張 帆，湯文成，劉成標(biāo)，陳厚源，戴永正，文 博

(1.東南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)

(2.國網(wǎng)電科院江蘇泰事達電氣有限公司，江蘇 泰州 225300)

高壓隔離開關(guān)是在主斷路器處于正常分閘位置時，用來斷開無負(fù)荷電流的電路、隔離電源的開關(guān)設(shè)備。高壓隔離開關(guān)是電力系統(tǒng)中使用量最大的高壓開關(guān)設(shè)備，但是由于長期處于合閘狀態(tài)，對其很少進行操作，因此隔離開關(guān)的設(shè)計制造沒有得到足夠的重視，其使用性能和質(zhì)量很難得到保障[1－2]。

高壓隔離開關(guān)在分合操作過程中，其重心有明顯的升降，導(dǎo)電桿位能改變從而需要較大的操作力。隨著電壓等級升高，需要的操作力也越大[3－4]。只通過加載大力矩的操作機構(gòu)來驅(qū)動是不合理的，需要用平衡彈簧來平衡位能的變化，從而降低操作力矩。理想平衡彈簧所產(chǎn)生的平衡力矩都能剛好抵消重力所產(chǎn)生的力矩，所以不管導(dǎo)電桿如何笨重，只需克服摩擦阻力就可以上升或下降。平衡彈簧在實際設(shè)計過程中很難達到理想狀態(tài)，驅(qū)動機構(gòu)需要輸入額外的驅(qū)動力矩才能完成高壓隔離開關(guān)正常開合。輸入驅(qū)動力矩的大小是評價平衡彈簧設(shè)計好壞的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。平衡彈簧設(shè)計的方法很多，本文主要從能量轉(zhuǎn)換和虛擬仿真2個方面對平衡彈簧的設(shè)計進行研究。

1 能量法

1.1 建立數(shù)學(xué)分析模型

對開合閘機構(gòu)建立的數(shù)學(xué)分析模型如圖1所示，D點為下導(dǎo)電桿鉸鏈點，E點為拉板鉸鏈點，F(xiàn)點為內(nèi)拉桿鉸鏈點，O點為齒輪中心點，Q點為上導(dǎo)電桿頂點，M點為O點在下拉桿(也可以說是下導(dǎo)電管)上的投影，P點為D點在下拉桿延長線上的投影，N點為齒輪齒條的節(jié)點，ON的長度即為節(jié)圓半徑，G為下導(dǎo)電桿的質(zhì)心，H為上導(dǎo)電桿的質(zhì)心，θ為下導(dǎo)電桿與水平線的夾角，β為下導(dǎo)電桿和上導(dǎo)電桿的夾角，∠GDO為質(zhì)心G與D點連線和下導(dǎo)電桿的夾角，∠HOQ為質(zhì)心H和O點連線與上導(dǎo)電桿的夾角。

圖1 開合閘機構(gòu)簡圖

質(zhì)心G和H是通過建立折臂式高壓隔離開關(guān)三維實體模型求得的，即在Pro/E中設(shè)置各零件的材料信息后，通過功能Analysis得出G點相對于D點的坐標(biāo)，同理求得H點相對于O點的坐標(biāo)。

1.2 建立開合閘機構(gòu)運動學(xué)方程

在導(dǎo)電臂的運動過程中，點P、D、O、N、M的相對位置不變，且角φ也為定值，由此可以首先確定機構(gòu)中一些定量，如OD和φ。

圖2，3分別為機構(gòu)在開閘與合閘位置的狀態(tài)。設(shè)定導(dǎo)電桿在閉合狀態(tài)時下導(dǎo)電桿與x軸的夾角為θ'，上、下導(dǎo)電桿之間的夾角是β';導(dǎo)電桿在展開位置時下導(dǎo)電桿與x軸的夾角是θ″，上、下導(dǎo)電桿之間的夾角是β″;∠QOx為上導(dǎo)電桿OQ與x軸的夾角。在未做特殊說明的情況下規(guī)定物理量的上標(biāo)“'”表示導(dǎo)電桿的閉合狀態(tài)，同理規(guī)定“″”表示導(dǎo)電桿的展開狀態(tài)。

