塑殼斷路器操作機構結構與受力分析

熊勁華++王興利++葛世偉

摘 要：為了確定操作機構具有確定運動的條件，繪制出了運動簡圖，并計算在不同狀態(tài)時的自由度；為了直觀了解操作機構在某些特定位置的受力狀況，采用圖解法對操作機構進行受力分析。

關鍵詞：塑殼斷路器；操作機構；運動簡圖；圖解法；受力分析

中圖分類號：TM561 文獻標志碼：A 文章編號：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

操作機構連接觸頭系統(tǒng)，通過運動實現(xiàn)塑殼斷路器對電路的閉合和開斷操作[1]。近年來，國內外優(yōu)秀企業(yè)不斷推出功能齊全、性能穩(wěn)定的新產品，這就需要對操作機構作進一步的研究與分析。文獻[2]通過仿真分析了塑殼斷路器操作機構主拉簧剛度、關鍵軸位置、各桿件質量及連桿位置轉換對機構運動速度的影響；文獻[3]利用多體動力學仿真軟件ADMAS建立了機構的分析模型，對塑殼斷路器的分閘、合閘過程進行了仿真分析。本文通過對操作機構運動簡圖的繪制，計算出塑殼斷路器在不同狀態(tài)時的自由度，確定連桿機構具有確定運動的條件；運用圖解法對操作機構進行受力分析，并對分析結果進行驗證。

1 塑殼斷路器操作機構的結構分析

1.1 操作機構的運動簡圖

塑殼斷路器的閉合與斷開都是由操作機構來實現(xiàn)，而操作機構實質上是一種連桿機構。無論對現(xiàn)有塑殼斷路器進行分析或設計新的操作機構，都需要繪制出機構運動簡圖[4]。塑殼斷路器處于自由脫扣狀態(tài)時的機構運動簡圖如圖1所示，處于分閘再扣狀態(tài)時的機構運動簡圖如圖2所示，處于完全合閘狀態(tài)時的機構運動簡圖如圖3所示。

在三個機構運動簡圖中，構件1表示靜觸頭，構件2表示動觸頭，構件3表示跳扣，構件4表示下連桿，構件5表示上連桿，構件6表示杠桿，構件7表示主拉簧，構件8表示鎖扣。點A為鉸接點，形成轉動副A；點B為鉸接點，形成轉動副B；點C為鉸接點，形成轉動副C；點D為支撐固定鉸接點，形成轉動副D；點E為支撐固定鉸接點，形成轉動副E；點F為支撐固定鉸接點，形成轉動副F；點H為支撐固定鉸接點，形成轉動副H；點K為接觸點，形成平面高副K；點N為外力施加在構件6上的作用點。

如圖1所示，由構件2、構件4、構件5、構件3、鉸接點E及鉸接點D構成一個平面五連桿機構；如圖2、圖3所示，因構件3被構件8鎖死，故兩構件可視為固定不動件。由構件2、構件4、構件5、鉸接點E及鉸接點C構成一個平面四連桿機構。

1.2 塑殼斷路器操作機構自由度的計算

1.2.1 平面五連桿機構自由度的計算

如圖1所示，塑殼斷路器在自由脫扣狀態(tài)時形成的平面五連桿機構的活動構件為構件2、構件3、構件4、構件5、構件6、構件7，活動構件數(shù)量n=6。轉動副A、轉動副C、轉動副D、轉動副E、轉動副F、轉動G都為簡單鉸鏈，而轉動副B為復合鉸鏈，因此低副的數(shù)量pl=8。因為該平面五連桿機構都是鉸鏈連接，故沒有高副（高副數(shù)量ph=0）。

機構的自由度F滿足以下關系式：

F=3n-（2pl+ph）=3×6-（2×8+0）=2

因為該平面五連桿機構的自由度F=2，故操作機構只能實現(xiàn)圍繞固定點D向前、向后兩個動作。

1.2.2 平面四連桿機構自由度的計算

如圖2、圖3所示，自由脫扣后再扣和合閘狀態(tài)時形成的平面四連桿機構的活動構件為構件2、構件4、構件5、構件6、構件7，活動構件數(shù)量n=5，轉動副A、轉動副E、轉動副F、轉動副C、轉動副G為簡單鉸鏈，而轉動副B為復合鉸鏈，因此低副的數(shù)量pl=7。因為該平面四連桿機構都是鉸鏈連接，故沒有高副（高副數(shù)量ph=0）。

機構的自由度F滿足以下關系式：

F=3n-（2pl+ph）=3×5-（2×7-0）=1

因為平面四連桿機構的自由度F=1，故操作機構只能實現(xiàn)一種動作，即合閘（圖2所示）、分閘（圖3所示）。

2 塑殼斷路器操作機構受力分析

2.1 操作機構杠桿受力分析

塑殼斷路器完全合閘后，即將分閘操作時，以杠桿為研究對象，以點F為力偶作用點，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點受到的外力，F(xiàn)彈為拉簧在G點作用在杠桿上的拉力，L1為力F分到點F的距離，L2為力F彈到點F的距離。因為兩力在點F形成力偶平衡，所以得到以下關系式：

F分×L1=F彈×L2（1）

2.2 操作機構動觸頭受力分析

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

圖5 動觸頭受力分析圖

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

3×F終×L3=FBA×L4（三極斷路器）（2）

2.3 操作機構上連桿受力分析

塑殼斷路器處于完全合閘狀態(tài)時，以上連桿為研究對象，以點B為力的作用點，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為跳扣對上連桿的作用力，a為合閘角。三力匯交于點B，且塑殼斷路器處于完全合閘狀態(tài)時，上連桿與下連桿幾乎成一條直線。

由圖6知，上連桿的受力關系如下：

FCB=FAB+F彈×cosa（3）

2.4 操作機構跳扣受力分析

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

圖7中，F(xiàn)BC為上連桿對跳扣的作用力，F(xiàn)K為鎖扣在接觸點K對跳扣的作用力，L5為FK到D點的距離，L6為FBC到D點的距離。跳扣在D點處于力偶平衡狀態(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 結束語

本文從機械原理的角度，根據(jù)操作機構再扣、合閘、分閘的狀態(tài)，解釋了其具有確定運動的原因，分析了關鍵部件的受力狀況，為現(xiàn)有操作機構的優(yōu)化和新機構的設計提供了理論參考與經驗借鑒。

參考文獻：

[1]孫吉升，施政，顧惠民.塑殼斷路器操作機構動作分析與設計要點[J].低壓電器，2013（21）：13-15.

[2]蔣顧平，顧惠民.提高塑殼斷路器操作機構動作速度的研究[J].電器與能效管理技術，2015（1）：21-23.

[3]張波，陳德桂.旋轉雙斷點塑料外殼式斷路器機構的動態(tài)仿真及優(yōu)化[J].低壓電器，2007（13）：5-7.

[4]孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.endprint