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摘要：从操动机构动作到开关合分闸的中间环节的传动机构的设计是开关厂设计人员最重要的工作。开关此部分传动机构都一般是由一组或者几组四连杆机构组成，这些四连杆传动机构的设计合理与否，对开关的机械性能影响都很大。本文通过对刚做完型式试验的FHY1-12高压真空负荷开关的一次优化设计前后对比，总结出如何使四连杆机构的设计更加合理。
关键词：四连杆传动机构；高压开关
1 引言
目前的高压开关行业现状是：有专门的机构厂家生产各种类型的操动机构，开关厂家买机构厂家的操动机构用来配自己设计的各种开关。从机构动作到开关合分闸的中间环节的传动机构的设计成了开关厂设计人员最重要的工作。高压开关此部分传动机构一般都是由一组或者几组四连杆机构组成，这些四连杆传动机构的设计合理与否，对开关的机械性能如合闸过冲，合分闸可靠性等影响很大，本文通过对刚做完型式试验的FHY1-12高压真空开关负荷开关的一次优化设计前后对比，总结出如何使四连杆机构的设计更加合理。
2 FHY1-12优化设计前后的几种数据计算对比
2.1 优化设计前后方案对比
FHY1-12负荷开关操动机构到真空灭弧室的传动由两组四连杆机构组成，第一组由机构输出拐臂、连杆1、主轴输入拐臂组成，第二组为曲柄滑块机构由主轴输出拐臂、连杆2、绝缘拉杆和灭弧室组成。分闸弹簧装在焊接于主轴上的分闸弹簧拐臂上。优化设计前后的两种设计结构图在开关合闸位置时如图1、图2，两种设计区别之处是主轴输入拐臂的长度和连杆1的长度。
2.2 计算前提假设及参数说明
在实际运行中，机构中的能量由机构中的合闸弹簧通过凸轮等传动件输出到机构输出拐臂，其整个运动过程较复杂，且整个运动过程受摩擦力等因素的影响，为了简化计算，在计算时不考虑摩擦力，此种计算方法足以判断各零件在两种设计下的零件受力趋势。考虑到动态过程的复杂性，此处对开关在合闸位置的几个关键件进行静态的受力分析。将结构图简化后的传动简图如图3、图4。
图3、图4中F1为分闸拉簧拉力，F3为触头压力的反力，F2为分闸半轴的反力，L1~L7为各连杆的长度。
2.3 机构对分闸半轴作用力计算
以连杆L7为研究对象，F6，F7为连杆L7对L4及对滑块的作用力， F6、F7作用于L7上的反作用力F6’=F7’, 所以F6=F7，以滑块为研究对象，F7=F3/Cosα3，所以F6= F3/Cosα3
同样以连杆L3为研究对象， F4为连杆3对连杆4的作用力，F5为连杆3对连杆4的作用力， F4、F5作用于L3上的反作用力F4’=F5’，所以F4=F5，由力矩平衡原理得，F1L6Sinα1+F6L5Sinα4-F5L4Sinα5=0，F4L2Sinα2-F2L1=0，由上面两式计算得
F5= (F1L6Sinα1+F3L5Sinα4/ Cosα3)/ L4Sinα5
F2= F4L2Sinα2/L1= (F1L6Sinα1+F3L5Sinα4/ Cosα3)L2 Sinα2/ L1L4Sinα5
机构对分闸半轴作用力设为F2’，根据作用力等于反作用力原理，F2’=F2，所以
F2’= (F1L6Sinα1+F3L5Sinα4/ Cosα3)L2 Sinα2/ L1L4Sinα5
以下为优化设计前后两种方案中不变的参数
F1=929N F3=3×900=2700N L1=58mm L2=40mm L5=30mm L6=45mm
α1=68.4°α3=18.1°α4=25.3°
优化设计前后变化的参数优化前的值，L4=45mm α2=34.7°α5=83.7°，优化设计前F2’计算，F2’=(929×45×Sin68.4°+2700×30×Sin25.3°/Cos18.1°)×40×Sin34.7°/58×45×Sin83.7°=661 (N)，优化设计前后变化的参数优化后的值，L4=L5=30mm α2=10.9° α5=107.5°，优化设计后F2’计算
F2’=(929×45×Sin68.4°+2700×30×Sin25.3°/Cos18.1°)×40×Sin10.9°/58×30×Sin107.5° =343 (N)
