摘要：传动结构设计是隔离开关设计的关键，它将直接影响触头运动稳定性，其表现形式为机械特性的优劣，最终影响开断性能，因此，传动系统的优化设计是隔离接地开关研制成功的关键。在研发550kV隔离开关过程中，设计了齿轮齿条传动结构和螺旋传动结构，对比了两种传动方式的优缺点，根据工程实际需要选择了齿轮齿条传动，并进行了结构仿真分析及优化，研制的隔离开关成功通过了10000次机械寿命试验验证。
关键词：隔离开关传动结构齿轮齿条传动螺旋传动
1传动结构设计
隔离开关传动结构主要型式有拐臂传动、螺旋传动及齿轮齿条传动，拐臂传动结构零部件较多，结构复杂，不利于隔离开关的小型化设计，逐步被另外两种传动结构所替代。螺旋传动结构的隔离开关将高压开关导通电流的功能与传动结构相结合，利用了螺旋传动原理，螺旋传动结构核心元件是主动件螺杆和从动件螺母，其传动精度高，运行平稳可靠；齿轮齿条传动结构隔离开关与螺旋传动型式类似，将高压开关导通电流的功能与传动结构相结合，利用了齿轮齿条传动原理，齿轮作为主动元件，齿条作为从动元件。本文以隔离开关产品结构小型化为目标，设计了角型螺旋传动方案和角型齿轮齿条传动方案，并在结构特征、零部件数量、成本等方面进行对比，见图1。
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a角型螺旋传动方案 b角型齿轮齿条传动方案
图1 隔离开关传动方案
角型螺旋传动方案采用了滚珠丝杠结构，动触头设计为中空结构，巧妙的将滚珠丝杠放置在动触头导体的中心孔内，从动件丝母固定在动触头上，从而将滚珠丝杠的旋转运动转化为动触头的“开、合”运动，动触头既能满足导体通流能力，又留出了中心孔，为传动部件留出了空间。滚珠丝杠传动是在工程实际中大量应用的结构，制作工艺成熟，结构简单，运动精度高、平稳可靠。角型齿轮齿条传动方案则是将齿条固定在动触头中心孔上，齿轮转动带动动触头实现分合操作，动触头也能满足导体通流能力，结构简单，制作工艺成熟。根据对比，丝杠传动和齿轮齿条传动方案在零部件数量、成本方面相差不大，丝杠传动无法实现隔离开关的直线型布置，齿轮齿条传动既能实现角型布置，又能实现直线型布置，根据工程实际需要，本次小型化隔离开关选择齿轮齿条传动方案。
2结构优化设计
齿轮齿条传动方案中，齿轮作为主动元件，齿条作为从动元件，动触头设计为中空结构，齿轮齿条放置于动触头内部，齿轮转动带动动触头实现分合操作，即可实现隔离开关角型布置，又可实现直线型布置型式，大大简化了隔离开关结构。通过分析动触头最大运动阻力，计算出最大转矩，设计出符合转矩需要的齿形结构，并根据隔离开关的运动行程，确定齿轮齿条传动比，从而确定齿轮齿条的结构尺寸，使得结构尺寸得到优化。
2.1输出扭矩计算
隔离开关动触头在运动中受到的作用力主要有动端触指摩擦力、动端导向环摩擦力、静端触指摩擦力、静端弧触头摩擦力等[1]。本文设计的隔离开关静端触指为瓣形触指，根据瓣形触指安装形式与结构尺寸，可以将瓣形触指受力情况进行简化，根据瓣形触指实际参数，摩擦因数按照0.35取时，受到的摩擦力为：；静端弧触头主要是由于其张力，对动触头形成了正压力，可根据悬臂梁结构挠度公式并取摩擦系数计算的到摩擦力为：f=0.35X150=52.5N；动端导向环处摩擦力计算时，正压力为动触头的重量，摩擦系数取0.42，则摩擦力：f3=μF=μmg=0.42x24.1x9.8=99.2N；动端触指摩擦力计算主要根据表带触指的相关参数：f4=720N；摩擦力求和：∑F= f1+ f2+ f3+ f4 =267.5+99.2+720+50.2=1136.9N；摩擦力在齿轮轴上产生的扭矩值为：∑F×R=1136.9×28.5ｍｍ≈32N·m；从齿轮轴到机构对接轴处齿轮，密封轴处也存在扭矩，根据以往产品相同结构，预估转轴产生扭矩值估算约为3N·m，隔离开关输出轴扭矩约为：32+3=35N·m。
2.2结构强度校核
1）齿轮齿条强度校核
齿轮齿条作为关键传动件，受力分析与强度计算是结构设计的基础[2]。本文首先对隔离开关动触头运动中受力进行了分析，计算出输出扭矩。得到输出扭矩值后，对齿轮齿条的强度进行计算，并根据计算结果对结构尺寸进行了优化。
