死点位置在开关类设备中的应用

郭小燕，朱波涛，胡旭喆

(1.国网河北省电力公司培训中心，河北石家庄　050031；2.国网河北省电力公司邢台供电分公司，河北邢台　054000；3.河北建投沙河发电有限责任公司，河北邢台　054100)



死点位置在开关类设备中的应用

郭小燕1，朱波涛2，胡旭喆3

(1.国网河北省电力公司培训中心，河北石家庄050031；2.国网河北省电力公司邢台供电分公司，河北邢台054000；3.河北建投沙河发电有限责任公司，河北邢台054100)

摘要：介绍了铰链四杆机构结构、分类、判定条件等知识点，利用铰链四杆机构理论对死点位置进行了解释，进一步阐述了死点位置在不同类型开关设备中的应用特点。死点位置对于开关类设备的正常运行和操作均具有重要作用，掌握死点位置原理和对死点位置的有效维护可以提高电力设备运行可靠性。

关键词：机械原理与机构学;死点位置；开关类设备；操动机构

E-mail:gpweb@163.com

郭小燕，朱波涛，胡旭喆.死点位置在开关类设备中的应用[J].河北工业科技,2015,32(1):50-54.

GUO Xiaoyan, ZHU Botao, HU Xuzhe.Application of the dead-point position in switch equipments[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2015,32(1):50-54.

开关类设备具有开断和关合功能，而多数设备的储能、开断状态和关合状态是利用死点位置原理实现保持的。目前，电力工作人员在对设备进行检修和操作时，往往是依据经验开展工作，不了解死点位置的结构和动作原理，进而影响了对设备的合理检修维护，缩短了设备的机械寿命。

针对铰链四杆机构的研究多集中于对机构的改进和优化[1-5]，对于死点位置以及应用铰链四杆机构理论对死点位置进行研究的文献较少，尤其是在电力设备中应用的相关研究较少。该文针对死点位置的特点，利用铰链四杆机构原理对其进行解释，并列举死点位置在不同形式的开关设备中的应用情况，分析了死点位置在开关类设备中的应用效果，对于有效维护电力设备、保证电力系统可靠运行具有实际意义。

1铰链四杆机构简介

4个构件通过转动铰链联结而成的机构，称为铰链四杆机构[6](如图1所示)。4个构件包括机架、连杆、曲柄和摇杆。

图1　铰链四杆机构原理图Fig.1　Schematic diagram of four-bar linkage mechanism

机架：铰链四杆机构中固定不动的构件，用来支撑运动部件和固定非位移连杆做圆周运动的圆点等作用。

连杆：一般为运动中互相连接互相起作用的单独构件。

曲柄：与机架用转动副相连且能绕该转动副轴线整圈旋转的构件。

摇杆：与机架用转动副相连但只能绕该转动副轴线摆动的构件。

设曲柄AB、连杆BC、摇杆CD和机架AD的杆长分别为a,b,c,d。

当构件AB与BC在B1点共线是由△AC1D可得：

b-a+c≥d，

b-a+d≥c。

当构件AB与CD在B2点共线是由△AC2D可得：

a+b≤c+d。

综合两种情况有：

(1)

将式(1)中的3个不等式两两相加，经简化后可得：

a≤b，a≤c，a≤d。

(2)

