高壓開(kāi)關(guān)中連桿機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)便計(jì)算

陳賢會(huì)

摘 要：從操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作到開(kāi)關(guān)合分閘的中間環(huán)節(jié)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)人員最重要的工作。開(kāi)關(guān)此部分傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般都是由一組或者幾組四連桿機(jī)構(gòu)組成，采用傳統(tǒng)的公式去計(jì)算四連桿傳動(dòng)機(jī)的力矩是非常繁鎖，而且也容易計(jì)算錯(cuò)誤。本文采用不同的計(jì)算方式對(duì)幾組高壓真空斷路器的四連桿機(jī)構(gòu)的靜態(tài)受力計(jì)算，總結(jié)出更加高效、簡(jiǎn)便的計(jì)算方式。

關(guān)鍵詞：連桿機(jī)構(gòu);測(cè)量法;三角函數(shù)

一、引言

作為一名從事高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)的設(shè)計(jì)人員，對(duì)開(kāi)關(guān)機(jī)械部份的力矩計(jì)算的能力是必不可少的。從機(jī)構(gòu)動(dòng)作到開(kāi)關(guān)合分閘的中間環(huán)節(jié)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)成了開(kāi)關(guān)廠設(shè)計(jì)人員最重要的工作。而高壓開(kāi)關(guān)此部分傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般都是由一組或者幾組傳動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)組成，在靜態(tài)受力分析一般都采用三角函數(shù)的方法去計(jì)算，在計(jì)算過(guò)程中太過(guò)繁鎖很容易造成計(jì)算錯(cuò)誤，以及計(jì)算效率不高。本文通過(guò)利用CAD繪圖軟件，結(jié)合新的計(jì)算方式，將更加高效、簡(jiǎn)便的方式來(lái)計(jì)算各連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的受力情況。本文將采用不同的計(jì)算方式對(duì)連桿機(jī)構(gòu)的力矩計(jì)算進(jìn)行一個(gè)對(duì)比，來(lái)證明新的計(jì)算方式具有高效、簡(jiǎn)便的。

二、XGN74-12斷路器柜傳動(dòng)組成概述

首先，我們要了解在設(shè)計(jì)XGN74-12斷路器柜傳動(dòng)的過(guò)程中，從操作機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)開(kāi)始到斷路器完全合閘這一過(guò)程，都要有詳細(xì)的傳動(dòng)過(guò)程計(jì)算。利用一組靜態(tài)傳動(dòng)圖，來(lái)證明兩種計(jì)算方式對(duì)靜態(tài)受力分析的一致性。本文將采用一組機(jī)構(gòu)中的凸輪剛接觸拐臂時(shí)的靜態(tài)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖，利用兩種不同的計(jì)算方式來(lái)進(jìn)行對(duì)比。XGN74-12斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)到真空滅弧室的傳動(dòng)主要是由機(jī)構(gòu)凸輪、輸出拐臂組件、輸出拐臂、輸入拐臂、輸出臂板等。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

（一）機(jī)構(gòu)凸輪剛接觸傳動(dòng)拐臂時(shí)的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖及計(jì)算

圖1中，紫色表示斷路器電氣本體部分，在機(jī)構(gòu)后面，置于氣箱內(nèi)部。在圖1中，為了方更計(jì)算，將作用在機(jī)構(gòu)凸輪的力的合閘彈簧省略掉。在合閘彈簧過(guò)中后，在合閘彈簧的作用力下，機(jī)構(gòu)凸輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。將圖1中，機(jī)構(gòu)凸輪剛接觸輸出拐臂組件時(shí)的靜態(tài)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖采用傳動(dòng)簡(jiǎn)圖方法表示。見(jiàn)圖2。

在實(shí)際運(yùn)行中，機(jī)構(gòu)中的能量由機(jī)構(gòu)中的合閘彈簧通過(guò)凸輪等傳動(dòng)件輸出到機(jī)構(gòu)輸出拐臂，其整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程較復(fù)雜，且整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程受摩擦力等因素的影響，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在計(jì)算時(shí)不考慮摩擦力等因素，直觀的反應(yīng)出各構(gòu)件的靜態(tài)受力。在已知機(jī)構(gòu)凸輪T1的扭矩，以及四連桿機(jī)構(gòu)各點(diǎn)的靜態(tài)位置，求施加在滅弧室上的力F5，以下分別用三角函數(shù)計(jì)算和新的簡(jiǎn)便方法計(jì)算（為了方便敘述就稱其為“測(cè)量法計(jì)算”）。

（1）三角函數(shù)計(jì)算

三角函數(shù)計(jì)算采用大量的三角形作圖，從T1一步步推算到F5。那么我們下面采用直角三角形作圖，利用函數(shù)的方法一步步分解去計(jì)算各轉(zhuǎn)點(diǎn)上的扭矩和力。下面我們利用三角函數(shù)和圖解的方法進(jìn)行去推算各扭矩和力的表達(dá)式。

