0 引 言
塑料外殼式斷路器是低壓配電系統中最重的基礎元件之一[1],其操作機構的滑扣問題是斷路器設計中的核心問題。所謂滑扣,即開關在合分閘過程中,跳扣和鎖扣脫開造成合分閘失敗的現象。本文通過運用ADAMS仿真軟件[2] ,對某型號額定電流為250 A(簡稱M1型)塑殼斷路器機構的滑扣問題進行分析,闡述了機構滑扣的原因,并提出了解決方案。
圖1所示為M1型斷路器機構的模型。圖中機構處于分閘位置,f為牽引桿;g為下連桿;h為上連桿;k為跳扣;m為上鎖扣;n為下鎖扣;O1為跳扣轉動中心;O2 為上鎖扣轉動中心;O3 為下鎖扣轉動中心。正常情況下,上、下鎖扣上都有反力彈簧,保證開關不誤動作。當短路電流出現時,脫扣器的銜鐵在磁場作用下,推動f和m圍繞O2 順時針轉動,m的弧形面在n的面上滑動,當m的弧形面滑入n的方槽時, n繞軸O3 逆時針轉動,同時n與k解鎖,在主彈簧e的拉力作用下, k繞O1 軸順時針轉動。機構變成五連桿機構,動觸頭打開,斷路器脫扣。這是機構脫扣后的整個運動過程。
圖1 M1型斷路器機構模型
1 對機構滑扣現象的仿真分析
通過分析機構模型可知,機構滑扣的主要因素有以下幾個方面:① O1 的位置;② m轉動中心軸O2 的位置;③ n轉動中心軸O3 的位置;④ m與n轉動中心接觸的軸O3 的半徑R(見圖2);⑤m與n接觸的磨擦系數;⑥ m與n的材質與熱處理情況。
圖2 初始再扣階段力的方向
1. 1 O1 位置的影響
對于k轉動中心軸O1(X, Y), X 坐標變化的影響大于Y坐標。一般在設計過程中,已保證了k在下鎖扣窗口中的包含面積。正常情況下, k不可能滑出n的窗口。所以在考慮滑扣時,可暫不考慮k轉動中心軸O1 的位置。
1. 2 其余因素對滑扣現象的影響
用ADAMS軟件對機構進行仿真,以初始坐標系為參考點,以m、n的轉動中心的X、Y坐標、接觸軸O3 的半徑R 作為設計變量,進行設計研究[ 3, 4 ] 。根據產品結構的實際情況,設置其變化范圍(見表1),觀察各變量值對機構滑扣的影響。
如圖3所示,再扣距離為m上的點1到n上的點2的距離,扣住距離為n上的點3到k上的點4的距離。當以上變量取初始值時,測得機構在合閘過程中再扣距離和扣住距離隨時間的變化曲線如圖4、5所示。
由圖4、5分析可得,在初始位置,模型的再扣距離為1. 0797 mm,扣住距離為+ 0.107 3 mm。在合閘的過程中,如再扣距離減小為0時,即發生滑扣;另外,扣住距離增大為1. 6 mm(下鎖扣的材料厚度)時,也即發生滑扣。圖4及圖5中出現的曲線波動是由于斷路器在合閘過程中,跳扣k與n的震動造成的。
取k與n、n與m在碰撞約束中的參數———包容值為0.1 mm(此包容值與零件的材質和熱處理情況有關)[5] ,仿真分析的結果見表2~6。
通過仿真分析,某些尺寸變量變化到一定值時,會出現滑扣現象。但現實機構的零件由于是用模具成型而得,尺寸偏差不會很大,通過對機構零件的測量,也可以說明這個問題。所以,以上尺寸的偏差不應是斷路器滑扣的主要原因。
1. 3 仿真分析實際滑扣現象產生的原因
機構仿真中,發現在牽引桿f轉動過程中, n對m的作用力方向會發生變化(見圖2、6)。圖2為模型再扣時上、下鎖扣作用力的方向圖,圖6為模型滑扣階段上、下鎖扣作用力的方向圖,箭頭為力的作用線,圖2中,力的主作用線通過圓心。圖6中力的主作用線已偏離圓心。分析表明,在圖6狀態時有助于m的脫扣運動。實際上,大多數的物理樣機在m和n上都有磨損的痕跡。分析上、下鎖扣的運動過程,由于m的圓弧面在n表面滑動,而上鎖扣m的圓弧面頂端有一尖角,在運動幾次后,上鎖扣m的圓弧面就會在n表面留下凹痕,同時m上的圓弧面的尖角被相應磨成一個圓角(見圖7)。
1. 3. 1 上鎖扣m的磨損圓角R1 為變量
設以上鎖扣m圓弧面的尖端倒R1角來表示上鎖扣m的磨損情況,如圖7所示。如R1角的取值為1.0,初始再扣距離為0.86 mm,接觸碰撞包容值取0. 1,進行合閘操作的仿真分析。仿真合閘過程中再扣距離的變化曲線如圖8所示。
由圖8可知,機構在AB 段這段時間為再扣保持階段,此時再扣距離保持不變;在B 點處開始合閘操作