穆貝貝，袁平定

（許繼電氣股份有限公司，河南許昌461000）

淺談彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能過(guò)程保持方式

穆貝貝，袁平定

（許繼電氣股份有限公司，河南許昌461000）

彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種以彈簧作為儲(chǔ)能元件的機(jī)械式操動(dòng)機(jī)構(gòu)，其利用已儲(chǔ)能彈簧釋放的能量為動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的合閘操作。本文針對(duì)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能過(guò)程中使用的四種儲(chǔ)能過(guò)程保持方式加以分析說(shuō)明，并介紹各自的特點(diǎn)及使用環(huán)境，為彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)能過(guò)程保持設(shè)計(jì)提供選擇依據(jù)。

彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)；儲(chǔ)能過(guò)程保持方式；特點(diǎn)

彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)是高壓斷路器的重要組成部分，是高壓斷路器中最常見(jiàn)，也是應(yīng)用最廣的一種機(jī)構(gòu)。其儲(chǔ)能方式分為電動(dòng)和手動(dòng)兩種儲(chǔ)能方式。電動(dòng)儲(chǔ)能方式是通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)；而手動(dòng)方式是通過(guò)手動(dòng)方式操作儲(chǔ)能手柄，進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入接口來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。在手動(dòng)儲(chǔ)能中，儲(chǔ)能彈簧未運(yùn)動(dòng)到儲(chǔ)能保持狀態(tài)的情況下，通過(guò)操作手柄對(duì)機(jī)構(gòu)的輸入接口做功時(shí)，需有儲(chǔ)能過(guò)程保持裝置，否則手動(dòng)操作手柄一旦停止或取消對(duì)機(jī)構(gòu)的輸入接口做功，儲(chǔ)能彈簧將釋放已儲(chǔ)存的能量，驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)能手柄倒轉(zhuǎn)，進(jìn)而造成手動(dòng)儲(chǔ)能失敗。

彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，隨著彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)在開(kāi)關(guān)行業(yè)的廣泛應(yīng)用，用戶(hù)對(duì)彈簧操作機(jī)構(gòu)可靠性要求越來(lái)越高。對(duì)手動(dòng)儲(chǔ)能功能的要求越來(lái)越苛刻，不僅要求動(dòng)作靈敏穩(wěn)定，而且要求操作方便，后期使用盡可能達(dá)到免維護(hù)狀態(tài)。本文對(duì)手動(dòng)方式儲(chǔ)能過(guò)程中的儲(chǔ)能過(guò)程保持方式作簡(jiǎn)要探討。

1 彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)手動(dòng)方式儲(chǔ)能的過(guò)程和要求

1.1 彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)手動(dòng)方式儲(chǔ)能的過(guò)程

彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)一般包括手動(dòng)輸入軸、齒輪嚙合傳動(dòng)環(huán)節(jié)或鏈輪傳動(dòng)環(huán)節(jié)、離合摯子、離合輪、儲(chǔ)能軸、拐臂和儲(chǔ)能簧等。離合摯子固定在齒輪或鏈輪上，離合輪和拐臂固接在儲(chǔ)能軸上。儲(chǔ)能時(shí)，由手動(dòng)輸入軸通過(guò)齒輪嚙合傳動(dòng)環(huán)節(jié)或鏈輪傳動(dòng)環(huán)節(jié)帶動(dòng)離合摯子運(yùn)動(dòng)，然后由離合摯子驅(qū)動(dòng)離合輪帶動(dòng)拐臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而由拐臂拉動(dòng)合閘彈簧進(jìn)行儲(chǔ)能，直到儲(chǔ)能到位并保持。同時(shí)離合摯子通過(guò)限位軸脫離離合輪，保證電機(jī)或儲(chǔ)能手柄可繼續(xù)沿儲(chǔ)能方向運(yùn)動(dòng)，不至于儲(chǔ)能簧運(yùn)動(dòng)到位后而由于手動(dòng)或電動(dòng)方式儲(chǔ)能過(guò)位而造成機(jī)構(gòu)卡死。

1.2 彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)手動(dòng)方式儲(chǔ)能的要求

儲(chǔ)能彈簧從初始最短狀態(tài)被拉伸到最大極限長(zhǎng)度狀態(tài)過(guò)程中的某一任意時(shí)刻時(shí)，要求儲(chǔ)能手柄停止轉(zhuǎn)動(dòng)或拔出后，儲(chǔ)能彈簧的能量不能釋放，而應(yīng)實(shí)現(xiàn)此狀態(tài)的即時(shí)保持。為實(shí)現(xiàn)此過(guò)程種某一時(shí)刻保持，此處需要有一機(jī)械限位裝置，該裝置要求具有一定的強(qiáng)度，達(dá)到一定的壽命和較高的安全性。儲(chǔ)能操作動(dòng)作應(yīng)可靠，保持裝置動(dòng)作應(yīng)靈敏。

2 儲(chǔ)能過(guò)程保持的種類(lèi)

