熊勁華++王興利++葛世偉

摘 要：為了確定操作機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件，繪制出了運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，并計(jì)算在不同狀態(tài)時(shí)的自由度；為了直觀了解操作機(jī)構(gòu)在某些特定位置的受力狀況，采用圖解法對(duì)操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析。

關(guān)鍵詞：塑殼斷路器；操作機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖；圖解法；受力分析

中圖分類號(hào)：TM561 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）29-0064-03

Abstract： In order todetermine the condition that aoperating mechanism has definite motion， this paper plotted the motion diagram of operating mechanism， and calculated the freedom of in different states.In order to visually understand the force of operating mechanism in certain position， this paper carried out force analysisof operating mechanism using graphic method.

Keywords： MCCB； operating mechanism； motion diagram； graphic method； Force analysis

引言

操作機(jī)構(gòu)連接觸頭系統(tǒng)，通過運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)塑殼斷路器對(duì)電路的閉合和開斷操作[1]。近年來，國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀企業(yè)不斷推出功能齊全、性能穩(wěn)定的新產(chǎn)品，這就需要對(duì)操作機(jī)構(gòu)作進(jìn)一步的研究與分析。文獻(xiàn)[2]通過仿真分析了塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)主拉簧剛度、關(guān)鍵軸位置、各桿件質(zhì)量及連桿位置轉(zhuǎn)換對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度的影響；文獻(xiàn)[3]利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADMAS建立了機(jī)構(gòu)的分析模型，對(duì)塑殼斷路器的分閘、合閘過程進(jìn)行了仿真分析。本文通過對(duì)操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制，計(jì)算出塑殼斷路器在不同狀態(tài)時(shí)的自由度，確定連桿機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件；運(yùn)用圖解法對(duì)操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

1.1 操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

塑殼斷路器的閉合與斷開都是由操作機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，而操作機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是一種連桿機(jī)構(gòu)。無論對(duì)現(xiàn)有塑殼斷路器進(jìn)行分析或設(shè)計(jì)新的操作機(jī)構(gòu)，都需要繪制出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖[4]。塑殼斷路器處于自由脫扣狀態(tài)時(shí)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1所示，處于分閘再扣狀態(tài)時(shí)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示，處于完全合閘狀態(tài)時(shí)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

在三個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖中，構(gòu)件1表示靜觸頭，構(gòu)件2表示動(dòng)觸頭，構(gòu)件3表示跳扣，構(gòu)件4表示下連桿，構(gòu)件5表示上連桿，構(gòu)件6表示杠桿，構(gòu)件7表示主拉簧，構(gòu)件8表示鎖扣。點(diǎn)A為鉸接點(diǎn)，形成轉(zhuǎn)動(dòng)副A；點(diǎn)B為鉸接點(diǎn)，形成轉(zhuǎn)動(dòng)副B；點(diǎn)C為鉸接點(diǎn)，形成轉(zhuǎn)動(dòng)副C；點(diǎn)D為支撐固定鉸接點(diǎn)，形成轉(zhuǎn)動(dòng)副D；點(diǎn)E為支撐固定鉸接點(diǎn)，形成轉(zhuǎn)動(dòng)副E；點(diǎn)F為支撐固定鉸接點(diǎn)，形成轉(zhuǎn)動(dòng)副F；點(diǎn)H為支撐固定鉸接點(diǎn)，形成轉(zhuǎn)動(dòng)副H；點(diǎn)K為接觸點(diǎn)，形成平面高副K；點(diǎn)N為外力施加在構(gòu)件6上的作用點(diǎn)。

如圖1所示，由構(gòu)件2、構(gòu)件4、構(gòu)件5、構(gòu)件3、鉸接點(diǎn)E及鉸接點(diǎn)D構(gòu)成一個(gè)平面五連桿機(jī)構(gòu)；如圖2、圖3所示，因構(gòu)件3被構(gòu)件8鎖死，故兩構(gòu)件可視為固定不動(dòng)件。由構(gòu)件2、構(gòu)件4、構(gòu)件5、鉸接點(diǎn)E及鉸接點(diǎn)C構(gòu)成一個(gè)平面四連桿機(jī)構(gòu)。

1.2 塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算

1.2.1 平面五連桿機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算

如圖1所示，塑殼斷路器在自由脫扣狀態(tài)時(shí)形成的平面五連桿機(jī)構(gòu)的活動(dòng)構(gòu)件為構(gòu)件2、構(gòu)件3、構(gòu)件4、構(gòu)件5、構(gòu)件6、構(gòu)件7，活動(dòng)構(gòu)件數(shù)量n=6。轉(zhuǎn)動(dòng)副A、轉(zhuǎn)動(dòng)副C、轉(zhuǎn)動(dòng)副D、轉(zhuǎn)動(dòng)副E、轉(zhuǎn)動(dòng)副F、轉(zhuǎn)動(dòng)G都為簡(jiǎn)單鉸鏈，而轉(zhuǎn)動(dòng)副B為復(fù)合鉸鏈，因此低副的數(shù)量pl=8。因?yàn)樵撈矫嫖暹B桿機(jī)構(gòu)都是鉸鏈連接，故沒有高副（高副數(shù)量ph=0）。