由此得出曲柄存在条件[1-3]：1)连架杆与机架必有一个是最短杆；2)最短杆与最长杆长度之和必小于或等于其余两杆长度之和。

2铰链四杆机构分类

铰链四杆机构可按有无曲柄、摇杆，分为以下3种基本型式。

2.1　曲柄摇杆机构

在铰链四杆机构中，若两连架杆之一为曲柄，另一个是摇杆，此机构称为曲柄摇杆机构，如图2所示。

图2　曲柄摇杆机构Fig.2　Crank and rocker mechanism

2.2　双曲柄机构

铰链四杆机构中，若两连架杆均为曲柄时，此机构称为双曲柄机构。平行四边形机构是一种特殊的双曲柄机构，双曲柄机构如图3所示。

图3　双曲柄机构Fig.3　Double crank mechanism

2.3　双摇杆机构

铰链四杆机构中，若两连架杆均为摇杆时，此机构称为双摇杆机构，如图4所示。

图4　双摇杆机构Fig.4　Double rocker mechanism

3铰链四杆机构类型判定

首先满足杆长之和条件，即最短杆与最长杆之和小于或等于其余两杆长度之和。满足杆长之和条件：

1)最短杆为机架(双曲柄机构)；

2)最短杆的相邻杆为机架(曲柄摇杆机构)；

3)最短杆的相对杆为机架(双摇杆机构)。

不满足杆长之和条件，无论以哪个杆作机架，均为双摇杆机构。

判定铰链四杆机构类型框图如图5所示。

图5　铰链四杆机构类型判定框图Fig.5　Type decision diagram of four-bar linkage mechanism

4死点位置

当从动件上的传动角为零，驱动力对从动件的有效回转力矩为零，这个位置称为机构的死点位置，也就是机构中从动件与连杆共线的位置称为机构的死点位置。

在曲柄摇杆机构中，取摇杆为主动件，曲柄为从动件时，连杆与从动件曲柄存在两次共线的位置。死点的特点是无论在摇杆上施加多大的驱动力，均不能使从动件曲柄转动，且转向不能确定。

如图6所示，铰链四杆机构正处于可以获得无穷大机械增益的机构位置。如果此时原动件为CD构件，由于从动件AB和连杆BC处于共线位置(即死点位置)，则机构将无法运动。

图6　铰链四杆机构Fig.6　Four-bar linkage mechanism

对于需连续运转的机构来说，如果存在死点位置，则对传动不利，必须避免机构由死点位置开始起动，同时采取措施使机构在运动过程中能顺利通过死点位置并使从动件按预期方向运动。

死点位置也存在可以利用的一面，因为机械装置在死点位置，无论驱动力有多大，机构都将不能运动，因此可以起到“锁紧”作用。

5死点位置的应用

5.1　死点位置在断路器操动机构中的应用

在断路器操动机构的保持与脱扣系统中，利用死点或锁扣装置使断路器实现储能保持或合闸状态保持；利用破坏死点或利用锁扣释放使断路器分闸[7-14]。

采用凸轮储能系统的断路器弹簧操动机构，如图7所示。其中，图7 a)为未储能状态，此时储能杠杆在合闸弹簧初拉力作用下处于接近死点位置(O3-A-O6三点接近在一条直线上)。储能开始后，杠杆3绕O3轴作逆时针转动，合闸弹簧被拉伸储能。当杠杆3越过上死点位置时(见图7 b))，该杠杆就脱离减速箱中大蜗轮的制约，并在合闸弹簧拉力作用下，自动向逆时针方向继续转动，直到扣合杠杆2被合闸锁扣4扣住为止。这时储能机构就被锁定在储能状态(实现储能保持)。储能后，销滚轮与合闸锁扣4作用力的大小决定于O6-A-O3角度的大小。该角度越大，其合闸锁扣力越大，合闸脱扣电压也就越高。

图7　凸轮储能系统结构Fig.7　Cam storage system structure

合闸过程中的连杆系统如图8所示。其中，图8 a)的合闸弹簧已储能但断路器处于分闸位置。此时接到合闸信号后，合闸锁扣5作逆时针转动，使杠杆上的滚轮脱扣。储能轴O3在合闸弹簧力作用下逆时针转动，从而使O3轴上的凸轮1压动三角形杠杆3上A点处的合闸滚轮4。于是三角形杠杆绕O2轴顺时针方向转动，经连杆6推动O1轴旋转，从而使断路器合闸。

