绝缘阻抗测试发表时间：2019-12-23T14:46:46.123Z 来源：《电力设备》2019年第18期作者：刘坤
[导读] 摘要：本文以永磁机构真空断路器的手动弹操机构为例，提出了一套完整的真空断路器的弹操机构凸轮设计方法：从凸轮输出力的要求的角度出发，利用切线代直的假设，做出初始凸轮曲线，再利用解析法验证凸轮设计，并通过适当的手动调整达到设计意图，最后利用曲线拟合工具设计出平滑的适合生产加工的凸轮曲线。 （库柏电子科技（上海）有限公司电力事业部上海浦东 201201）爬墙式
摘要：本文以永磁机构真空断路器的手动弹操机构为例，提出了一套完整的真空断路器的弹操机构凸轮设计方法：从凸轮输出力的要求的角度出发，利用切线代直的假设，做出初始凸轮曲线，再利用解析法验证凸轮设计，并通过适当的手动调整达到设计意图，最后利用曲线拟合工具设计出平滑的适合生产加工的凸轮曲线。
关键词：凸轮，切线代直，凸轮轮廓线，解析法
引言：永磁操动机构以其运动零部件少，性能稳定等优点在户外真空重合器和断路器中得到广泛运用。永磁操动机构运用电磁铁原理实现断路器的分合闸运动，运用永磁铁产生的静态保持力实现合闸或分闸 锁扣功能。但在实际运行维护过程中，客户对手动分、合闸功能也提出了一定的要求。笔者为实现这一要求，开发了配套单稳态永磁机构的手动合闸机构，并使用了文中所提到的方法，实现关键件凸轮机构的设计。
一、弹簧操动机构负载特性及出力特性介绍
箱包手把在弹簧操动机构的设计中，机构的出力特性是否合理，主要取决于机构与断路器本体负载特性的匹配是否合理。
一般情况下，弹簧操动机构的合闸输出特性如图1所示。在合闸过程中，合闸弹簧是主动力，其输出力由大到小，用ab表示；分闸弹簧、运动系统的重量和摩擦产生的反作用力是合闸负荷，用cdeb表示。在超程阶段由于受到触头弹簧力的影响，刚合点的载荷具有较大的跳跃特性。在合闸终点，如果合闸力和负载力相等，则有图1所示的合闸特性匹配曲线。可见，合闸弹簧的输出力由大到小，合闸弹簧的输出力特性与断路器的负载特性相反。
图1 断路器负载曲线
在合闸过程中，接触前后的载荷反力有较大的跳跃。在弹簧操动机构中，弹簧的输出力曲线由大到小。
因此，其出力的特性与负荷特性不匹配。为了能够可靠合闸，弹操机构必须在整个合闸过程中保证：驱动力>负载力。如果机构的总传动比为1，必然会导致初始阶段输出力过大，对触头造成剧烈冲击从而缩短触头寿命。理想输出力特性曲线如图2曲线2所示，与负荷曲线接近，且满足：驱动力>负载力。
图2 理想的输出力曲线
从以上分析可以看出，在操动机构的设计中，弹操机构设计方法主要由开关的行程位置为出发点，设计人员主要关心的是如何保证断路器合闸过程中行程上每个点的负载力特性。根据断路器对操动机构合闸功能的要求，其输出力特性应满足下列条件：初始输出力应大于运动系统的初始负载，否则机构运动系统不能启动。合闸弹簧输出功必须大于断路器本体要求的合闸功和分闸功之和（分闸弹簧在合闸同时储存能量，作为分闸功），否则合闸不到位。弹操机构只有具有合适的出力特性，才能获得比较好的合闸速度特性。
在众多的机构中，凸轮机构能较好地将合闸弹簧的输出力特性（图2曲线3）转化成曲线2所示的出力特性，所以弹操机构均采用凸轮机构作为主执行部件，不同的仅是凸轮廓线的设计区别。
断路器机构除了考虑机械负荷因素外，还需要关注合闸速度，合适的合闸速度能够在合闸冲击和预击穿两个矛盾之间取得较好的平衡，实现合适的合闸特性。如图3所示：如果合闸速度特性由合闸速度V和时间t之间的关系表示，则有三种不同的方法来实现相同的合闸速度，如图3所示。图中三条曲线的面积与横坐标轴的面积相同（表示触头的总行程相同）。曲线1为等加速度运动，加速度为常数，达到速度门槛值VC的时间为T2。曲线2的初始加速度较大，然后逐渐减小，因此当达到速度VC时，加速度降低到最低。这表明机构输出力开始很大，然后逐渐减小。到达VC所需的时间是T1，小于T2。曲线2在合闸时，表面上有优势，但在压缩触头超程时能输出力较小，可能造成机构走不完超程后果，导致合闸不到位。曲线3与前两种情况不同。它的初始加速度很小，但不断增大，接近接触合闸时减小，几乎是曲线1的加速度。这种特性具有前两种曲线的优点。其运动时间T2小于T1，压超程阶段的合闸力大于曲线2。它不仅保证了断路器合闸的可靠性，而且对合闸装置提出了合理的要求：即初始输出力不大，启动后输出力不断增大，运动后期达到一定速度后输出力缓慢减小。总之，
在设计合闸特性时应考虑曲线3的形式。
图3 三种不同的合闸速度曲线
图4
二、系统力分析
永磁机构断路器的手合机构设计也符合上述的基本方法。一般断路器平板触头接触时发生碰撞，动触头的动能迅速消耗并导致与合闸方向相反的运用，并且此时需要压缩触头弹簧，系统反力急剧增加。除此之外，永磁机构断路器中还有一套永磁机构，在手动弹操机构合闸是，永磁机构测符合特性也需要考虑进来。如图4红曲线为合闸过程中的反力变化曲线，蓝曲线为永磁力的变化曲线。可见合闸过程中，反力不断增大，在触头接触后力值急剧增加；永磁力却只有在最后阶段间隙很小时才，是真空断路器保持在合闸状态。凸轮机构可用紧凑的空间实现力值的变化输出，是适合真空断路器合闸操作的典型机构。
三、切线代曲法设计凸轮轮廓线
以本文所述摆杆从动件凸轮为例，并以反转法为设计基础，将从动件行程分为若干等份，每一等份对应一段凸轮曲线，在一定条件下可使用该轮廓线的切线代替曲线，实现工程的近似设计，在分割足够细的情况下可以达到足够的设计精度。通过上诉方法，凸轮轮廓线的设计方法就演变为一系列的切线求解过程，可根据反转法作图完成。
图5
四、实际轮廓线失真与解析法校核
当凸轮摆杆从动件的滚子半径大于凸轮轮廓的最小曲率半径，实际轮廓线会发生失真现象，如图6。凸轮实际轮廓线比理论的短了很多，对应凸轮工作转角减少8度，导致合闸弹簧释放的的能量达不到预期值。
钢骨架塑料复合管图6
如图7：引入凸轮轮廓线解析法，将上述反转法得到的凸轮转角β与从动件转角φ带下面公式：理论轮廓线公式：
组装打火机
法兰轴
其中
实际轮廓线公式：
再求的压力角：
其中：
由上述公式可求出凸轮的实际轮廓线，并得到传递到凸轮从动件的实际扭矩为：否达到预定的设计目的。如果不能满足设计要求，可以调整固定间隔
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