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塑壳断路器操作机构动作分析与设计要点

   日期:2020-06-18     浏览:0    

  塑壳断路器操作机构动作分析与设计要点_机械/仪表_工程科技_专业资料。·研究与分析· 低压电器( 2 0 1 3 N o . 2 1 ) 塑壳断路器操作机构动作分析 与设计要点 ? 孙吉升, 施政, 顾惠民 ( 上海电科电器科技有限公司, 上海2 0 0 0

  ·研究与分析· 低压电器( 2 0 1 3 N o . 2 1 ) 塑壳断路器操作机构动作分析 与设计要点 ? 孙吉升, 施政, 顾惠民 ( 上海电科电器科技有限公司, 上海2 0 0 0 6 3 ) 摘要: 对塑壳断路器操作机构进行了合闸、 分闸、 自由脱扣及复位过程分析, 简 述了这四个过程中的杆件转化过程。接着对设计该类操作机构的相关要点进行了解 析。最后对双断点操作机构的应用作了描述, 为新型操作机构的设计提供理论指导。 关键词: 塑壳断路器;操作机构;四连杆;创新设计 中图分类号: T M5 6 1 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 1 ? 5 5 3 1 ( 2 0 1 3 ) 2 1 ? 0 0 1 3 ? 0 4 孙吉升( 1 9 8 0 —) , 男, 工程师, 主要从 事低压塑壳断路器 相关标准及产品的 研究。 Mo t i o nA n a l y s i s a n dD e s i g no f Mo u l d e dC a s e C i r c u i t B r e a k e rO p e r a t i n gMe c h a n i s m S U NJ i s h e n g , S H I Z h e n g , G UH u i m i n ( S h a n g h a i E l e c t r i cA p p l i a n c eS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yC o . , L t d . ,S h a n g h a i 2 0 0 0 6 3 , C h i n a ) A b s t r a c t : T h ep a p e r g a v ea n a l y s i s o f m o u l d e dc a s ec i r c u i t b r e a k e r ( M C C B )o p e r a t i n gm e c h a n i s m ’ so n ? o f f ? ’ s t r i p ? r e s e t m o v e m e n t a n dt h ef o u r c o n n e c t i n gr o dc o n v e r s i o np r o c e s s . T h e nk e yp o i n t sf o r d e s i g n i n gs u c hM C C B o p e r a t i n gm e c h a n i s mw e r ep r e s e n t e dw h i c hw i l l g i v es o m et h e o r e t i c a l g u i d ef o r a u t o n o m o u si n n o v a t i o nd e s i g na n d p r o b l e ms o l v i n g . K e yw o r d s : mo u l d e dc a s ec i r c u i tb r e a k e r( MC C B ) ;o p e r a t i n gme c h a n i s m; f o u rc o n n e c t i n gr o d ; i n n o v a t i o nd e s i g n 0 引言 操作机构是低压断路器的核心部件之一。它 与触头系统连接起到闭合和断开电路, 接收并执 行脱扣单元的动作信号, 实现断路器的各项功能, 是断路器的“ 发动机” 。