CN104241042A - 利用波的轴向非直线传播减弱操动机构振动的结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用波的轴向非直线传播减弱操动机构振动的结构及方法，采用阻尼材料制成的具有轴向曲折结构的轴对称连接件，其作用是减弱断路器操动机构动作所产生振动的影响和振动能量的传播；通过在操动机构中振动波传播路径上的某些位置添加阻尼材料制成的具有轴向曲折结构的轴对称连接件来改变振动波的传播路径，使得在其中传播的振动波同时具有沿轴向和径向传播的路径。该曲折结构还通过增加振动波的折、反射来进一步削弱振动强度、吸收振动能量。并且，阻尼材料与轴对称连接件曲折结构的组合使用，延长了振动波的传播路径，使得阻尼材料对振动波能量的消耗进一步增强。

Description

利用波的轴向非直线传播减弱操动机构振动的结构及方法

技术领域

本发明属于输变电设备技术领域，具体涉及一种减弱断路器操动机构振动的结构及方法。 

背景技术

断路器是电力系统中极其重要的控制设备，其被广泛应用于开合正常状态下的工作电流和故障状态下的过载、短路电流等。断路器能否按照系统要求及时、准确的实现开合操作，对于电力系统的安全、稳定运行具有至关重要的作用。断路器的开合操作通常是由特定的操动机构带动主导电回路中的动触头动作来实现的，操动机构由储能单元、控制单元和传动单元等组成，常见的操动机构主要有弹簧机构、气动机构和液压机构等。 

操动机构动作的目的是将储能单元储存的能量通过传动单元传递给动触头以实现开合。但是，在其动作过程中，除了带动动触头动作以实现开合，相当一部分能量被消耗在动静触头等断路器本体、操动机构和断路器支座等部件的振动上，并通过断路器及操动机构的支座传导损失掉。这种断路器本体、操动机构及其支座的剧烈振动常常会导致断路器开断性能和寿命的劣化，其影响主要表现为：1)上述振动可能引起断路器动静触头间产生轴向或径向的高频振动，加剧触头材料的磨损，这将进一步导致断路器寿命的降低；2)上述振动可能导致断路器环氧绝缘零件的机械强度降低，引起绝缘拉杆中高分子材料等部件的疲劳甚至断裂，导致断路器不能按照系统要求实现开合；3)上述振动可能导致断路器灭弧室内部、操动机构本体及机构箱内部、操动机构箱与断路器本体之间等不同位置处紧固件的松动，而上述位置处的紧固件松动极有可能引起断路器失效；4)上述振动也可能引起操作机构箱内二次零部件寿命下降及控制连接线的松动和误动作等，从而造成断路器无法正常工作。上述问题都给断路器的正常使用埋下了安全隐患。因此，在保证断路器及时、准确动作的前提下，采取合理的措施减弱操动机构 动作所产生振动的影响以及振动能量的传播过程，有利于提高断路器的开断性能以及延长其寿命。 

发明内容

本发明的目的在于提供利用波的轴向非直线传播减弱操动机构振动的结构及方法，以减弱断路器操动机构动作所产生振动的影响和振动能量传播过程。 

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 

利用波的轴向非直线传播减弱操动机构振动的结构，包括横梁、方板、连接件、传动杆、开关支柱、操动机构储能单元和缓冲连接件；横梁固定在开关支柱上；方板固定在横梁上；由操动机构储能单元驱动的传动杆穿过横梁和方板；操动机构储能单元与方板之间通过相互连接的连接件和缓冲连接件连接；所述缓冲连接件由阻尼材料制成，具有轴向曲折结构。 

优选的，缓冲连接件为轴对称结构，其由三部分组成：第一环、第二环、第一环与第二环的连接部分；第一环固定连接连接件；第二环固定连接方板；第一环、第二环和连接部分同轴，中心均设有供传动杆运动通过的通孔。 

优选的，第一环、第二环和连接部分为一体式结构。 

优选的，连接部分为筒状结构或由若干中心对称的柱形结构组成。 

优选的，第一环上中心对称设置4、6或8个孔；第二环上中心对称设置有与第一环上数量相等的孔；第一环通过螺栓穿过其上开设的孔与圆筒状连接件固定连接；第二环通过螺栓穿过其上开设的孔与方板固定连接。 