图8 b)为开关合闸位置，但合闸弹簧未储能状态。此时分闸扣合杠杆8上的滚轮被分闸锁扣7扣住。由于合理选择了凸轮与储能杠杆之间的夹角，因而在合闸过程中，当凸轮已将三角形杠杆驱动至合闸位置后，储能杠杆尚距下死点最终位置约60°。这时，储能杠杆在合闸弹簧力继续作用下转动，直至图7 a)所示的死点位置。这时，凸轮释放了三角形杠杆，为分闸操作做好准备，因而也就具备了自由脱扣功能。

图8　操动机构连杆系统状态示意图Fig.8　Operating state of the linkage system 　schematic diagram of a mechanism

5.2　死点位置在隔离开关中的应用

在隔离开关传动系统中，利用死点或锁扣装置使隔离开关实现分闸状态保持或合闸状态保持；利用破坏死点或利用锁扣释放使断路器完成分闸或者合闸功能。

如图9所示GW16型隔离开关底座装配图。将隔离开关合闸，在合闸到位时底座装配上的双连杆要过死点1~2 mm[15]，即B点要求相对A—B—C的直线偏离1~2 mm，这样能够保证导电臂固定座5不会在外力作用下出现向左侧转动，即防止发生自动分闸的现象，从而保证隔离开关在合闸位置。如果要完成分闸动作，需要对拐臂1施加作用力，破坏死点位置，使得拐臂沿逆时针方向转动，从而带动导电臂固定座向左运动，完成分闸动作。

图9　GW16型隔离开关底座装配图Fig.9　Assembly drawing of GW16 type isolation switch base

GW4型隔离开关传动装配图如图10所示。如图10 a)GW4型隔离开关在合闸位置时，B点要求过死点1~2 mm，即B点要求相对A—B—C的直线向下偏离1~2 mm，防止拉杆1误动，造成自动分闸；如果要实现分闸，通过拐臂2对B点作用，破坏死点位置，使得拉杆1沿B点向上运动，完成分闸动作。

如图10 b)隔离开关在分闸位置时，B点要求过死点1~2 mm，即B点要求相对A—B—C的直线向下偏离1~2 mm，防止拉杆1误动，造成自动合闸；如果要实现合闸，通过拐臂2对B点作用，破坏死点位置，使得拉杆1沿B点向上运动，完成合闸动作。

图10　GW4型隔离开关传动装配图Fig.10　GW4 type isolation switch drive assembly drawing

6结语

断路器弹簧操动机构利用死点位置实现弹簧储能、合闸保持和实现弹簧能量释放、分(合)闸等功能；隔离开关利用死点位置实现分(合)闸保持、分(合)闸等功能。因此，对于死点位置相关部件进行有效维护，可以减少设备的故障率，从而增强电力系统运行的可靠性和安全性。

参考文献/References：

[1]徐大伟.典型四杆机构主动曲柄的正确转向[J].重型机械, 1989(2):53-55.

XU Dawei. Right change-over of the driving crank for typical four-link mechanism[J]. Heavy Machinery, 1989(2):53-55.

[2]PAWALKAT H,华丽艳.铰销四连杆机构角加速度极值的计算[J].重型机械,1981(6):54-61.

PAWALKAT H,HUA Liyan. Calculation of inge pin four connecting rod mechanism of angular acceleration extremum[J]. Heavy Machinery,1981(6):54-61.

[3]冀晓红.按最佳传动性能设计曲柄摇杆机构[J].机械设计与制造,2009(6):83-84.

JI Xiaohong. Designing the plane-rocker mechanism by the optimum drive angle[J]. Mechanery Design and Manufacture, 2009(6):83-84.

[4]孟维云,鹿晓阳.曲柄摇杆机构的综合优化设计[J].机械研究与应用,2008,21(6):87-89.

MENG Weiyun,LU Xiaoyang. Optimal analysis of crank rockerm echanism [J]. Mechanical Research and Application,2008,21(6):87-89.

[5]陈剑,葛文杰，王军强，等.平面四杆机构参数化设计及运动仿真研究与实现[J].中国制造业信息化, 2010(9):23-26.

CHEN Jian,GE Wenjie,WANG Junqiang,et al. Parametric design and kinematic simulation of plane four-bar mechanism[J]. Manufacture Information Engineering of China，2010(9)：23-26.