2.1 棘爪方式的儲(chǔ)能過(guò)程保持

彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)通常都有齒輪傳動(dòng)環(huán)節(jié)?？稍跈C(jī)構(gòu)側(cè)板上安裝固定一棘爪（如圖1），并帶有棘爪復(fù)位扭簧，通過(guò)棘爪的尖部與齒輪的齒廓相嚙合而實(shí)現(xiàn)單向保持，由此實(shí)現(xiàn)齒輪的單向傳動(dòng)，逆向保持扭矩[1]。

圖1 棘爪方式儲(chǔ)能保持示意圖

在手動(dòng)儲(chǔ)能過(guò)程中，儲(chǔ)能手柄儲(chǔ)能旋轉(zhuǎn)時(shí)，大齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，并由大輪齒依其外形撥動(dòng)棘爪升離輪齒，從而實(shí)現(xiàn)齒輪傳動(dòng)，當(dāng)棘爪尖部越過(guò)齒頂時(shí)，在棘爪復(fù)位扭簧的復(fù)位扭矩下，棘爪尖部再次躍入齒底，此時(shí)儲(chǔ)能手柄拔出或停止提供儲(chǔ)能扭矩時(shí)，棘爪仍與齒輪齒廓嚙合而實(shí)現(xiàn)保持，防止了齒輪倒轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能過(guò)程保持。

此種方式的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積精小、工藝可靠性高、機(jī)械壽命長(zhǎng)、零件簡(jiǎn)單、加工方便、成本低、易維護(hù)且標(biāo)準(zhǔn)化程度高。缺點(diǎn)是：儲(chǔ)能過(guò)程中，因棘爪在棘爪復(fù)位扭簧的復(fù)位扭矩下，棘爪的尖部從齒形頂部躍入齒底時(shí)，產(chǎn)生“噠噠”的聲響。另外由于棘爪尖部與齒輪齒廓間隙較大，存在較小幅度的回退，此動(dòng)作不是很靈敏。受到齒輪齒數(shù)數(shù)量的限制，對(duì)其動(dòng)作靈敏性影響很大，齒數(shù)越多，傳遞越精確。齒數(shù)越少，傳遞回退現(xiàn)象越明顯。

此種方式的儲(chǔ)能過(guò)程保持對(duì)工作狀況要求低，能克服工作環(huán)境灰塵大、潤(rùn)滑狀況一般、重載傳遞，瞬間能承受一定的沖擊力，適應(yīng)性強(qiáng)，適用范圍廣。

2.2 凸輪方式的儲(chǔ)能過(guò)程保持

傳動(dòng)原理示意圖如圖2所示，手動(dòng)儲(chǔ)能時(shí)，儲(chǔ)能連桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，對(duì)與其鉸接一起的儲(chǔ)能凸輪產(chǎn)生一壓力，使儲(chǔ)能盤(pán)與儲(chǔ)能凸輪間形成驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)能盤(pán)旋轉(zhuǎn)的摩擦力，通過(guò)此摩擦力帶動(dòng)儲(chǔ)能盤(pán)做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，后續(xù)儲(chǔ)能方式類(lèi)似于大齒輪儲(chǔ)能方式，從而實(shí)現(xiàn)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)能。而保持凸輪在自身復(fù)位扭簧的作用下，時(shí)刻保持與儲(chǔ)能盤(pán)圓面接觸。當(dāng)連桿回位時(shí)或者停止做功時(shí)，儲(chǔ)能盤(pán)在儲(chǔ)能彈簧的回退扭矩下，給保持凸輪一壓力，在儲(chǔ)能盤(pán)與保持凸輪間形成阻礙凸輪盤(pán)旋轉(zhuǎn)的摩擦力，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能盤(pán)的保持。而此時(shí)儲(chǔ)能凸輪對(duì)儲(chǔ)能盤(pán)的壓力也隨之消失，僅在自身復(fù)位簧作用下，產(chǎn)生與儲(chǔ)能盤(pán)接觸的壓力，此壓力很小，可忽略不計(jì)。連桿如此回位，繼續(xù)下一個(gè)儲(chǔ)能動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)單向傳遞扭矩，直至儲(chǔ)能結(jié)束。

圖2 凸輪方式儲(chǔ)能保持示意

這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：儲(chǔ)能噪聲小、傳動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)、無(wú)回退現(xiàn)象。缺點(diǎn)是體積大、結(jié)構(gòu)容易受空間布局限制、凸輪加工精度高、工藝復(fù)雜、成本高。這種方式一般不采用尺寸齒輪驅(qū)動(dòng)齒輪軸，而是采用凸輪驅(qū)動(dòng)圓柱面的方式進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)能軸進(jìn)行儲(chǔ)能，與電動(dòng)傳動(dòng)環(huán)節(jié)分離。為提高傳遞可靠性，需要在儲(chǔ)能凸輪與儲(chǔ)能盤(pán)和保持凸輪與儲(chǔ)能盤(pán)之間保持一定的摩擦系數(shù)。其系數(shù)不能太小，否則容易失效。同時(shí)，對(duì)零件表面光潔度要求較為嚴(yán)格，因此此種方式使用范圍較小。