（1）齿面接触疲劳强度计算，基本参数为：齿轮、齿条合金钢，调质后许用接触疲劳：700MPa；根据求得的齿轮输出转矩：T1=35N.m=35000 N.mm；对输出转矩取安全系数1.3，进行计算，即输出扭矩46000 N.mm；对齿条进行接触疲劳强度校核即可：
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计算结果表明，齿轮齿条的齿面强度满足结构设计要求。
（2）齿根弯曲疲劳强度校验，基本参数为：齿轮、齿条合金钢，调质后弯曲疲劳强度：650MPa；齿轮输出转矩：T1=35N.m=35000 N.mm；齿轮输出转矩：T1=46N.m=46000 N.mm；对齿条进行弯曲疲劳强度校核即可：
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计算结果表明，齿根弯曲疲劳强度满足结构设计要求。
2）绝缘扭杆强度校核
绝缘扭杆是隔离开关传动结构中的重要零部件，在齿轮齿条传动方案中，绝缘扭杆通过四方结构连接齿轮轴与输入轴，输入轴与电动机构输出轴连接，通过机构的旋转运动，带动齿轮轴旋转，齿轮轴带动固定在动触头上的齿条，实现动触头的分合运动。通过计算得到隔离开关的输出力矩为35N.m，绝缘扭杆的强度应该满足这一要求，并具有足够的裕度。通过建立绝缘扭杆的三维计算模型，对其机械强度进行仿真计算，并在仿真计算的基础上进行结构优化。（1）材料属性：铝：弹性模量7.1×1010Pa，泊松比0.33。环氧树脂：弹性模量5×109Pa，泊松比0.3。（2）判据：铝：屈服极限100MPa；环氧树脂：屈服极限65MPa；环氧树脂和铝嵌件的粘接强度：40MPa。（3）边界条件：根据扭矩估算35N.m，为有足够安全系数，在绝缘扭杆实际受力位置，施加200N *m力矩。（4）计算结果分析：根据计算结果可以看出，设计的绝缘棒在扭矩200N*m的工况下仍具有裕度，表明该绝缘棒结构设计合理，机械强度可靠，完全满足工程建设对其机械强度要求。
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图2整体应力分布图
3试验验证
为验证隔离开关机械可靠性，依据国家标准GB/T 1985-2014《高压交流隔离开关和接地开关》[3]对小型化隔离开关进行10000次机械寿命试验，对传动系统的强度、刚度及运动可靠性进行了充分的验证。试验后样机解体检查，发现筒体内部无明显异物，各传动环节无异常，动静触头接触痕迹整齐均匀，静主触指及静弧触头未见异常，静弧触头头部有均匀磨损痕迹，静主触指有均匀磨损痕迹，拆解过程中未见卡滞等现象。样机状态良好，验证了隔离开关传动系统结构设计的正确性和可靠性。
4小结
1）通过对比，隔离开关螺旋传动结构和齿轮齿条传动方案在零部件数量、成本等方面相差不大，螺旋传动无法实现隔离开关的直线型布置，齿轮齿条传动既能实现角型布置，又能实现直线型布置，根据工程实际需要，本次小型化隔离开关选择齿轮齿条传动方案。
2）设计的将通流与传动功能高度融合的齿轮齿条传动结构，可实现大角度传动，相同角度误差带来动触头行程的直线误差更小。具有结构简单，传动平稳可靠、精度高、操作扭矩小的特点，隔离开关机械寿命达10 000次。
参考文献：
[1]黎 斌，SF6高压电器[M]，北京：机械工业出版社，2008.
[2]宫瑞磊；肖风良；王峰；王兆珉.基于响应表面法的550kV GIS隔离开关中的结构优化设计.高压电器，2009年第5期
[3]GBT 1985-2014.高压交流隔离开关和接地开关
作者简介：
占小猛（1984—），男，工学硕士，毕业于沈阳工业大学。现工作于平高集团有限公司技术中心，工程师，主要从事高压电器的设计与研发工作。
论文作者:占小猛,谢世超,董祥渊,杜迎乾,高远
论文发表刊物:《电力设备》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/30