优选的，第一环上的孔包括中心对称的第一孔和第二孔，第二环上的孔包括中心对称的第三孔和第四孔；第一环的宽度为r，第二环的宽度为R，R＞r；第一孔到第一环内壁的宽度为r1，第三孔到第二环内壁的宽度为R1；连接部分为圆筒状，其壁厚为s，高度为h；其中， 

$\frac{R}{2}\&le;r\&le;R,R1=\frac{3}{4}R,r1=\frac{3}{4}r,0<\frac{R-r}{h}<1,\frac{r}{3}<s<\frac{r}{2}.$

利用波的轴向非直线传播减弱操动机构振动的方法，在断路器操动机构中振动波传播路径上添加阻尼材料制成的具有轴向曲折结构的轴对称缓冲连接件，改变振动波的轴向传播路径，使得操动机构动作过程中产生的振动波既有沿轴向传播的路径，又有沿径向传播的路径，增加了振动波沿其径向传播的路径，以减弱断路器操动机构动作所产生振动的影响和振动能量传播过程。 

优选的，所述阻尼材料为铝合金材料、铜合金材料、碳材料或有机材料。 

优选的，当振动波在缓冲连接件及其相邻部件间传播时，其进行折射、反射的同时使得振动能量的幅值降低、振动能谱的有效频率范围收窄。 

本发明的特征在于： 

1、提出了通过增加振动波的轴向非直线传播路径来增强其振动能量损耗、减弱断路器操动机构动作所产生振动影响的方法。相对于振动波单纯沿操动机构的轴向传播而言，增加了其沿操动机构径向传播的路径，其作用在于： 

1)当振动波沿轴对称连接件径向传播时，增加了其以横波形式传播的途径，增强了其振动能量损耗，减弱了断路器操动机构动作所产生振动的影响。在目前常见的操动机构中(如图1所示)，振动波主要是沿着操动机构本体及其与动触头连接的传动件等部件的轴向以纵波的形式传播。为了进一步减弱振动波的能量并削弱其振动能量的传播过程，在本发明中设计了具有轴向曲折结构的合金材料阻尼连接件，在其结构中增加了振动波以横波形式沿径向传播的途径，这样振动波在阻尼材料连接件中传播时的能量损耗也相应增强，达到减弱振动强度的目的。 

2)利用振动波的折、反射来削弱振动强度、减小振动能谱的有效频率范围、减弱断路器操动机构动作所产生振动的影响。通过在断路器操动机构中振动波的传播路径上添加阻尼材料 制成的具有轴向曲折结构的连接件，在该阻尼材料连接件和与其连接的操动机构其他部件的分界面处，振动波会发生折射，其作用在于：一方面，振动波在折射过程中会消耗掉一部分振动能量，减弱振动的强度和影响；另一方面，振动波的折射过程使得振动能谱的有效频率范围减小、幅值降低，振动能谱的这种变化更有利于减弱振动的影响。同时，在该具有轴向曲折结构的轴对称连接件中波的传播路径发生转折的位置，振动波易于发生多次往复式反射，这等同于增加了波在该连接件内部的传播路径，增强了阻尼材料对振动能量的消耗。由此可见，通过合理设计该阻尼材料连接件的曲折结构，尽可能增加振动波的折反射过程、消耗振动波的能量并改善其能谱分布，亦可减弱操动机构振动的影响。 

2、提出了采用阻尼材料(典型的如铝合金材料、铜合金材料、碳材料和有机材料等)来制造该具有曲折结构的轴对称连接件，而非通常所见的钢材。采用阻尼材料来制造该具有曲折结构的连接件，具有如下作用： 

1)当振动波在其中传播时，因为振动波在材料内部传播时引起的材料微观晶粒的相互运动等原因，相当一部分机械振动能量被消耗掉，转化为材料的内能，导致振动波经过阻尼材料传播后的振动强度降低。 

2)当采用阻尼材料制成的轴对称连接件具有前述的曲折结构时，使得振动波在其中传播时的传播路径加长，材料阻尼特性对振动波能量的消耗作用进一步增强。 

本发明采用阻尼材料制成的具有轴向曲折结构的轴对称连接件，其作用是减弱断路器操动机构动作所产生振动的影响和振动能量的传播。通过在操动机构中振动波传播路径上的某些位置添加阻尼材料制成的具有轴向曲折结构的轴对称连接件来改变振动波的传播路径，使得在其中传播的振动波同时具有沿轴向和径向传播的路径。该曲折结构还通过增加振动波的折、反射来进一步削弱振动强度、减小振动能谱的有效频率范围。并且，阻尼材料与轴对称连接件曲折结构的组合使用，延长了振动波的传播路径，使得阻尼材料对振动波能量的消耗进一步增强。 采用本发明后，可将操动机构动作产生振动的影响减弱30％-50％，其振动能谱的有效频率范围从4-21kHz减小为8-10kHz，其它频段的振动被有效抑制。该发明能够明显减弱操动机构动作所产生的振动对断路器性能和寿命的影响并尽可能减弱振动能量的传播。 

