折臂式高压隔离开关平衡弹簧的设计方法

2013-11-06汤文成刘成标陈厚源戴永正

机械设计与制造工程 2013年1期

张帆，汤文成，刘成标，陈厚源，戴永正，文博

(1.东南大学机械工程学院，江苏南京 211189)

(2.国网电科院江苏泰事达电气有限公司，江苏泰州 225300)

高压隔离开关是在主断路器处于正常分闸位置时，用来断开无负荷电流的电路、隔离电源的开关设备。高压隔离开关是电力系统中使用量最大的高压开关设备，但是由于长期处于合闸状态，对其很少进行操作，因此隔离开关的设计制造没有得到足够的重视，其使用性能和质量很难得到保障[1－2]。

高压隔离开关在分合操作过程中，其重心有明显的升降，导电杆位能改变从而需要较大的操作力。随着电压等级升高，需要的操作力也越大[3－4]。只通过加载大力矩的操作机构来驱动是不合理的，需要用平衡弹簧来平衡位能的变化，从而降低操作力矩。理想平衡弹簧所产生的平衡力矩都能刚好抵消重力所产生的力矩，所以不管导电杆如何笨重，只需克服摩擦阻力就可以上升或下降。平衡弹簧在实际设计过程中很难达到理想状态，驱动机构需要输入额外的驱动力矩才能完成高压隔离开关正常开合。输入驱动力矩的大小是评价平衡弹簧设计好坏的一个重要标准。平衡弹簧设计的方法很多，本文主要从能量转换和虚拟仿真2个方面对平衡弹簧的设计进行研究。

1 能量法

1.1 建立数学分析模型

对开合闸机构建立的数学分析模型如图1所示，D点为下导电杆铰链点，E点为拉板铰链点，F点为内拉杆铰链点，O点为齿轮中心点，Q点为上导电杆顶点，M点为O点在下拉杆(也可以说是下导电管)上的投影，P点为D点在下拉杆延长线上的投影，N点为齿轮齿条的节点，ON的长度即为节圆半径，G为下导电杆的质心，H为上导电杆的质心，θ为下导电杆与水平线的夹角，β为下导电杆和上导电杆的夹角，∠GDO为质心G与D点连线和下导电杆的夹角，∠HOQ为质心H和O点连线与上导电杆的夹角。

图1 开合闸机构简图

质心G和H是通过建立折臂式高压隔离开关三维实体模型求得的，即在Pro/E中设置各零件的材料信息后，通过功能Analysis得出G点相对于D点的坐标，同理求得H点相对于O点的坐标。

1.2 建立开合闸机构运动学方程

在导电臂的运动过程中，点P、D、O、N、M的相对位置不变，且角φ也为定值，由此可以首先确定机构中一些定量，如OD和φ。

图2，3分别为机构在开闸与合闸位置的状态。设定导电杆在闭合状态时下导电杆与x轴的夹角为θ'，上、下导电杆之间的夹角是β';导电杆在展开位置时下导电杆与x轴的夹角是θ″，上、下导电杆之间的夹角是β″;∠QOx为上导电杆OQ与x轴的夹角。在未做特殊说明的情况下规定物理量的上标“'”表示导电杆的闭合状态，同理规定“″”表示导电杆的展开状态。

图2 开合闸机构在开闸时的位置

图3 开合闸机构在合闸时的位置

由此可以得出以下数值不随机构的运动而改变:∠QOx，θ″，β″，进一步计算点 O、M、P 的坐标。又因F点始终位于线MF上，令系数0≤u≤1，可以得到:

最终，可以求出运动过程中Q点的坐标，即Q点的运动轨迹:

1.3 理想平衡弹簧的计算

根据上述分析计算质心G和H点在开合闸机构运动过程中的纵坐标和在分闸位置两点的纵坐标，当隔离开关处于分闸位置时，平衡弹簧的压缩量为弹簧安装的预压缩量Δl'，从而得出在机构运行中弹簧的变形量为:

上、下导电杆的质量分别为m1，m2，弹簧的刚度为k。系统重力势能和弹簧的弹性势能分别为Eg和Ek。根据理想平衡弹簧条件，且在忽略摩擦的情况下得出:

从而求得理想弹簧平衡力为进而求得理想平衡弹簧刚度值k:

1.4 理想与实际平衡弹簧力对比

本文以江苏某企业生产的GW17型折臂式高压隔离开关为例，按上述计算得出在合闸过程中理想平衡弹簧力的大小。对现有产品的弹簧进行压缩试验，测出平衡弹簧力随压缩量变化的相关数据，测量工具和结果如图4所示。

图4 实际弹簧力的检测

GW17型产品在合闸过程中(弹簧压缩)理想平衡弹簧力和实际平衡弹簧力对比如图5所示。从图中可以看出，合闸的中后期平衡弹簧提供的平衡力比理想状态下的大，理想平衡弹簧刚度先减小后增大，合闸的末期出现平衡点。

图5 GW17型产品中平衡弹簧的理想弹簧力与实际弹簧力

2 虚拟样机法

虚拟样机技术是一项新生的工程技术，它采用计算机仿真与虚拟技术，在计算机上通过CAD/CAM/CAE等技术把产品的资料集成到一个可视化的环境中，实现产品的仿真、分析。虚拟样机技术在设计的初始阶段就可以对整个系统进行完整的分析，可以观察并试验各组成部件的相互运动情况。使用仿真软件可以在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，在计算机上可以方便地修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统不断改进，直至获得最优化设计方案，再做出物理样机，这样可以减少试验成本，缩短整个设计过程[5－6]。

2.1 仿真模型的建立

在ADAMS中建立的仿真模型如图6所示，模型开始位于开闸位置。模型分为8个部分，分别是:底座、拐臂、六方螺杆、下导电杆装配体、上导电杆装配体、拉板、内拉杆装配体和平衡弹簧。在ADAMS中定义的约束有:固定副、旋转副、移动副和齿轮副。

图6 GW17型高压隔离开关仿真模型

2.2 理想平衡弹簧的计算

理想平衡弹簧是为了方便对机构进行研究而进行的理想性假设，即整个机构没有摩擦，没有能量损失，平衡弹簧弹性势能的变化等于机构重力势能的变化;理想状况下，即使驱动力矩很小，机构也能够正常地完成开闸、合闸，并且机构可以稳定地停在任何位置。

首先，不考虑摩擦的影响，即开闸和合闸互为逆过程，因此只需研究合闸过程。平衡弹簧的参数包括刚度系数k、压缩量L，这些参数由机构本身的尺寸和机构的质量决定，仿真过程中可以测得内拉杆和下导电管之间的相对位移S，且S=L，测量数据如图7所示。

从图7可以看出，1.0～1.5s弹簧压缩得比较缓慢，1.5～7.0s平衡弹簧的压缩加速后减速，7.0～10s平衡弹簧的压缩逐渐减慢，直至合闸结束，平衡弹簧的最大压缩量发生在合闸位置，最大压缩量为129.6mm。

图7 平衡弹簧压缩量随时间变化图

在仿真分析中，判断弹簧是否理想的惟一标准是驱动力矩是否足够小，在不断对弹簧刚度曲线进行优化的过程中，始终关注驱动力矩的变化，一旦驱动力矩足够小，即可认为这种情况下的弹簧的刚度曲线是理想的。经过不断的修改，得到如图8所示的平衡弹簧的刚度曲线，在这种情况下，测得拐臂的驱动力矩不超过20N·m，所以认为图8所示的平衡弹簧刚度曲线是理想的。