圖2 開合閘機構(gòu)在開閘時的位置

圖3 開合閘機構(gòu)在合閘時的位置

由此可以得出以下數(shù)值不隨機構(gòu)的運動而改變:∠QOx，θ″，β″，進一步計算點 O、M、P 的坐標(biāo)。又因F點始終位于線MF上，令系數(shù)0≤u≤1，可以得到:

最終，可以求出運動過程中Q點的坐標(biāo)，即Q點的運動軌跡:

1.3 理想平衡彈簧的計算

根據(jù)上述分析計算質(zhì)心G和H點在開合閘機構(gòu)運動過程中的縱坐標(biāo)和在分閘位置兩點的縱坐標(biāo)，當(dāng)隔離開關(guān)處于分閘位置時，平衡彈簧的壓縮量為彈簧安裝的預(yù)壓縮量Δl'，從而得出在機構(gòu)運行中彈簧的變形量為:

上、下導(dǎo)電桿的質(zhì)量分別為m1，m2，彈簧的剛度為k。系統(tǒng)重力勢能和彈簧的彈性勢能分別為Eg和Ek。根據(jù)理想平衡彈簧條件，且在忽略摩擦的情況下得出:

從而求得理想彈簧平衡力為進而求得理想平衡彈簧剛度值k:

1.4 理想與實際平衡彈簧力對比

本文以江蘇某企業(yè)生產(chǎn)的GW17型折臂式高壓隔離開關(guān)為例，按上述計算得出在合閘過程中理想平衡彈簧力的大小。對現(xiàn)有產(chǎn)品的彈簧進行壓縮試驗，測出平衡彈簧力隨壓縮量變化的相關(guān)數(shù)據(jù)，測量工具和結(jié)果如圖4所示。

圖4 實際彈簧力的檢測

GW17型產(chǎn)品在合閘過程中(彈簧壓縮)理想平衡彈簧力和實際平衡彈簧力對比如圖5所示。從圖中可以看出，合閘的中后期平衡彈簧提供的平衡力比理想狀態(tài)下的大，理想平衡彈簧剛度先減小后增大，合閘的末期出現(xiàn)平衡點。

圖5 GW17型產(chǎn)品中平衡彈簧的理想彈簧力與實際彈簧力

2 虛擬樣機法

虛擬樣機技術(shù)是一項新生的工程技術(shù)，它采用計算機仿真與虛擬技術(shù)，在計算機上通過CAD/CAM/CAE等技術(shù)把產(chǎn)品的資料集成到一個可視化的環(huán)境中，實現(xiàn)產(chǎn)品的仿真、分析。虛擬樣機技術(shù)在設(shè)計的初始階段就可以對整個系統(tǒng)進行完整的分析，可以觀察并試驗各組成部件的相互運動情況。使用仿真軟件可以在各種虛擬環(huán)境中真實地模擬系統(tǒng)的運動，在計算機上可以方便地修改設(shè)計缺陷，仿真試驗不同的設(shè)計方案，對整個系統(tǒng)不斷改進，直至獲得最優(yōu)化設(shè)計方案，再做出物理樣機，這樣可以減少試驗成本，縮短整個設(shè)計過程[5－6]。

2.1 仿真模型的建立

在ADAMS中建立的仿真模型如圖6所示，模型開始位于開閘位置。模型分為8個部分，分別是:底座、拐臂、六方螺桿、下導(dǎo)電桿裝配體、上導(dǎo)電桿裝配體、拉板、內(nèi)拉桿裝配體和平衡彈簧。在ADAMS中定義的約束有:固定副、旋轉(zhuǎn)副、移動副和齒輪副。

圖6 GW17型高壓隔離開關(guān)仿真模型

2.2 理想平衡彈簧的計算

理想平衡彈簧是為了方便對機構(gòu)進行研究而進行的理想性假設(shè)，即整個機構(gòu)沒有摩擦，沒有能量損失，平衡彈簧彈性勢能的變化等于機構(gòu)重力勢能的變化;理想狀況下，即使驅(qū)動力矩很小，機構(gòu)也能夠正常地完成開閘、合閘，并且機構(gòu)可以穩(wěn)定地停在任何位置。

