摘 要：

針對智慧小型斷路器，繪制機構運動簡圖，并調(diào)整操作機構四連桿尺寸，分析操作機構的運動軌跡。結合靜力學分析操作機構在某些狀態(tài)位置的受力情況，計算智慧小型斷路器觸頭參數(shù)（開距、超程、終壓力、驅動單元力），為其操作機構的設計與分析提供一種新的方向。

關鍵詞：

智慧小型斷路器; 操作機構; 靜力學分析; 觸頭參數(shù)

中圖分類號： TM561

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）07-0050-04

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.07.007

Design and Analysis on Operating Mechanism of Smart Miniature Circuit Breakers

Abstract：

For smart miniature circuit breakers，a schematic diagram of the mechanism motion is drawed，the size of the four connecting rods of the operating mechanism is adjusted， and the motion trajectory of the operating mechanism is analyzed.Combined with the static analysis to analyze the force situation of the operating mechanism at certain steady-state positions，the contact parameters of the smart miniature circuit breaker （opening distance，overtravel，final pressure，driving unit force） are calculated，which provides a new design direction for the design and analysis of the operating mechanism of smart miniature circuit breakers.

Key words：

smart miniature circuit breaker; operating mechanism; static analysis; contact parameter

0 引 言

智慧小型斷路器被廣泛應用于工業(yè)、民用等領域的終端配電系統(tǒng)及新能源、通信等新興行業(yè)。隨著科技持續(xù)發(fā)展，對智慧小型斷路器的要求越來越高。

與傳統(tǒng)斷路器一樣，智慧小型斷路器操作機構聯(lián)動著觸頭系統(tǒng)，通過運動實現(xiàn)對電路的開斷和閉合操作。操作機構作為開合操作最重要的執(zhí)行元器件［1］，在斷路器中起到至關重要的作用。

本文主要通過對操作機構四連桿運動簡圖的繪制，分析智慧小型斷路器在不同狀態(tài)時的受力情況，并計算出觸頭的開距、超程、終壓力、驅動單元力等參數(shù)。這對現(xiàn)有智慧小型斷路器操作機構的優(yōu)化及全新機構的設計具有重要的參考意義。

1 操作機構的結構分析

智慧小型斷路器的操作執(zhí)行機構實質(zhì)上是一種平面連桿機構。智慧小型斷路器在分閘、合閘位置會形成平面四連桿機構，脫扣位置由四連桿機構通過脫扣機構變成五連桿機構［2］。

操作機構示意圖如圖1所示。其由手柄、連桿、滑塊1、套管、驅動單元、推桿、滑塊2、滑塊3、觸頭支架、動觸頭、靜觸頭、手柄扭簧、機構復位簧、觸頭扭簧、脫扣復位簧及軸組成。

產(chǎn)品分閘狀態(tài)簡圖如圖2所示;產(chǎn)品合閘狀態(tài)簡圖［3］如圖3所示。由圖2和圖3可知，影響產(chǎn)品總行程的因素主要有以下4點：① 手柄分合閘的旋轉角度;② 四連桿的尺寸;③ 動觸頭力臂長度;④ 驅動單元行程。

在智慧小型斷路器操作機構設計中，觸頭的開距、超程以及終壓力對產(chǎn)品性能起到重要作用。觸頭參數(shù)是提升產(chǎn)品質(zhì)量性能的基礎［4］，因此優(yōu)化四連桿尺寸設計是保證產(chǎn)品性能的前提。

分閘過程（手動）：分閘時手柄在外力的作用下向左推動，手柄逆時針轉動，由于套管和滑塊1被滑塊2鎖住，所以連桿拉動觸頭支架逆時針轉動，帶動動觸頭向分閘位置運動，同時驅動單元向左運動到達釋放位置時，滑塊3和推桿在機構復位簧的作用下回到初始位置，手柄在外力的作用下回到起始位置，如圖2。