近年来国外优秀制造商 推出的新一代双断点、 经济型以及大容量的塑壳 断路器 ( M o u l d e dC a s eC i r c u i t B r e a k e r , M C C B ) 等 产品, 其操作机构均进行了全新的设计, 在机构设 计原理方面有了较大幅度创新, 制造工艺也有了 大幅提高。随着国内自主创新能力的培养和发 展, 国内优秀企业加快开发自主品牌产品。这需 要在 各 核 心 部 件 上 加 强 研 究 和 创 新 设 计, 对 M C C B而言, 操作机构的设计与优化技术就是其 1 ] 描述的 M C C B操作机构的相关 中之一。文献[ 施政( 1 9 8 7 —) , 男, 主要从事低压塑壳断路器的研究。 注意事项仅对部分操作机构适用, 对机构运动的 全部过程及如何设计全新机构未做进一步阐述; 2 ] 利用 A D A M S对于旋转双断点操作机构 文献[ 进行了优化, 指出了触头弹簧、 杆件质量、 杆件坐 标等影响因素, 但未从机械原理的角度进行分析 和描述。本文通过对 M C C B操作机构的运动过 程进行系统分析, 解析其设计要点, 希望能给该类 操作机构自主设计带来相关理论指导和有益的 帮助。 1 M C C B操作机构设计的要求 随着我国第四代智能化高性能 M C C B产品 研制成功, 其性能得到了大幅度的提高, 采用旋转 双断点结构的 M C C B , 运行分断能力在 A C4 0 0V 条件下达到 1 5 0k A , 带电操作次数也可达 1 00 0 0 1 9 5 1 —) , 男, 高级工程师, 主要从事低压断路器标准及相关产品的研究。 顾惠民( 2 0 1 3年上海市科学技术委员会启明星计划项目( 1 3 Q B 1 4 0 0 8 0 0 ) ?基金项目: — 1 3— 低压电器( 2 0 1 3 N o . 2 1 ) ·研究与分析· 次。这对塑壳断路器的操作机构提出了新的、 更 高的要求 [ 3 ] 簧的作用, 使得部分杆件失效( 下文有详述) , 但 操作机构仍然为双摇杆机构。 3 )在机构复位( 再扣) 时, 由于机构主弹簧 ( 的作用, 操作机构一般为双摇杆机构, 也可为曲柄 摇杆机构。 。 1 . 1 合闸与分闸 由于新产品采用双断点操作机构, 触头反力 相对单断点而言几乎增加 1倍, 一方面要求增大 操作机构的输出力矩, 另一方面要求降低操作力, 获得更好的使用舒适性。 1 . 2 自由脱扣 ( 1 )脱扣速度要求更高, 提拉触头的线速度, s 以上。 一般要求达到 3m/ 2 )触头在自由脱扣过程中不允许后停滞, ( 即操作机构的自由脱扣过程中始终保持对触头系 统有足够的提拉力。 3 )由于采取双断点结构, 每一断点的开距相 ( 对单断点而言较小, 要求操作机构在自由脱扣后始 终保持对触头支持的提拉力矩, 防止其回弹跌落。 4 )脱扣力要求保持在 2~3N ( 壳架电流 ( < 2 5 0A ) , 并且随着操作次数的增加基本保持 一致。 1 . 3 复位( 再扣) ( 1 )断路器再扣过程中的操作力保持合适 大小; 2 )断路器再扣后通常会有“ 小跳” 功能, 即 ( 再扣成功后, 如果推动脱扣杆件, 手柄能够到脱扣 位置。 1 . 4 其他要求 ( 1 )大多数 M C C B有 “ 隔 离” 功 能, 根据 G B1 4 0 4 8 . 2 —2 0 0 8 《 低压开关设备和控制设备 第 2部分: 断路器》 对带隔离功能断路器的考核要 求, 保证当触头熔焊时, 操作手柄不可能返回到分 闸位置, 确保手柄位置与动触头位置一致; ( 2 )操作机构结构设计要求简单可靠, 工艺 性好。 3 操作机构运动过程分析 3 . 1 合闸过程 根据第一部分机构构成的分析, 机构合闸的 状态如图 1所示。杆件 D C 1 1 在合闸过程中围绕 D 根据机械原理定义为摇杆 1 ; 杆件 B C 1 转动, 1 1 在合闸过程中做复杂平面运动, 根据机械原理定 O为触头支持, 在合闸过程中 义为连杆; 杆件 B 1 围绕 O点做转动, 故为摇杆 2 ; O D 固定 1 为机架, G G 主弹簧 不动。手柄从 F 1 位置运动到 F 2 位置, 从G C C 1 1 运动到 G 2 2 位置。 图1 机构合闸过程 3 . 2 分闸过程 机构分闸过程为合闸过程的逆过程, 如图 2 所示。