[6]邓跃红,易晓科.曲柄摇杆机构极位夹角和摇杆摆角对机构传力性能的影响[J].机械传动，2003(2):36-38.

DENG Yuehong,YI Xiaoke. The determination on polar-place included angle and rocker swing angle of crank and rock mechanism have an influence on the force -delivering function of machanism[J]. Journal of Mechanical Transmission， 2003(2):36-38.

[7]上海超高压输变电公司.变电设备检修[M].北京：中国电力出版社，2008.

Shanghai EHV Power Transmission Company.Substation Equipment Maintenance[M]. Beijing：China Electric Power Press， 2008.

[8]刘贵先.变电检修[M].北京：中国电力出版社，2003.

LIU Guixian. Substation Maintenance[M]. Beijing：China Electric Power Press,2003.

[9]杨香泽.变电检修[M].北京：中国电力出版社，2006.

YANG Xiangze. Substation Maintenance[M]. Beijing：China Electric Power Press,2006.

[10]国家电网公司人力资源部.变电检修[M].北京:中国电力出版社，2010.

Personnel Resource Department of State Grid Corporation of China. Substation Maintenance[M]. Beijing：China Electric Power Press,2010.

[11]郭平.四杆机构“死点”位置及其应用的再探讨[J].锻压装备与制造技术，2013(5):33-35.

GUO Ping.Exploration of“dead point”position of four-bar linkage and its application[J].China Metalforming Equipment and Manufacturing Technology，2013(5)：33-35.

[12]白雪宁.基于四杆机构死点位置应用的创新设计与仿真[J].机械工程师，2012(9)：38-39.

BAI Xuening.Based on the innovation of the dead point position of four bar linkage application design and simulation[J].Mechanical Engineer，2012(9):38-39.

[13]李艳丽，李明，吴国庆，等.死点位置的有利应用和不利克服[J].科技信息, 2010(33):121-122.

LI Yanli， LI Ming，WU Guoqing，et al. The types and charaters of the four-bar linkage mechanism[J].Science and Technology Information, 2010(33):121-122.

[14]程引正.平面四杆机构死点问题探讨及应用[J].机械研究与应用，2010(3):55-56.

CHENG Yinzheng. Study on dead point of plane four-bar linkages mechanism and its application[J].Mechanical Research and Application,2010(3):55-56.

[15]朱美芳，侯建生，姜宇翔，等.GW4-126型隔离开关安装调整解析[J].河北工业科技，2013,30(3):195-198.

ZHU Meifang,HOU Jiansheng,JIANG Yuxiang,et al. Ajustment method of GW4-126 insulate-switch[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2013,30(3):195-198.

Application of the dead-point position in switch equipments

GUO Xiaoyan1, ZHU Botao2, HU Xuzhe3

(1.Training Centre，State Grid Hebei Power Company, Shijiazhuang, Hebei 050031， China；2.State Grid Xingtai Electric Power Supply Company， Xingtai, Hebei 054000， China；3.HVIG Shahe Power Generation Company Limited， Xingtai, Hebei 054100， China)

Abstract:This paper introduces four-bar linkage and its classification and determination conditions, and explains the concept of dead-point position based on the four-bar linkage theory. Furthermore, it expounds the application characteristics of the dead-point position in switch equipments. The dead-point position is important to the normal operation of switch equipments. To learn the dead-point position theory and effective maintenance of the dead-point position can improve the reliability of equipment operation.

Keywords:mechanical principles and mechanisms; dead-point position； switch equipments； operating mechanism

作者简介：郭小燕(1979—)，男，河北石家庄人，讲师，硕士，主要从事电力系统及其自动化方面的研究。

收稿日期：2014-05-21;修回日期：2014-09-30；责任编辑：陈书欣

中图分类号：TH112.1

文献标志码：A

doi:10.7535/hbgykj.2015yx01010

文章编号：1008-1534(2015)01-0050-05