2.3 單向軸承方式的儲(chǔ)能過(guò)程保持

此方式是將單向軸承安裝到軸承套內(nèi)（見(jiàn)圖3），再將軸承套固定在機(jī)構(gòu)側(cè)板上，最后將儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的齒輪軸或鏈輪軸穿過(guò)單向軸承，通過(guò)單向軸承自身的單向功能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的單向傳動(dòng)。

圖3 單向軸承方式儲(chǔ)能保持示意圖

此種方式的優(yōu)點(diǎn)是：儲(chǔ)能無(wú)噪音、零件標(biāo)準(zhǔn)化程度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、空間占用小、無(wú)回退。缺點(diǎn)是：對(duì)與之配合的儲(chǔ)能軸的精度和強(qiáng)度要求高、機(jī)械強(qiáng)度低、可靠性稍差、損壞后機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能卡死狀態(tài)不易消除，不易維護(hù)。

此種方式一般使用在儲(chǔ)能環(huán)節(jié)大于2級(jí)齒輪傳動(dòng)的環(huán)節(jié)上，為減小單向軸承的負(fù)載扭矩，單向軸承一般用于一級(jí)傳動(dòng)齒輪軸上。工況要求較高，要求在密閉、潤(rùn)滑良好且污垢較少的工況下，扭矩傳遞要求較平穩(wěn)，載荷不大，受力變化幅度要求不是很大，以延長(zhǎng)其使用壽命。適用范圍有一定局限性。

2.4 超越離合器方式的儲(chǔ)能過(guò)程保持

此方式在功能上類(lèi)似于單向軸承（見(jiàn)圖4），但這種超越離合器一般直接使用在驅(qū)動(dòng)合閘彈簧儲(chǔ)能的儲(chǔ)能軸上，超越離合器的外圈固定在機(jī)構(gòu)側(cè)板上，內(nèi)圈固接在儲(chǔ)能軸上。同樣采用齒輪或鏈輪傳動(dòng)方式帶動(dòng)超越離合器內(nèi)圈單向轉(zhuǎn)動(dòng)，反向保持[2]。

圖4 超越離合器方式儲(chǔ)能保持示意

一般彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)合閘后，合閘彈簧會(huì)在初始位置反復(fù)震動(dòng)，最終歸于初始位置，這樣對(duì)儲(chǔ)能簧的壽命會(huì)有一定的影響。而使用這種方式的彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，其合閘后合閘簧會(huì)運(yùn)動(dòng)到儲(chǔ)能方向擺動(dòng)幅值最大的位置保持，從而減小下一次儲(chǔ)能手柄提供扭矩的圈數(shù)，對(duì)于電動(dòng)則減小電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)動(dòng)的圈數(shù)。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：儲(chǔ)能無(wú)噪音，可靠性高，無(wú)回退，扭矩傳遞能承受一定的沖擊，載荷大，減少手動(dòng)帶負(fù)載操作的儲(chǔ)能次數(shù)。缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、組裝工藝復(fù)雜且要求較高、工況要求較高，要求在密閉、潤(rùn)滑良好且污垢較少的工況下，體積大、加工精度高，機(jī)械強(qiáng)度高、適用性較差。

3 結(jié)束語(yǔ)

手動(dòng)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)能過(guò)程保持種類(lèi)較多，各有特點(diǎn)，使用方法和適用環(huán)境也各不相同，在儲(chǔ)能過(guò)程保持的設(shè)計(jì)中可根據(jù)手動(dòng)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的布局特點(diǎn)、傳動(dòng)環(huán)節(jié)的特點(diǎn)、使用工況的不同以及加工單位自身工藝水平高低，以及產(chǎn)品的定位等方面，綜合考慮選擇合適的設(shè)計(jì)方案。

[1]姚受田.多功能的雙爪棘輪機(jī)構(gòu)[J].礦山機(jī)械，1995（02）：39.

[2]王建偉，張素寧.三種單向自動(dòng)離合器特性及使用分析[J].移動(dòng)電源與車(chē)輛，1999（04）：2.

The Energy Storage Process Holding Ways of the Spring Operating Mechanism

MU Bei-bei，YUAN Ping-ding
（XuJi Electric Co.，Ltd.，Xuchang Henan 461000，China）

Spring operating mechanism is a kind of mechanical actuator with spring as energy storage element，and uses energy released by stored energy spring as the driving force to achieve the closing operation of the mechanism. In this paper，the four kinds of energy storage process holding ways used in energy storage process of spring operating mechanism are analyzed，and their characteristics and the usage contexts are introduced，providing the basis for energy storage process holding design of the spring operating mechanism.

spring operating mechanism；energy storage process holding ways；characteristics

TM561

：A

：1672-545X（2017）01-0019-02

2016-10-20

穆貝貝（1989-），男，河南周口人，助理工程師，本科，從事開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工作。