头支持杆件 O B B 手柄 2 运动到 O 1 位 置, F G G 主弹簧从 G C 2 位置运动到 F 1 位置, 2 2 运动到 G C 1 1 位置。 2 机构原理 根据机械原理描述“ 当最短杆件和最长杆件 长度之和大于其余两杆长度之和时, 则不论何杆 件为机架, 该四连杆机构均为双摇杆机构” 。通 C C B产品机构进行测量杆件分析, 可 过对现有 M 以归纳一般情况如下: 1 )M C C B操作机构在合闸、 分闸过程中为 ( 双摇杆机构。 ( 2 )在自由脱扣过程中, 虽然由于机构主弹 — 1 4— 图2 机构分闸过程 ·研究与分析· 低压电器( 2 0 1 3 N o . 2 1 ) 3 . 3 自由脱扣过程 自由脱扣是该类操作机构中最为复杂的过程 之一。通过对双断点 M C C B的分析总结, 结合仿 真及高速摄像分析可以看出该过程可以分为两个 1 ] [ 4 ] 子过程 [ : ( 1 )自由脱扣过程 1如图 3所示。 H 解扣 后, 由于主弹簧 G C 使得 D C 2 2 的作用, 1 2 与跳扣 E D D C 在C 1 压紧接触, 1 2 杆件失效, 2 处设计有定 , 此时四连杆机构构成为: 摇杆 E C 、 摇 位特征 K 2 B 、 连杆 B C 、 机架 E O , 该套四连杆在主弹 杆O 2 2 2 簧反力、 触头弹簧反力的共同作用下, 使得触头支 持O B B 。该瞬态过程即 2 打开到最大开距位置 O 1 为过程 1 。 图4 自由脱扣过程 2 图5 复位( 再扣) 过程 近, 此时有可能成为曲柄摇杆机构, 但一般情况下 图3 自由脱扣过程 1 成为双摇杆机构的可能性较大, 对操作机构性能 无太大的影响, 根据产品具体结构设计即可。 杆 在外力作用下, 手柄 G 2 运动到 G 1 位置时, 件B C C 跳扣杆件 E D 1 3绕 B 1 点运动到 B 1 1 位置, 2 运动到 E D E D B 1 C D C 1 位置, 2/ 3 一般为摇杆, 2 3为 连杆; 跳扣 E D D 2 运动到 E 1 时被锁扣 H 完成锁 扣, 完成复位动作, 操作机构恢复到图 1待合闸 状态。 ( 2 )自由脱扣过程 2如图 4所示。该过程中 由于主弹簧的提拉作用, 使得触头支持杆 O B 1保 持在其定位位置, 在过程 1结束的瞬间, D C 2 3与 E D D C 但由于 2 保持压紧接触, 2 3 杆件依旧失效, 此时 C F的右侧, 这时的主弹 3 运动到手柄线 簧作用线为 G C , 使得主弹簧对手柄的力矩为 L , 2 3 手柄将发生顺时针旋转, 此时可能发生的情况为: ′ 时, 如果 D ′ C ① 当手柄旋转到 G 2 2在 G 2 3 左侧, 此时杆件 D C D 2 3 将与跳扣 E 2 分离一定的角度; ′ 时, 如果 D 2在 G ′ C ② 当手柄旋转到 G 2 2 3 右侧, 此时杆件 D C 将与跳扣 E D 在主弹簧的作用下 2 3 2 依旧保持接触压紧。 3 . 4 复位( 再扣) 过程 复位过程如图 5所示。 在此过程中, 由于主弹簧和定位特征 M 的作 用, 触头支持 O B 在复位过程中 1 保持最大开距, 保持不动, 四连杆机构构成为: 摇杆或曲柄 E D 、 2 B 连杆为D 机架为E B 如果E B 1C 3, 2C 3, 1。 1较 4 设计过程与要点解析 通过对操作机构操作过程分析可知, 该类操 作机构通过杆件转化及失效, 实现合闸、 分闸、 自 由脱扣及再扣动作, 其设计的一般过程为: ( 1 )确定触头支持杆件 O B 位置、 1 的长度、 运动角度, 可按照产品的分断能力、 寿命指标确定 上述参数。 ( 2 )依据机械原理关于双摇杆机构的设计方 法设计合闸 / 分闸杆件原理图; 在三维设计软件 U G草图中建立杆件约束草图。 ( 3 )设计合闸 / 分闸: ① 为保证断路器能够 — 1 5— 低压电器( 2 0 1 3 N o . 