折臂式高压隔离开关平衡弹簧设计方法

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1、2013年1月机械设计与制造工程Jan．20l3第42卷第1期MachineDesignandManufacturingEngineeringV01．42No．1DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2013．01．003折臂式高压隔离开关平衡弹簧的设计方法张帆，汤文成，刘成标，陈厚源，戴永正，文博(1．东南大学机械工程学院，江苏南京211189)(2．国网电科院江苏泰事达电气有限公司，江苏泰州225300)摘要：平衡弹簧设计的好坏直接影响高压隔离开关的性能。以GW17型高压隔离开关

2、为研究对象，建立机构的运动学方程，根据能量守恒计算平衡弹簧的刚度曲线。同时建立机构的仿真模型，对机构进行运动学和动力学仿真，计算理想平衡弹簧的刚度曲线并设计实际平衡弹簧的刚度值。结果显示，基于虚拟样机技术的平衡弹簧设计是可靠的。关键词：高压隔离开关；平衡弹簧；设计；仿真中图分类号：TM564．1文献标识码：A文章编号：2095—509X(2013)01—0009—04高压隔离开关是在主断路器处于正常分闸位点为内拉杆铰链点，0点为齿轮中心点，Q点为上置时，用来断开无负荷电流的电路、隔离电源的开导电杆顶点，

3、M点为0点在下拉杆(也可以说是下关设备。高压隔离开关是电力系统中使用量最大导电管)上的投影，P点为D点在下拉杆延长线上的高压开关设备，但是由于长期处于合闸状态，对的投影，Ⅳ点为齿轮齿条的节点，ON的长度即为节其很少进行操作，因此隔离开关的设计制造没有得圆半径，G为下导电杆的质心，日为上导电杆的质到足够的重视，其使用性能和质量很难得到保心，0为下导电杆与水平线的夹角，JB为下导电杆和障一。上导电杆的夹角，GDO为质心G与D点连线和下高压隔离开关在分合操作过程中，其重心有明导电杆的夹角，LHOQ为质心日和0

4、点连线与上导电杆的夹角。显的升降，导电杆位能改变从而需要较大的操作力。随着电压等级升高，需要的操作力也越大-4j。只通过加载大力矩的操作机构来驱动是不合理的，需要用平衡弹簧来平衡位能的变化，从而降低操作力矩。理想平衡弹簧所产生的平衡力矩都能刚好抵消重力所产生的力矩，所以不管导电杆如何笨重，只需克服摩擦阻力就可以上升或下降。平衡弹簧在实际设计过程中很难达到理想状图1开合闸机构简图态，驱动机构需要输入额外的驱动力矩才能完成高质心G和日是通过建立折臂式高压隔离开关压隔离开关正常开合。输入驱动力矩的大小是评三维

5、实体模型求得的，即在Pro／E中设置各零件的价平衡弹簧设计好坏的一个重要标准。平衡弹簧材料信息后，通过功能Analysis得出G点相对于D设计的方法很多，本文主要从能量转换和虚拟仿真点的坐标，同理求得日点相对于0点的坐标。2个方面对平衡弹簧的设计进行研究。1．2建立开合闸机构运动学方程在导电臂的运动过程中，点P、D、0、N、M的相1能量法对位置不变，且角也为定值，由此可以首先确定1．1建立数学分析模型机构中一些定量，如OD和。对开合闸机构建立的数学分析模型如图1所图2，3分别为机构在开闸与合闸位置的状态

6、。示，D点为下导电杆铰链点，E点为拉板铰链点，F设定导电杆在闭合状态时下导电杆与轴的夹角收稿日期：2012—08—08基金项目：国网电力科学研究院／南京南瑞集团公司科技项目(SGEPRIZD一0O4．O1)作者简介：张帆(1987一)，男，安徽阜阳人，东南大学硕士研究生，主要研究方向为结构分析与优化。·9·2013年第42卷机械设计与制造工程为0，上、下导电杆之间的夹角是；导电杆在展开进而求得理想平衡弹簧刚度值k：位置时下导电杆与轴的夹角是0”，上、下导电杆，dFdF，dl，、一dOL)之间的夹角是；／

7、QOx为上导电杆OQ与轴的夹角。在未做特殊说明的情况下规定物理量的上1．4理想与实际平衡弹簧力对比标“”’表示导电杆的闭合状态，同理规定“””表示本文以江苏某企业生产的GW17型折臂式高导电杆的展开状态。压隔离开关为例，按上述计算得出在合闸过程中理想平衡弹簧力的大小。对现有产品的弹簧进行压缩试验，测出平衡弹簧力随压缩量变化的相关数据，测量工具和结果如图4所示。D图2开合闸机构在开闸时的位置图4实际弹簧力的检测图3开合闸机构在合闸时的位置GW17型产品在合闸过程中(弹簧压缩)理想由此可以得出以下数值不随机

8、构的运动而改平衡弹簧力和实际平衡弹簧力对比如图5所示。变：QOx，，，进一步计算点0、M、P的坐标。从图中可以看出，合闸的中后期平衡弹簧提供的平又因F点始终位于线MF上，令系数0≤u≤1，可衡力比理想状态下的大，理想平衡弹簧刚度先减小以得到：后增大，合闸的末期出现平衡点。，=“·(一P)+尸(1)Y，=u·(Y肘一YP)+YP(2)最终，可以求出运动过程中Q点的坐标，即Q点的运动轨迹：o=0+lOQI·COS(订+0+卢)(3)Yo=Y0+