān)傳動(dòng)裝配圖Fig.10　GW4 type isolation switch drive assembly drawing

6結(jié)語

斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)利用死點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)彈簧儲(chǔ)能、合閘保持和實(shí)現(xiàn)彈簧能量釋放、分(合)閘等功能；隔離開關(guān)利用死點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)分(合)閘保持、分(合)閘等功能。因此，對于死點(diǎn)位置相關(guān)部件進(jìn)行有效維護(hù)，可以減少設(shè)備的故障率，從而增強(qiáng)電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性。

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Application of the dead-point position in switch equipments

GUO Xiaoyan1, ZHU Botao2, HU Xuzhe3

(1.Training Centre，State Grid Hebei Power Company, Shijiazhuang, Hebei 050031， China；2.State Grid Xingtai Electric Power Supply Company， Xingtai, Hebei 054000， China；3.HVIG Shahe Power Generation Company Limited， Xingtai, Hebei 054100， China)

Abstract:This paper introduces four-bar linkage and its classification and determination conditions, and explains the concept of dead-point position based on the four-bar linkage theory. Furthermore, it expounds the application characteristics of the dead-point position in switch equipments. The dead-point position is important to the normal operation of switch equipments. To learn the dead-point position theory and effective maintenance of the dead-point position can improve the reliability of equipment operation.

Keywords:mechanical principles and mechanisms; dead-point position； switch equipments； operating mechanism

作者簡介：郭小燕(1979—)，男，河北石家莊人，講師，碩士，主要從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方面的研究。

收稿日期：2014-05-21;修回日期：2014-09-30；責(zé)任編輯：陳書欣

中圖分類號：TH112.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7535/hbgykj.2015yx01010

文章編號：1008-1534(2015)01-0050-05