智慧小型斷路器操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

摘 要：

針對(duì)智慧小型斷路器，繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，并調(diào)整操作機(jī)構(gòu)四連桿尺寸，分析操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡。結(jié)合靜力學(xué)分析操作機(jī)構(gòu)在某些狀態(tài)位置的受力情況，計(jì)算智慧小型斷路器觸頭參數(shù)（開距、超程、終壓力、驅(qū)動(dòng)單元力），為其操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析提供一種新的方向。

關(guān)鍵詞：

智慧小型斷路器; 操作機(jī)構(gòu); 靜力學(xué)分析; 觸頭參數(shù)

中圖分類號(hào)： TM561

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）07-0050-04

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.07.007

Design and Analysis on Operating Mechanism of Smart Miniature Circuit Breakers

Abstract：

For smart miniature circuit breakers，a schematic diagram of the mechanism motion is drawed，the size of the four connecting rods of the operating mechanism is adjusted， and the motion trajectory of the operating mechanism is analyzed.Combined with the static analysis to analyze the force situation of the operating mechanism at certain steady-state positions，the contact parameters of the smart miniature circuit breaker （opening distance，overtravel，final pressure，driving unit force） are calculated，which provides a new design direction for the design and analysis of the operating mechanism of smart miniature circuit breakers.

Key words：

smart miniature circuit breaker; operating mechanism; static analysis; contact parameter

0 引 言

智慧小型斷路器被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用等領(lǐng)域的終端配電系統(tǒng)及新能源、通信等新興行業(yè)。隨著科技持續(xù)發(fā)展，對(duì)智慧小型斷路器的要求越來越高。

與傳統(tǒng)斷路器一樣，智慧小型斷路器操作機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)著觸頭系統(tǒng)，通過運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的開斷和閉合操作。操作機(jī)構(gòu)作為開合操作最重要的執(zhí)行元器件［1］，在斷路器中起到至關(guān)重要的作用。

本文主要通過對(duì)操作機(jī)構(gòu)四連桿運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制，分析智慧小型斷路器在不同狀態(tài)時(shí)的受力情況，并計(jì)算出觸頭的開距、超程、終壓力、驅(qū)動(dòng)單元力等參數(shù)。這對(duì)現(xiàn)有智慧小型斷路器操作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化及全新機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。

1 操作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

智慧小型斷路器的操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是一種平面連桿機(jī)構(gòu)。智慧小型斷路器在分閘、合閘位置會(huì)形成平面四連桿機(jī)構(gòu)，脫扣位置由四連桿機(jī)構(gòu)通過脫扣機(jī)構(gòu)變成五連桿機(jī)構(gòu)［2］。

操作機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示。其由手柄、連桿、滑塊1、套管、驅(qū)動(dòng)單元、推桿、滑塊2、滑塊3、觸頭支架、動(dòng)觸頭、靜觸頭、手柄扭簧、機(jī)構(gòu)復(fù)位簧、觸頭扭簧、脫扣復(fù)位簧及軸組成。

產(chǎn)品分閘狀態(tài)簡(jiǎn)圖如圖2所示;產(chǎn)品合閘狀態(tài)簡(jiǎn)圖［3］如圖3所示。由圖2和圖3可知，影響產(chǎn)品總行程的因素主要有以下4點(diǎn)：① 手柄分合閘的旋轉(zhuǎn)角度;② 四連桿的尺寸;③ 動(dòng)觸頭力臂長(zhǎng)度;④ 驅(qū)動(dòng)單元行程。

在智慧小型斷路器操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，觸頭的開距、超程以及終壓力對(duì)產(chǎn)品性能起到重要作用。觸頭參數(shù)是提升產(chǎn)品質(zhì)量性能的基礎(chǔ)［4］，因此優(yōu)化四連桿尺寸設(shè)計(jì)是保證產(chǎn)品性能的前提。

分閘過程（手動(dòng)）：分閘時(shí)手柄在外力的作用下向左推動(dòng)，手柄逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，由于套管和滑塊1被滑塊2鎖住，所以連桿拉動(dòng)觸頭支架逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)動(dòng)觸頭向分閘位置運(yùn)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)單元向左運(yùn)動(dòng)到達(dá)釋放位置時(shí)，滑塊3和推桿在機(jī)構(gòu)復(fù)位簧的作用下回到初始位置，手柄在外力的作用下回到起始位置，如圖2。

分閘過程（電動(dòng)）：分閘時(shí)驅(qū)動(dòng)單元在電力的作用下向左運(yùn)動(dòng)，由于套管和滑塊1被滑塊2鎖住，所以在驅(qū)動(dòng)單元向左運(yùn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)套管、滑塊1、連桿及手柄一起運(yùn)動(dòng)，滑塊3和推桿在機(jī)構(gòu)復(fù)位簧作用下回到初始位置，同時(shí)滑塊3拉動(dòng)觸頭支架逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)動(dòng)觸頭向分閘位置運(yùn)動(dòng)，如圖2。