分閘過程（電動）：分閘時驅動單元在電力的作用下向左運動，由于套管和滑塊1被滑塊2鎖住，所以在驅動單元向左運動的同時帶動套管、滑塊1、連桿及手柄一起運動，滑塊3和推桿在機構復位簧作用下回到初始位置，同時滑塊3拉動觸頭支架逆時針轉動，帶動動觸頭向分閘位置運動，如圖2。

合閘過程（手動）：合閘時手柄在外力的作用下向右推動，手柄順時針轉動，由于套管和滑塊1被滑塊2鎖住，所以連桿推動觸頭支架順時針轉動，帶動動觸頭向合閘位置運動，同時驅動單元和推桿及滑塊3向右運動到達驅動單元吸合位置，直到機構完成閉合過程。當機構合閘時，動觸頭通過觸頭扭簧壓在觸頭支架上，觸頭扭簧對動觸頭的扭矩與靜觸頭對動觸頭的觸頭壓力大小相等，方向相反，如圖3。

合閘過程（電動）：合閘時驅動單元在電力的作用下向右運動，由于套管和滑塊1被滑塊2鎖住，所以驅動單元向右運動帶動套管、滑塊1、連桿、手柄、滑塊3及推桿一起運動，同時滑塊3拉動觸頭支架順時針轉動，帶動動觸頭向合閘位置運動，推桿在驅動單元的作用下到達吸合位置，直到機構完成閉合過程。當機構合閘時，動觸頭通過觸頭扭簧壓在觸頭支架上，觸頭扭簧對動觸頭的扭矩與靜觸頭對動觸頭的觸頭壓力大小相等，方向相反，如圖3。

脫扣過程：脫扣是因故障電流使被鎖住的機構解鎖，四連桿機構被打斷，操作機構迅速分閘脫扣的過程?；瑝K2受到故障電流而產(chǎn)生向下運動的力，滑塊2聯(lián)動套管，同時打斷推桿向下運動使套管與滑塊1解鎖。此時手柄在手柄扭簧的作用下回到起始位置，滑塊3和推桿在機構復位簧的作用下回到初始位置，同時滑塊3拉動觸頭支架逆時針轉動，帶動動觸頭向分閘位置運動，如圖2。

2 機構靜力學分析計算

當產(chǎn)品處于完全合閘穩(wěn)態(tài)狀態(tài)時，對操作機構的各項受力情況進行分析［5-9］，其中M為扭矩。

產(chǎn)品因故障電流需使機構解鎖時，以滑塊2為研究對象，對操作機構的脫扣受力情況進行分析，可得：

F脫扣力=μ套管·Fn1＋2μ推桿·Fn2（5）

Fn1=F滑塊1，F(xiàn)n2=F推桿（6）

式中： F脫扣力——操作機構脫扣力值;

μ套管——套管與滑塊1的摩擦系數(shù);

Fn1——套管正壓力力值;

μ推桿——推桿脫扣間的摩擦系數(shù);

Fn2——推桿正壓力力值。

參數(shù)F終壓力、F機構復位簧、F手柄彈簧可根據(jù)設計需求進行初步規(guī)定，參數(shù)L終壓力、L觸頭扭簧、L推桿、L機構復位簧、L手柄彈簧、L連桿可根據(jù)確認四連桿尺寸獲得，其余參數(shù)由以上公式計算得出。

初步理論設計F終壓力=5 N，F(xiàn)機構復位簧=7.5 N，F(xiàn)手柄彈簧=2 N。

一般傳統(tǒng)小型斷路器的操作機構總行程約為7 mm。為提升智慧小型斷路器的各項性能，在不改變手柄分合閘旋轉角度的條件下，通過優(yōu)化四連桿尺寸，可將操作機構總行程調(diào)整到約9.5 mm。

根據(jù)靜力學以及設計尺寸，可理論計算得出M觸頭扭簧=72 N·mm，F(xiàn)觸頭扭簧=14 N，F(xiàn)推桿=15.25 N，F(xiàn)連桿=2 N。

3 尺寸鏈敏感度結果分析

為確保設計的可靠性，考慮到各零件形狀和尺寸公差的差異，所選用的材料及工藝也有所不同。以圖3中手柄、連桿、滑塊1、套管、驅動單元、滑塊2、推桿、滑塊3、觸頭支架和動觸頭為設計變量，進行敏感度分析。零件尺寸敏感度分析如表1所示。