機(jī)構(gòu)的自由度F滿足以下關(guān)系式：

F=3n-（2pl+ph）=3×6-（2×8+0）=2

因?yàn)樵撈矫嫖暹B桿機(jī)構(gòu)的自由度F=2，故操作機(jī)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)圍繞固定點(diǎn)D向前、向后兩個(gè)動(dòng)作。

1.2.2 平面四連桿機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算

如圖2、圖3所示，自由脫扣后再扣和合閘狀態(tài)時(shí)形成的平面四連桿機(jī)構(gòu)的活動(dòng)構(gòu)件為構(gòu)件2、構(gòu)件4、構(gòu)件5、構(gòu)件6、構(gòu)件7，活動(dòng)構(gòu)件數(shù)量n=5，轉(zhuǎn)動(dòng)副A、轉(zhuǎn)動(dòng)副E、轉(zhuǎn)動(dòng)副F、轉(zhuǎn)動(dòng)副C、轉(zhuǎn)動(dòng)副G為簡(jiǎn)單鉸鏈，而轉(zhuǎn)動(dòng)副B為復(fù)合鉸鏈，因此低副的數(shù)量pl=7。因?yàn)樵撈矫嫠倪B桿機(jī)構(gòu)都是鉸鏈連接，故沒有高副（高副數(shù)量ph=0）。

機(jī)構(gòu)的自由度F滿足以下關(guān)系式：

F=3n-（2pl+ph）=3×5-（2×7-0）=1

因?yàn)槠矫嫠倪B桿機(jī)構(gòu)的自由度F=1，故操作機(jī)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)一種動(dòng)作，即合閘（圖2所示）、分閘（圖3所示）。

2 塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)受力分析

2.1 操作機(jī)構(gòu)杠桿受力分析

塑殼斷路器完全合閘后，即將分閘操作時(shí)，以杠桿為研究對(duì)象，以點(diǎn)F為力偶作用點(diǎn)，受力分析如圖4所示。

圖4 杠桿受力分析圖

圖4中，F(xiàn)分為杠桿在N點(diǎn)受到的外力，F(xiàn)彈為拉簧在G點(diǎn)作用在杠桿上的拉力，L1為力F分到點(diǎn)F的距離，L2為力F彈到點(diǎn)F的距離。因?yàn)閮闪υ邳c(diǎn)F形成力偶平衡，所以得到以下關(guān)系式：

F分×L1=F彈×L2（1）

2.2 操作機(jī)構(gòu)動(dòng)觸頭受力分析

塑殼斷路器處于完全合閘狀態(tài)時(shí)，以動(dòng)觸頭為研究對(duì)象，以點(diǎn)E為力偶作用點(diǎn)，受力分析如圖5所示。

圖5 動(dòng)觸頭受力分析圖

圖5中，F(xiàn)終為靜觸頭施加給動(dòng)觸頭的作用力，F(xiàn)BA為下連桿施加給動(dòng)觸頭的作用力，L3為F終至點(diǎn)E的距離，L4為FBA至點(diǎn)E的距離。兩力在點(diǎn)E形成力偶平衡，得到如下關(guān)系式：

3×F終×L3=FBA×L4（三極斷路器）（2）

2.3 操作機(jī)構(gòu)上連桿受力分析

塑殼斷路器處于完全合閘狀態(tài)時(shí)，以上連桿為研究對(duì)象，以點(diǎn)B為力的作用點(diǎn)，受力分析如圖6所示。

圖6 上連桿受力分析圖

圖6中，F(xiàn)彈為拉簧對(duì)上連桿的拉力，F(xiàn)AB為下連桿施加給上連桿的作用力，F(xiàn)CB為跳扣對(duì)上連桿的作用力，a為合閘角。三力匯交于點(diǎn)B，且塑殼斷路器處于完全合閘狀態(tài)時(shí)，上連桿與下連桿幾乎成一條直線。

由圖6知，上連桿的受力關(guān)系如下：

FCB=FAB+F彈×cosa（3）

2.4 操作機(jī)構(gòu)跳扣受力分析

塑殼斷路器處于完全合閘狀態(tài)時(shí)，以跳扣為研究對(duì)象，以點(diǎn)D為力的作用點(diǎn)，受力分析如圖7所示。

圖7中，F(xiàn)BC為上連桿對(duì)跳扣的作用力，F(xiàn)K為鎖扣在接觸點(diǎn)K對(duì)跳扣的作用力，L5為FK到D點(diǎn)的距離，L6為FBC到D點(diǎn)的距離。跳扣在D點(diǎn)處于力偶平衡狀態(tài)得到：

FBC×L6=FK×L5（4）

綜合（1）、（2）、（3）、（4）得到：

FK=3×F終×■+F分×cosa×■（5）

3 結(jié)束語

本文從機(jī)械原理的角度，根據(jù)操作機(jī)構(gòu)再扣、合閘、分閘的狀態(tài)，解釋了其具有確定運(yùn)動(dòng)的原因，分析了關(guān)鍵部件的受力狀況，為現(xiàn)有操作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化和新機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了理論參考與經(jīng)驗(yàn)借鑒。

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