相对于现有技术，本发明的有益效果是：通过采用阻尼材料制成的具有轴向曲折结构的轴对称连接件，增强了振动波在其中传播时的能量损耗，有效减弱了操动机构动作所产生的振动对断路器本体、操动机构及其连接部件等的影响并限制了振动能量的传播过程，有效抑制了操动机构动作产生的振动所导致的断路器动静触头间的高频振动、绝缘拉杆的疲劳和断裂、断路器其他构件及其连接部件的松动等问题。 

附图说明

图1是目前常见的断路器操动机构元件布置图； 

图2是添加阻尼材料制成的轴向曲折结构连接件的断路器操动机构元件布置图； 

图3是具有轴向曲折结构的轴对称阻尼材料连接件结构图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。 

请参阅图1所示，为目前常见的断路器操动机构元件布置形式，其中，1为支持操动机构用横梁；2为固定操动机构用方板，其通过螺栓固定在横梁1上，材质通常为钢板；3为连接操动机构储能单元的连接件，其通过螺栓直接连接在方板2上；4为操动机构的传动杆，其上端连接灭弧室内的动触头；5为开关支柱，用于固定支撑横梁1；6为操动机构储能单元，具体可能为弹簧、气动或液压机理的储能装置。储能单元6动作后产生的振动波主要是沿着操动机构本体3及其与动触头连接的传动件4等部件的轴向传播，到达钢制方板2后，通过连接螺栓传播到横梁1、再沿横梁方向传播到机构箱等部件上。在这种连接结构中，钢制方板2为普通的平板结构，仅起悬挂或固定液压机构的作用。 

本发明技术方案详细阐述： 

在上述振动波的传播路径上，添加阻尼材料制成的缓冲连接件7。如图2所示，在方板2与连接件3之间添加阻尼材料制成的缓冲连接件7(图2中阴影所示)，操动机构储能单元6动作产生的振动波通过连接件3传播到缓冲件7，而后再传播到方板2，进而传播到横梁1、开关支柱5和开关本体上。按照本发明提供的方法，合理设计阻尼材料缓冲连接件7的结构，即可改变振动波的传播路径，达到减振的目的。 

本发明中的阻尼材料是指具有阻尼特性的材料，该阻尼特性能够消耗外界的机械振动能量，达到减振降噪的作用。典型的阻尼材料有铝合金材料、铜合金材料、碳材料和有机材料等，本发明中所指的阻尼材料包括但不限于前述的典型阻尼材料。 

通常情况下，振动波主要是沿着操动机构本体(图1中连接件3和储能单元6等)及其与动触头连接的传动件(图1中传动杆4)等部件的轴向以纵波的形式传播。为了进一步削弱振动波的强度并消耗其能量，本发明中增加了振动波以横波形式传播的途径，具体体现在阻尼材料缓冲连接件7的形状上。 

图3所示即为具有轴向曲折结构的阻尼材料缓冲连接件7的一种典型结构(对称轴如图3中OO¹所示)，图中阻尼材料缓冲连接件7为轴对称结构，其由三部分组成：宽度为r的第一环71、宽度为R的第二环72、第一环71与第二环72的连接部分73(图3中为筒状结构，内孔半径为d，筒壁厚度为s，高度为h，实际中亦可采用其它能够承受支承力的结构形式)，三者在制造时即铸为一体。其通过螺栓穿过第一环71上的孔a、b与图2中连接件3连接，通过螺栓穿过第二环72上的孔A、B与图2中方板2连接。第一环71、第二环72和连接部分73同轴，中心均具有半径为d的通孔，以供传动杆4穿过。其中， $\frac{R}{2}\&le;r\&le;R,R1=\frac{3}{4}R,r1=\frac{3}{4}r,$ $0<\frac{R-r}{h}<1,\frac{r}{3}<s<\frac{r}{2}.$