2 1 ) ·研究与分析· 合闸, 即触头支持软件能够逆时针运动, 闭合触头 O A , B C 6 0 ° , 如果条件允许至少保留 3 0 ° ∠O ≤1 1 1 1 压力角( B C , 如图 1所示; ∠O ② 为进 1 1 的补角) C 提高机构的效率, 一步降低杆件 B 2 2 的作用力, 如果条件允许 ∠O B C 0 ° , 使得 2 2 尽可能地达到 9 C 机构连杆 B 2 2 作用于触头支持的力矩尽可能最 大化, 与O B 便于降低机构反力, 如 2 的长度接近, 图 1 所 示;③ 为 保 证 机 构 能 够 顺 利 合 闸, C G 建议 >1 0 ° , G ∠D 1 1 2 不应该太小, 2 的最终位 置应考虑机构主弹簧能够可靠地压住 4 P断路器 的触头反力矩, 并能保证在 G C 2 2 位置下计算机构 压力为 1 . 5~ 2倍的 4 P触头反力矩, 在该条件下, K的长度, 有效提高机构脱扣的 尽可能地加大 E 速度。 ( 4 )设计自由脱扣。 ① C F 3 点须在杆件 G 2 右侧, 保证此时复位力矩使得手柄 G F运动到脱 2 扣位置, 如图 3所示; ′ F为最终手柄理论停 ② G 2 留的位置 ( 弹簧拉伸量最 小 位 置) , 但实际使用 中, 脱扣位置应该在 G G ′ 之间, 保证手柄可靠地 2 2 指示到脱扣位置, 如图 3所示。 ( 5 )设计复位( 再扣) 。如果操作机构有“ 小 跳” 要求, 即操作机构复位时解扣, 手柄能够回到 脱扣位置, 此时需要加上 G F在 C 1 1 右侧的条件, 如图 1所示。 ( 6 )选择操作手柄旋转中心。操作手柄旋转 中心的定位是塑壳断路器机构设计的难点之一, 关系到操作机构的操作力大小和相关功能, 需要 从以下几个方面综合考虑: ① 考虑到操作力的分 配, 特别是合闸力、 分闸力的合理划分, 操作手柄 的旋转中心应该在 C C 保证合 1 2 点的中垂线附近, 闸、 分闸时主弹簧的拉伸量相接近; ② 根据自由 脱扣后, 操作手柄须可靠指向脱扣位置的要求, G F应该在 C 如图 4所示, 保证操作 2 3 点的左侧, 手柄有顺时针的转矩, 指向脱扣位置; ③ 现在的 M C C B大多数具有隔离功能, 根据 G B1 4 0 4 8 . 2 — 2 0 0 8标准中对隔离功能断路器的考核要求, F点 应该在 C G 保证当触头熔焊时, 即使操 2 1 的右侧, 作手柄, 也不可能使其返回到合闸位置, 确保手柄 位置与动触头位置一致。 ( 7 )设计主弹簧参数。主弹簧的设计要求如 下: 需要综合考虑触头反力与主 ① 在合闸位置, 弹簧反力的平衡, 一般要求主弹簧反力为触头反 — 1 6— . 5~ 2倍, 能够保证可靠合闸和脱扣速 力总和的 1 度; ② 为保证主弹簧的拉伸变形量在合理的范围 、 内, 避免出 现 主 弹 簧 的 塑 性 变 形, 一般要求 C 1 C 、 C 即 ∠C C C 2 3 构成的三角形为钝角三角形, 2 3 1 接近钝角, 如图 6所示, 使得主弹簧变形量合理。 图6 主弹簧运动的三角形 ( 8 )其他注意事项。 ① 杆件的质量要尽可 能小, 这样脱扣速度就会加快, 保证断路器的性 能。例如减少运动件的数量并在该零部件上适当 2 ] ; 设计一些工艺孔, 减轻质量 [ ② 在每一个极限 位置, 如合、 分、 自由脱扣、 再扣位置要适当留一些 过行程, 避免机构的卡死, 如再扣时可适当再扣过 1~ 2m m , 保证可靠再扣, 避免机构出现偶尔的卡 死现象。 5 应用描述 某系列双断点操作机构的原型如图 7所示, 经 过初步验证后问题汇总与解决方法如表 1 所示。 图7 某双断点 M C C B操作机构设计原型 6 结语 本文以经典 M C C B操作机构为例, 结合机构 原 理, 分析了操作机构合闸、 分闸、 自由脱扣及复 ( 下转第 6 3页) ·智能配电技术与系统· 低压电器( 2 0 1 3 N o . 2 1 ) 于一体, 采用基于无线 G技术接入互联网, 能进 行远程配置, 实现对低压配电线路和电力终端用 户的远程监控和远程用电管理。作为传统民用低 压配电箱的替代产品, 可以显著提高电网的信息 化和精细化管理水平, 促进资源节约以及电能的 合理分配。随着嵌入式计算机技术、 移动通信技 术的发展, 该终端软硬件平台的成本将日益降低 ( 与一般智能电表相当) 、 相对于 3 G/ 4 G移动通信 网络而言, 其数据量不大, 通信费用也几乎可以忽 略, 故具有广阔应用前景。 