首先，不考慮摩擦的影響，即開閘和合閘互為逆過程，因此只需研究合閘過程。平衡彈簧的參數(shù)包括剛度系數(shù)k、壓縮量L，這些參數(shù)由機構(gòu)本身的尺寸和機構(gòu)的質(zhì)量決定，仿真過程中可以測得內(nèi)拉桿和下導(dǎo)電管之間的相對位移S，且S=L，測量數(shù)據(jù)如圖7所示。

從圖7可以看出，1.0～1.5s彈簧壓縮得比較緩慢，1.5～7.0s平衡彈簧的壓縮加速后減速，7.0～10s平衡彈簧的壓縮逐漸減慢，直至合閘結(jié)束，平衡彈簧的最大壓縮量發(fā)生在合閘位置，最大壓縮量為129.6mm。

圖7 平衡彈簧壓縮量隨時間變化圖

在仿真分析中，判斷彈簧是否理想的惟一標(biāo)準(zhǔn)是驅(qū)動力矩是否足夠小，在不斷對彈簧剛度曲線進行優(yōu)化的過程中，始終關(guān)注驅(qū)動力矩的變化，一旦驅(qū)動力矩足夠小，即可認(rèn)為這種情況下的彈簧的剛度曲線是理想的。經(jīng)過不斷的修改，得到如圖8所示的平衡彈簧的剛度曲線，在這種情況下，測得拐臂的驅(qū)動力矩不超過20N·m，所以認(rèn)為圖8所示的平衡彈簧剛度曲線是理想的。

圖8 理想平衡彈簧剛度曲線

2.3 理想平衡彈簧的線性化

圖9 線性化的理想平衡彈簧剛度曲線

實際生產(chǎn)制造的平衡彈簧一般屬于線性，因此需要對理想平衡彈簧剛度曲線進行線性處理，如圖9所示，首先估算平衡彈簧的剛度值是495N/mm，在495附近取若干離散點，分別計算驅(qū)動力矩值，最后得出在平衡彈簧剛度505 N/mm的情況下，驅(qū)動力矩的最大值最小，測得拐臂的驅(qū)動力矩最大是225N·m。

2.4 摩擦因素對平衡彈簧設(shè)計的修正

前面計算只考慮開閘或合閘一個行程，如果引入摩擦因素，則必須考慮整個開閘、合閘過程，開閘過程系統(tǒng)的能量變化如式(9)所示，合閘過程系統(tǒng)的能量變化如式(10)所示，摩擦力總是阻礙運動的發(fā)生，從式(9)、(10)中可以看出開閘和合閘不再互為逆過程，因此必須對整個開閘、合閘過程進行研究。

式中:ΔEG是重力勢能的變化量;ΔEK是彈性勢能的變化量;Ef是摩擦力在運動過程中做的功?？紤]到模型的復(fù)雜性，本文只對傳遞力矩較大的轉(zhuǎn)動副進行摩擦力的設(shè)置，在ADAMS仿真分析中設(shè)置的參數(shù)有:靜態(tài)摩擦系數(shù)μs、動態(tài)摩擦系數(shù)μd、反作用力力臂等。

加入摩擦后，重新以驅(qū)動力矩為優(yōu)化目標(biāo)，不斷地修改平衡彈簧剛度，得到平衡彈簧的剛度值是495N/mm的情況下，驅(qū)動力矩的最大值最小，拐臂的驅(qū)動力矩最大是254 N·m。

3 結(jié)束語

本文通過理論推導(dǎo)和虛擬樣機技術(shù)的方法分別完成了高壓隔離開關(guān)平衡彈簧的設(shè)計計算，結(jié)果表明，基于虛擬樣機技術(shù)平衡彈簧的設(shè)計是可靠的，設(shè)計降低了對物理試驗的依賴，并且避免了對機構(gòu)運動學(xué)和動力學(xué)方程的推導(dǎo)和求解。

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