合閘過程（手動(dòng)）：合閘時(shí)手柄在外力的作用下向右推動(dòng)，手柄順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，由于套管和滑塊1被滑塊2鎖住，所以連桿推動(dòng)觸頭支架順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)動(dòng)觸頭向合閘位置運(yùn)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)單元和推桿及滑塊3向右運(yùn)動(dòng)到達(dá)驅(qū)動(dòng)單元吸合位置，直到機(jī)構(gòu)完成閉合過程。當(dāng)機(jī)構(gòu)合閘時(shí)，動(dòng)觸頭通過觸頭扭簧壓在觸頭支架上，觸頭扭簧對(duì)動(dòng)觸頭的扭矩與靜觸頭對(duì)動(dòng)觸頭的觸頭壓力大小相等，方向相反，如圖3。

合閘過程（電動(dòng)）：合閘時(shí)驅(qū)動(dòng)單元在電力的作用下向右運(yùn)動(dòng)，由于套管和滑塊1被滑塊2鎖住，所以驅(qū)動(dòng)單元向右運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)套管、滑塊1、連桿、手柄、滑塊3及推桿一起運(yùn)動(dòng)，同時(shí)滑塊3拉動(dòng)觸頭支架順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)動(dòng)觸頭向合閘位置運(yùn)動(dòng)，推桿在驅(qū)動(dòng)單元的作用下到達(dá)吸合位置，直到機(jī)構(gòu)完成閉合過程。當(dāng)機(jī)構(gòu)合閘時(shí)，動(dòng)觸頭通過觸頭扭簧壓在觸頭支架上，觸頭扭簧對(duì)動(dòng)觸頭的扭矩與靜觸頭對(duì)動(dòng)觸頭的觸頭壓力大小相等，方向相反，如圖3。

脫扣過程：脫扣是因故障電流使被鎖住的機(jī)構(gòu)解鎖，四連桿機(jī)構(gòu)被打斷，操作機(jī)構(gòu)迅速分閘脫扣的過程?；瑝K2受到故障電流而產(chǎn)生向下運(yùn)動(dòng)的力，滑塊2聯(lián)動(dòng)套管，同時(shí)打斷推桿向下運(yùn)動(dòng)使套管與滑塊1解鎖。此時(shí)手柄在手柄扭簧的作用下回到起始位置，滑塊3和推桿在機(jī)構(gòu)復(fù)位簧的作用下回到初始位置，同時(shí)滑塊3拉動(dòng)觸頭支架逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)動(dòng)觸頭向分閘位置運(yùn)動(dòng)，如圖2。

2 機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析計(jì)算

當(dāng)產(chǎn)品處于完全合閘穩(wěn)態(tài)狀態(tài)時(shí)，對(duì)操作機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)受力情況進(jìn)行分析［5-9］，其中M為扭矩。

產(chǎn)品因故障電流需使機(jī)構(gòu)解鎖時(shí)，以滑塊2為研究對(duì)象，對(duì)操作機(jī)構(gòu)的脫扣受力情況進(jìn)行分析，可得：

F脫扣力=μ套管·Fn1＋2μ推桿·Fn2（5）

Fn1=F滑塊1，F(xiàn)n2=F推桿（6）

式中： F脫扣力——操作機(jī)構(gòu)脫扣力值;

μ套管——套管與滑塊1的摩擦系數(shù);

Fn1——套管正壓力力值;

μ推桿——推桿脫扣間的摩擦系數(shù);

Fn2——推桿正壓力力值。

參數(shù)F終壓力、F機(jī)構(gòu)復(fù)位簧、F手柄彈簧可根據(jù)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行初步規(guī)定，參數(shù)L終壓力、L觸頭扭簧、L推桿、L機(jī)構(gòu)復(fù)位簧、L手柄彈簧、L連桿可根據(jù)確認(rèn)四連桿尺寸獲得，其余參數(shù)由以上公式計(jì)算得出。

初步理論設(shè)計(jì)F終壓力=5 N，F(xiàn)機(jī)構(gòu)復(fù)位簧=7.5 N，F(xiàn)手柄彈簧=2 N。

一般傳統(tǒng)小型斷路器的操作機(jī)構(gòu)總行程約為7 mm。為提升智慧小型斷路器的各項(xiàng)性能，在不改變手柄分合閘旋轉(zhuǎn)角度的條件下，通過優(yōu)化四連桿尺寸，可將操作機(jī)構(gòu)總行程調(diào)整到約9.5 mm。

