塑壳断路器操作机构设计优化探讨

2020-06-28魏溧

中国设备工程 2020年7期

魏溧

（杭州之江开关股份有限公司，浙江杭州 311234）

四、五连杆转换机构实为整个塑壳断路器得以正常运作的重要操作机构，同时，还是其功能达成的核心部件。其中，针对四连杆机构而言，其能够达成事先设定好的转轴转角，并且还能与其他部件相配合，以此实现断路器的合分闸动作；而对于转换五连杆来分析，其能够快速断开；对于锁扣装置来考量，其能够借助较短的行程与较小的力，实现四连杆向五连杆解锁，或者是五连杆锁定呈四连杆。随着断路器技术的日渐成熟，以及许多新能源的不断应用，这为断路器的发展提供了新的助力，对原先的机构进行全新设计或改造，以便更好地适应新需求。本文结合当前实况，对塑壳断路器操作机构的设计思路及优化思路作一探讨。

1 操作机构的基本动作流程分析

针对塑壳断路器而言，其操作机构主要有脱扣轴（牵引杆）、锁扣装置、主轴（转轴）及传动机构等部分组成，而对于机构的动作状态来讲，可划分为三种，其一为自由脱扣（见图1），其二是合闸（见图2），其三为分闸/再扣（见图3）。当断路器机构处于一种比较典型的分闸/再扣、合闸状态时，四连杆机构主要由固定杆CO、AB、OA 与BC 构成，并且此时的机构的自由度仅有1 个，也就是基于分、合方向所呈现的自由度；需要强调的是，如果断路器机构处在一种自由脱扣状态，那么，此时的五连杆，则由DO、BC、OA、CD与AB 构成，且自由度数为两个。

图1 自由脱扣位置时的机构

图2 合闸位置时的机构

图3 分闸/再扣位置时的机构

在设计机构时，四连杆与五连杆之间的关系转化，对断路器的动作性能、触头参数等，均会产生直接影响，因此，做好机架固定点位置设计，以及各个杆的长度关系设计，尤为关键。当空间比较充足，能够包含强度够大的转轴及主弹簧时，便需要精确设计四连杆各个杆的工作角度范围以及长度、动触头的延长等内容，建议首先采用二维设计原理图，然后，再开展三维设计工作。

2 断路器的机构设计及优化分析

2.1 合分闸角度与杠杆转动中心

针对杠杆转动中心来讲，在对其进行实际设置时，以及在选择合分闸的角度时，是否做到准确与妥当，对操作机构的体积、操作力甚至是主弹簧的工作长度等，均会造成直接影响。因此，对上述内容进行合理设置，有助于多因素之间的平衡与稳定。在实际应用中，如果需将主弹簧相应拉伸量予以减小，此时，在设定杠杆转动中心的位置时，需选在上、下连杆转动轴分/合闸位置连线BB’所对应的中垂线CX 周围；如果需将操作力减小，那么，应尽可能停下来设置杠杆转动中心，通过此种设置使受力力臂相应长度增大，最终便能够达到将操作力减小的目的；基于脱扣状态下，为了能够实现杠杆的位置指示功能，需结合现实情况，利用主弹簧对杠杆产生一定的拉力，借助此力，将杠杆在跳扣所对应的定位面上予以贴合。当处于一种故障模式下（触头熔焊），那么，此时的DA、BA、CB 与CD 便会构成全新的四连杆，带动跳扣，使其绕D 而不断旋转，避免杠杆发生运动偏移，而错误移至再扣角度；与此同时，针对杠杆的位置而言，禁止停留于合闸位置；可靠、准确的指示，有助于满足或达成隔离功能断路器的各项考核要求。

针对合闸角而言，一般情况下，需要对如下条件给予满足：其一，当杠杆已到或将要至合闸角时，可以比较顺利地将四连杆机构予以启动，使其处于运动状态；其二，当杠杆处于合闸位置时，主弹簧所提供的拉力，可使动触头在特定时间内以及一定电流的电路当中，比较稳定的处于合闸位置处，除此之外，杠杆还能在合闸位置处保持位置不变。而对于分闸角来讲，也需要满足一些条件：首先，当杠杆已经被送至分闸角，或者是即将达到此位置，此时，四连杆机构可以被顺利启动，并且还能促使四连杆从之前的合闸位置，比较高效且直接性地向分闸位置转换；其次，当杠杆处于分闸位置，针对此时的主弹簧而言，其所产生的拉力，可以促使杠杆始终处在分闸位置处。

2.2 当处于合闸位置时上、下连杆的夹角分析

当断路器处于相应合闸位置，此时，机构会提供持续且足够大的支持力，确保动触头始终处于合闸位置处。另外，针对四连杆机构而言，为使其维持在合闸位置，不仅要将动触头终压力向机构反馈而形成的反力克服掉，而且还需将特定条件或环境下，电动斥力向机构反馈所形成的力克服掉，也就是当机构处于一种合闸状态时，需要将反力有动触头终压力消除掉，并且将特定环境下的电动斥力也一并消除掉。一般来讲，断路器要想实现瞬动，需要有一定的配置，即12In，如果将断路器应用在电动机回路中，便需要将瞬动所产生的偏差考虑在内，通常其上限能够达到惊人的14.1In。所以，要想将电动力对整个机构处于合闸状态下表现的稳定性所产生的影响考虑在内，需要满足的条件即为通过14.1In的电流时，所产生的电动力始终处于稳定状态。若在瞬动动作还没有出现前，机构难以保持稳定、可靠状态，那么，针对此时的触头来讲，便会出现弹跳情况，而且在此种条件的影响下，还会产生过载脱扣器作用，当其作用于机构时，便会延长脱扣时间，另外，受此影响，触头还容易出现弹跳情况，进而会烧毁触头，或者出现熔焊情况。

2.3 锁扣装置分析

分析锁扣装置，其实为一种比较精密且关键的部件，通过对其结构进行合理设计，不仅能稳定脱扣力，而且还能增加延长脱扣寿命，增加脱扣次数，并且达到更高的抗振动等级。而对于此装置所起到的作用来讲，即对跳扣位置进行锁定，开始于跳扣的尾端，一般需设若干旋转轴的零部件，借助此零部件之间所产生的力臂转换，将那些有着比较大跳扣尾端的平衡需求力向牵引杆适合脱扣器能够施加的力进行转换。需要强调的是，牵引杆部件与脱扣行程之间呈现典型的正相关。还需说明的是，设置锁扣受力面尤为关键，一般情况下，其包含受力点的法向，经受力点的法向，以及牵引杆的转动中心，向距牵引杆的转动中心，存在比较小的距离。在设置锁扣受力面时，可从如下方面着手：其一，针对受力点的法向而言，当其经牵引杆所对应的转动中心时，于脱扣中，所产生的脱扣力会有比较小的变化，工作可靠，但需强调的是，此种设置所需零件，在加工精度方面，有着比较高的要求，如果出现精度不达标的情况，那么便非常容易查收与装置相同方向的力矩，最终会造成上一级零件所传送的力，引起牵引杆转动，最终引发误动作；其二，需要指出的是，牵引杆所对应的转动中心与受力点的法向之间，存在着比较小的距离，而且，此力对牵引杆所产生的转矩，实际相反于牵引杆脱扣转动方向，因此，在脱扣时，脱扣力会稍微增大，整个工作比较可靠，上一级部件所传来的力不易导致牵引杆转动，从而可避免误动作发生；此外，其还有着比较低的制造精度要求。