當(dāng)機(jī)構(gòu)凸輪在扭矩T1的作用下，呈逆時(shí)針旋至一定角度，在與輸出拐臂上的滾輪剛接觸點(diǎn)時(shí)（設(shè)接觸點(diǎn)為B），其整體靜態(tài)受簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。利用B點(diǎn)和圓心A點(diǎn)連線就可以得到受力方向F1，直線AB兩端延長(zhǎng)，分別與O1和O2形成兩個(gè)直角△AO1J和△O2KB。見(jiàn)圖3。作用力F1=T1/（AO1×sina1）;作用在O2的扭矩T2=F1×（sina2×O2B）;同理，將直線CD兩端延長(zhǎng)，形成兩個(gè)直角△O2LC和△O3MD。見(jiàn)圖4。作用力F2=T2/（CO2×cosa3）;作用在O3的扭矩T3=F2×（sina4×O3D）;同理，按此方法直接可計(jì)算出F3和T4，最終可計(jì)算出F5。見(jiàn)圖5。F3=T3/（cosa5×O3E）;F4為分閘彈簧的作用力，在機(jī)構(gòu)凸輪的作用下，使支點(diǎn)O4呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，必須要克服F4施加在支點(diǎn)O4上的扭矩。那么，T4=F3×（sina6×FO4）-F4×（sina7×GO4）;最終求得F5=T4/（cosa8×O4H）;為了體現(xiàn)F5完整表達(dá)公式，整合以上公式就可以得到推理公式;F5= [T1/（AO1×sina1）×（sina2×O2B）/（CO2×cosa3）×（sina4×O3D）/（cosa5×O3E）×（sina6×FO4）-F4×（sina7×GO4）] /（cosa8×O4H）? ? 公式①。

（2）測(cè)量法計(jì)算

上述三角函數(shù)的計(jì)算方式，我們發(fā)現(xiàn)其有一定的規(guī)律，角度乘以臂長(zhǎng)就可以得到受力方向與支點(diǎn)中心垂線的尺寸。因此，只要明確了其受力方向，我們可以直接在圖上可以測(cè)量出各垂線的尺寸，利用乘除就可以得到完整的推理公式。設(shè)各垂線為L(zhǎng)1～L8，見(jiàn)圖6。為了簡(jiǎn)化過(guò)程，各個(gè)作用力和扭矩不再進(jìn)行詳細(xì)的推理，只要推理出作用在F5上的力即可，可利用以下公式就可以得到F5的表達(dá)式。

F5= [T1/L1×L2/L3×L4/L5×L6-F4×L7] /L8? 公式②;

（3）參數(shù)驗(yàn)算

為了證明其公式①和公式②兩者計(jì)算的一致性，假設(shè)凸輪上的扭矩和分閘彈

簧上的力值已知，各直角三角形斜邊和角度從CAD簡(jiǎn)圖測(cè)量得出，利用公式①求出各構(gòu)件的靜態(tài)受力情況。已知T1=40000N.mm，F(xiàn)4=450N，a1=26°，a2=53.7°，a3=9.5°，a4=27.3°，a5=20.2°，a6=85°，a7=48.3°，a8=3°，AO1=35mm，O2B=35.4mm，CO2×=40mm，O3D=40mm，O3E=40mm，F(xiàn)O4=50mm，GO4=76mm，O4H=40mm。把已知參數(shù)代入公式①中，得到F5=[40000/（35×sin26°）×（sin53.7°×35.4）/（40×cos9.5°）×（sin27.3°×40）/（cos20.2°×40）×（sin85°×50）-450×（sin48.3°×76）] /（cos3°×40）=506.6N。

按測(cè)量法來(lái)進(jìn)行計(jì)算的話，僅測(cè)量出垂線的長(zhǎng)度即可。已知T1和F4，L1=15.4mm，L2=28.5mm，L3=39.5mm，L4=18.5mm，L5=37.5mm，L6=49.8mm，L7=56.7mm，L8=40mm。把已知參數(shù)代入公式②中，得到F5=[40000/15.4×28.5/39.5×18.5/37.5×49.8-450×56.7]/40=513.2N。

同一種靜態(tài)傳動(dòng)受力圖，采用以上兩種計(jì)算方法所取得結(jié)果是一致的。

三、結(jié)論

在已知的傳動(dòng)靜態(tài)受力圖中，各個(gè)傳動(dòng)受力值和扭矩都是可以按上述兩種方法進(jìn)行驗(yàn)算的。相對(duì)于利用三角函數(shù)的計(jì)算，過(guò)程繁鎖。采用受力方向與臂長(zhǎng)夾角的角度和臂長(zhǎng)的關(guān)系，計(jì)算出垂線的尺寸，在此過(guò)程中容易出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤，對(duì)工程設(shè)計(jì)人員效率不高;而采用測(cè)量法來(lái)計(jì)算，只要確定了垂線的尺寸，省略了角度和臂長(zhǎng)關(guān)系的計(jì)算，具有更加簡(jiǎn)便、高效的計(jì)算方法。

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