通过优化设计，机构对分闸半轴的作用力由原理的661N减少到343N，约降低了一半，分闸的脱扣力是跟机构对分闸半轴的作用力F2’成正比的，优化后的方案大大降低了分闸脱扣力。
2.4 开关合闸过冲对比
以假设法对优化设计前后合闸过冲进行比较，假设开关合闸输出拐臂过冲为3°，如果用一般的计算方法计算开关的过冲比较复杂，所以用CAD作图法，对两种方案进行对比，见图5。
在假设机构输出过冲同样的角度3°的时候，通过CAD作图，设计优化前后开关的过冲分别是0.32mm和0.14mm，优化设计后的开关过冲要小于优化设计前。
2.5 四连杆机构机械利益的对比
机械利益是从动臂力矩与主动臂力矩的比值，其值越大，表示四连杆机构相同的主动臂力矩能克服更大的从动臂力矩，所以开关中传动的中间环节四连杆机构的机械利益越大，开关就能更容易合闸。此开关两组四连杆机构中由于第二组四连杆机构的设计没有改变，第一组四连杆机构的机械利益影响整体传动的机械利益。开关在合闸位置时由于分闸弹簧和触头压簧的储能的能量达到大使得合闸反力矩达到最大值，合闸位置机械利益的大小直接就能说明合闸的可靠性，以下对优化设计前后第一组四连杆机构在合闸位置的机械利益进行计算对比。以下直接通过CAD作图得出优化前后方案的各力臂，CAD简图见图6。
优化前机械利益：
AM=M2/M1=a2/a1=44.8/22.6=1.98
优化后机械利益：
AM=M2/M1=a2/a1=28.6/7.6=3.76
所以开关在优化设计后机械利益更大，即优化后合闸更省力，从而使合闸更可靠。
3 结语
FHY1-12负荷开关第一台样机采用的是四连杆传动机构为优化前方案，样机在装成组合电器方案时熔断器模拟撞击器脱扣试验中有出现撞击器脱扣不了现象，手动分闸时明显感觉分闸力过大，在机械寿命试验后期常出现拒合现象。根据这些现象对开关的传动进行分析，设计了优化后的方案，采用此方案后，开关手动分闸明显的轻松，撞击器脱扣时没出现拒分现象；开关合闸更加可靠，在型式试验的机械寿命试验中没有出现过拒合现象；理论上也降低了合闸过冲，由于此开关总行程较少，优化设计前后的过冲量理论上也只有微量的变化，但是对于其它一些开距大的开关而言此变化趋势是有意义的。
经过对FHY1-12开关的两种优化前后两种方案的对比，可以看出，在开关的设计中，四连杆传动机构设计的合理与否，对开关的性能影响很大。
在设计开关中的四连杆机构时，尽量要使四连杆机构在合闸附近达到比较大的机械利益，此位置在合闸过程中合闸弹簧能量的释放使得操动机构输出力矩已经比较小，分闸弹簧产生的反力距和触头弹簧产生的反力矩却由于合闸过程分闸弹簧和触头压簧的不断储能达到最大。增大四连杆传动机构在合闸附近的机械利益，不仅使得开关合闸更加省力、可靠，而且使得机构作用于分闸半轴作用力会减小，从而减小分闸操作力，合闸过冲会减小。
如图7，机械利益AM=M2/M1=a2/a1，在操动机构通过四连杆机构传动保证开关行程足够的情况下，合理减小α角，减小L1,使得a1减小，或则增大L2,使得a2增大，使得四连杆机构机械利益尽量大，从而提高开关的各种性能。还有注意的是当α=0，即L1和L3成一直线时，如开关分闸时， L2成为主动臂，此时四连杆机构中L1处于死点位置，无论主臂力矩（分闸弹簧和触头压簧产生的力矩）多大，都不能使四连杆动作。在实际开关分闸过程中，开关的动作中还要考虑摩擦力的作用，所以设计时α要保证有一定的值，从而保证有效从力臂a1不能太小，以免分闸不可靠。
参考文献
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[2]苑 舜.高压断路器弹簧操动机构[M]．北京：机械工业出版社,2001．
[3]林莘.现代高压电器技术[M]．北京：机械工业出版社,2002．
论文作者:侯银顺,晏文曲
论文发表刊物:《电力设备》2016年第4期
论文发表时间:2016/6/3
标签：连杆论文; 机构论文; 优化设计论文; 机械论文; 作用力论文; 利益论文; 弹簧论文; 《电力设备》2016年第4期论文;