根據(jù)靜力學(xué)以及設(shè)計(jì)尺寸，可理論計(jì)算得出M觸頭扭簧=72 N·mm，F(xiàn)觸頭扭簧=14 N，F(xiàn)推桿=15.25 N，F(xiàn)連桿=2 N。

3 尺寸鏈敏感度結(jié)果分析

為確保設(shè)計(jì)的可靠性，考慮到各零件形狀和尺寸公差的差異，所選用的材料及工藝也有所不同。以圖3中手柄、連桿、滑塊1、套管、驅(qū)動(dòng)單元、滑塊2、推桿、滑塊3、觸頭支架和動(dòng)觸頭為設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行敏感度分析。零件尺寸敏感度分析如表1所示。

由表1可知，在操作機(jī)構(gòu)的各參數(shù)變量中，機(jī)構(gòu)各桿長(zhǎng)及公差對(duì)操作機(jī)構(gòu)的可靠性影響較大。減小操作機(jī)構(gòu)各參數(shù)公差可使操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)更可靠，但操作機(jī)構(gòu)各參數(shù)公差越小，零件的加工制造難度會(huì)越大，對(duì)工藝要求也越高。因此，結(jié)合表1，合理限定關(guān)鍵機(jī)構(gòu)參數(shù)公差，同時(shí)在合理的材料工藝成本下減小機(jī)構(gòu)各公差以提高操作機(jī)構(gòu)的動(dòng)作可靠性。

本文操作機(jī)構(gòu)在故障脫扣時(shí)（短路或過載），機(jī)構(gòu)需要復(fù)位到初始狀態(tài)。因在尺寸敏感度分析中沒有體現(xiàn)脫扣狀態(tài)，特加強(qiáng)說明需注意控制驅(qū)動(dòng)單元復(fù)位行程，在復(fù)位行程結(jié)束后，確保控制套筒與滑塊1中尺寸及相關(guān)零件的公差。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)方案中，已完成工程軟模小批量階段，為對(duì)比分析，進(jìn)行實(shí)物測(cè)試，共測(cè)試5臺(tái)樣機(jī)。參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

由于零件尺寸公差和測(cè)量誤差的存在，測(cè)試數(shù)據(jù)在一定的范圍波動(dòng)，根據(jù)本次測(cè)試結(jié)果的平均值可知，實(shí)物測(cè)試數(shù)據(jù)和前期設(shè)計(jì)符合要求。

5 注意事項(xiàng)

本文從機(jī)械靜力學(xué)角度，根據(jù)操作機(jī)構(gòu)的分閘、合閘、脫扣狀態(tài)，分析機(jī)構(gòu)的受力情況，給出了智慧微型斷路器的關(guān)鍵參數(shù)（觸頭開距、觸頭終壓力、觸頭扭簧力、推桿推力）的計(jì)算方法，并得出如下經(jīng)驗(yàn)：

（1） 觸頭壓力與扭簧的扭力成正相關(guān)。

（2） 手柄操作力矩大小受手柄彈簧、觸頭扭簧、機(jī)構(gòu)復(fù)位簧影響，彈簧力越大，操作力矩就越大。

（3） 智能驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)力約大于推桿推力的130%較合理，即F驅(qū)動(dòng)單元≥1.3F推桿≈19.8 N;

（4） 脫扣力、鎖緊力主要受觸頭扭簧、機(jī)構(gòu)復(fù)位簧、手柄彈簧及脫扣之間的摩擦系數(shù)影響。

（5） 實(shí)際驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的脫扣力還應(yīng)考慮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，即零件間產(chǎn)生的沖力，故實(shí)際驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的脫扣力＞1.3F脫扣力較合理。

（6） 結(jié)合尺寸鏈分析及實(shí)物制造工藝，所設(shè)計(jì)方案應(yīng)加強(qiáng)對(duì)連桿、滑塊1、驅(qū)動(dòng)單元、觸頭支架尺寸和性能指標(biāo)的控制。

6 結(jié) 語

本文簡(jiǎn)述了智慧小型斷路器操作機(jī)構(gòu)的受力情況，通過對(duì)傳統(tǒng)斷路器操作機(jī)構(gòu)四連桿的全新設(shè)計(jì)和靜力學(xué)計(jì)算，得出了操作機(jī)構(gòu)的合閘力拒和各構(gòu)件相互之間的作用力。

通過對(duì)操作機(jī)構(gòu)四連桿進(jìn)行尺寸調(diào)整獲得各項(xiàng)操作機(jī)構(gòu)的觸頭參數(shù)，反向推導(dǎo)操作機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件間的關(guān)鍵尺寸，以確定是否滿足不同條件下的產(chǎn)品性能需求。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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