【 参 考 文 献】 图5 菜单界面 [ 1 ] T H O M P S O NT . T h eA n d r o i dM o b i l eP h o n eP l a t f o r m [ J ] . T h eWo r l do fS o f t w a r eD e v e l o p m e n t , 2 0 0 8 , 3 3 ( 9 ) : 4 0 ? 4 7 . [ 2 ] 陈金凤. 一种基于 A n d r o i d的视频监控系统的设计 与实现[ D ] . 上海: 上海交通大学, 2 0 1 2 : 1 8 ? 2 0 . [ 3 ] 林菡密, 钱言. 基于 a n d r o i d的 电 子 商 务 终 端 设 计 [ C ] r o c e e d i n g so f t h eC o n f e r e n c eo nWe bB a s e d ∥P B u s i n e s s M a n a g e m e n t , 2 0 1 0 : 3 . [ 4 ] 姚昱?, 刘卫 国. A n d r o i d的 架 构 与 应 用 开 发 研 究 [ J ] . 计算机系统应用, 2 0 0 8 ( 1 1 ) : 1 1 0 ? 1 1 5 . [ 5 ] 宋小倩, 周东升. 基于 A n d r o i d 平台的应用开发研究 [ J ] . 软件导刊, 2 0 1 1 ( 2 ) : 1 0 4 ? 1 0 6 . [ 6 ] 吴想想. 基于 A n d r o i d 平台软件开发方法的研究与 应用[ D ] . 北京: 北京邮电大学, 2 0 1 1 : 2 0 ? 2 3 . 收稿日期: 2 0 1 3 0 4 1 0 电压参数、 漏电保护电流、 最大负载、 电价等进行 设置。“ 用电统计信息查询” 可以查询历史信息 和当前用电信息。“ 电能质量实施监控” 可以监 控电压 允 许 偏 差、 频 率 偏 差、 电 压 波 动 等 信 息。 “ 故障检测” 可以对当前故障进行检测, 并针对不 同的问题提供不同的解决方法。 4 结语 本文针对智能电网建设的要求, 提出了一种 全数字化的智能低压配电终端。系统讨论了其功 能模 型、 结构模型及 A n d r o i d中 各 功 能 的 实 现。 该智能配电终端集线路保护和电能计量计费功能 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 ( 上接第 1 6页) 表1 某型双断点 MC C B操作机构问题及解决方法 主要问题描述 自由脱 扣时间较 国外样机 慢约 1m s 自由脱 扣后手柄 不能可靠 停留在脱 扣位置 使用本文知识点 . 3描 根 据 本 文 3 述, 结合图 3 , 增加 K 定位; 根据合闸状态 的受力情况, 优化力 矩分配 根 据 3 . 3自 由 脱 扣 2的描述, 适当增 加手柄的反力, 保证 其可 靠 停 留 在 脱 扣 位置 实施效果 机构自由脱 扣 时 间 约 为 3m s , 基本与国 外样机一致 位的过程, 以此为基础, 提出了设计该类操作机构 的一般过程及设计要点, 为该类操作机构创新设 计及优化提供了理论参考和相关经验借鉴。 【 参 考 文 献】 [ 1 ] 晏国云, 王洋, 刘新梅, 等. 塑料外壳式断路器机构 设计注意事项和优化要点[ D ] . 中国电工技术学会 低压电 器 专 业 委 员 会 第 十 六 届 学 术 年 会 论 文 2 0 1 2 . 集, [ 2 ] 张波, 陈德桂. 旋转双断点塑料外壳式断路器机构 的动态仿真及优化[ J ] . 低压电器, 2 0 0 7 ( 1 3 ) : 5 ? 7 . [ 3 ] G B1 4 0 4 8 . 2 —2 0 0 8低压开关设备和控制设备[ S ] . [ 4 ] 叶忻泉, 赵荣祥, 吴茂刚. 塑料外壳式断路器触头分 J ] . 浙江大学学报, 断速度定量计算方法的研究[ 2 0 0 6 , 4 0 ( 3 ) : 4 4 8 ? 4 5 3 . 收稿日期: 2 0 1 3 0 8 1 2 手柄可靠停 留在脱扣位置 主弹簧 根 据 图 6所 述 的 变 形 量 大, 三角形法则, 优化手 容易产生 柄中心位置 塑性变形 主弹簧变形 量得到优 化, 塑 性变 形 的 问 题 得到解决 — 6 3—


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