由表1可知，在操作機構的各參數(shù)變量中，機構各桿長及公差對操作機構的可靠性影響較大。減小操作機構各參數(shù)公差可使操作機構運動更可靠，但操作機構各參數(shù)公差越小，零件的加工制造難度會越大，對工藝要求也越高。因此，結合表1，合理限定關鍵機構參數(shù)公差，同時在合理的材料工藝成本下減小機構各公差以提高操作機構的動作可靠性。

本文操作機構在故障脫扣時（短路或過載），機構需要復位到初始狀態(tài)。因在尺寸敏感度分析中沒有體現(xiàn)脫扣狀態(tài)，特加強說明需注意控制驅動單元復位行程，在復位行程結束后，確?？刂铺淄才c滑塊1中尺寸及相關零件的公差。

4 試驗驗證

本設計方案中，已完成工程軟模小批量階段，為對比分析，進行實物測試，共測試5臺樣機。參數(shù)測試數(shù)據(jù)如表2所示。

由于零件尺寸公差和測量誤差的存在，測試數(shù)據(jù)在一定的范圍波動，根據(jù)本次測試結果的平均值可知，實物測試數(shù)據(jù)和前期設計符合要求。

5 注意事項

本文從機械靜力學角度，根據(jù)操作機構的分閘、合閘、脫扣狀態(tài)，分析機構的受力情況，給出了智慧微型斷路器的關鍵參數(shù)（觸頭開距、觸頭終壓力、觸頭扭簧力、推桿推力）的計算方法，并得出如下經(jīng)驗：

（1） 觸頭壓力與扭簧的扭力成正相關。

（2） 手柄操作力矩大小受手柄彈簧、觸頭扭簧、機構復位簧影響，彈簧力越大，操作力矩就越大。

（3） 智能驅動單元的驅動力約大于推桿推力的130%較合理，即F驅動單元≥1.3F推桿≈19.8 N;

（4） 脫扣力、鎖緊力主要受觸頭扭簧、機構復位簧、手柄彈簧及脫扣之間的摩擦系數(shù)影響。

（5） 實際驅動產(chǎn)品的脫扣力還應考慮機構運動，即零件間產(chǎn)生的沖力，故實際驅動產(chǎn)品的脫扣力＞1.3F脫扣力較合理。

（6） 結合尺寸鏈分析及實物制造工藝，所設計方案應加強對連桿、滑塊1、驅動單元、觸頭支架尺寸和性能指標的控制。

6 結 語

本文簡述了智慧小型斷路器操作機構的受力情況，通過對傳統(tǒng)斷路器操作機構四連桿的全新設計和靜力學計算，得出了操作機構的合閘力拒和各構件相互之間的作用力。

通過對操作機構四連桿進行尺寸調(diào)整獲得各項操作機構的觸頭參數(shù)，反向推導操作機構中各構件間的關鍵尺寸，以確定是否滿足不同條件下的產(chǎn)品性能需求。

【參 考 文 獻】

［1］ 陳德桂， 劉慶江， 康艷.塑殼斷路器操作機構分斷速度的影響因素［J］.低壓電器，2005（12）：9-12.

［2］ 張良程.低壓微型斷路器的機構分析［J］.科技與創(chuàng)新，2015（19）：112.

［3］ 范承勇.真空斷路器傳動系統(tǒng)中配重對合/分閘機械特性的影響［J］.電工電氣，2010（6）：28-30.

［4］ 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.

［5］ 潘慶元.小型斷路器操作機構的運動及靜力分析［J］.電器與能效管理技術，2018（14）：7-12.

［6］ 連理枝.低壓斷路器設計與制造［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［7］ 周茂祥.低壓電器設計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1992.

［8］ 張策.機械原理與機械設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［9］ 陳文華， 張文， 潘駿， 等.小型斷路器操作機構的動作可靠性分析［J］.中國機械工程，2015，26（21）：2918-2922.