此时，振动波通过图2中连接件3和螺栓传播到阻尼材料连接件的第一环71上的孔a处， 沿图3中箭头方向通过筒状连接部分73传播到阻尼材料连接件的第二环72上的孔A处(沿路径aC——CD——DA)，而后再通过螺栓传播到图2中方板2上。当振动波沿图3中第一环71和第二环72的径向传播时，增加了其以横波形式传播的途径；在该阻尼材料缓冲连接件7与操动机构其它部件2、3的分界面上，也会发生振动波的折射。并且，通过改变阻尼材料缓冲连接件7上第一环71和第二环72尺寸r、R的不同配置，其折射性能也会发生变化。当振动波通过图2中连接件3向上传播，到达第一环71上孔a、b处的螺栓后，转为沿环的径向传播，在该转折点处振动波会发生多次往复式反射。同理，在轴向曲折结构阻尼材料连接件7的内筒壁面C处、第二环72上部表面D处、第二环72上孔A、B的螺栓处，波的传播方向也会发生变化，在这些转折点处振动波也会发生多次往复式反射，这等同于增加了波在该连接件内部的传播路径，增强了阻尼材料对振动能量的消耗。在上述振动波的传播和折、反射过程中，都会逐渐消耗振动能量、减弱振动强度，进一步优化振动能谱的分布。 

由此可见，当振动波在图3所示的阻尼材料缓冲连接件中传播时，传播路径发生了明显改变，其既可以以横波形式传播，也可以以纵波形式传播，可以进一步消耗机械振动的能量；同时，振动波在该具有曲折结构的阻尼材料缓冲连接件及其相邻部件间传播时，其折、反射过程也是消耗振动能量、减弱振动强度的重要手段，其使得振动强度降低、振动能谱的有效频率范围减小，这都是减弱断路器操动机构动作所产生振动影响的有效方法。采用这些方法时的振动效果与图1中不添加阻尼材料缓冲连接件时的情况明显不同。采用本发明后，可将操动机构动作产生振动的影响减弱30％-50％，其振动能谱的有效频率范围从4-21kHz减小为8-10kHz，其它频段的振动被有效抑制。 

综上所述，在断路器操动机构中振动波的传播路径上，通过添加阻尼材料制成的具有轴向曲折结构的轴对称缓冲连接件，增加了振动波以横波形式传播的路径，同时也增加了振动波在阻尼材料内部及不同材料部件间传播时的折、反射过程。上述设计能够明显减弱断路器操动机 构动作所产生的振动对断路器性能和寿命的影响并尽可能减弱振动能量的传播，可以有效抑制操动机构动作产生的振动所导致的断路器动静触头间的高频振动、绝缘拉杆的疲劳和断裂、断路器其他构件及其连接部件的松动等问题。 

上面通过特别的实施例内容描述了本发明，但是本领域技术人员还可意识到变型和可选的实施例的多种可能性，例如，阻尼材料缓冲连接件轴向曲折结构的不同形式、第一环71和第二环72的连接部件73的不同结构形式等。因此，可以理解的是这些变型和可选的实施例将被认为是包括在本发明中，本发明的范围仅仅被附上的专利权利要求书及其同等物限制。 

Claims (9)

1.利用波的轴向非直线传播减弱操动机构振动的结构，其特征在于，包括横梁(1)、方板(2)、连接件(3)、传动杆(4)、开关支柱(5)、操动机构储能单元(6)和缓冲连接件(7)；横梁(1)固定在开关支柱(5)上；方板(2)固定在横梁(1)上；由操动机构储能单元(6)驱动的传动杆(4)穿过横梁(1)和方板(2)；操动机构储能单元(6)与方板(2)之间通过相互连接的连接件(3)和缓冲连接件(7)连接；所述缓冲连接件(7)由阻尼材料制成，具有轴向曲折结构。

2.根据权利要求1所述的利用波的轴向非直线传播减弱操动机构振动的结构，其特征在于，缓冲连接件(7)为轴对称结构，其由三部分组成：第一环(71)、第二环(72)、第一环(71)与第二环(72)的连接部分(73)；第一环(71)固定连接连接件(3)；第二环(72)固定连接方板(2)；第一环(71)、第二环(72)和连接部分(73)同轴，中心均设有供传动杆(4)运动通过的通孔。

3.根据权利要求2所述的利用波的轴向非直线传播减弱操动机构振动的结构，其特征在于，第一环(71)、第二环(72)和连接部分(73)为一体式结构。

4.根据权利要求2所述的利用波的轴向非直线传播减弱操动机构振动的结构，其特征在于，连接部分(73)为筒状结构或由若干中心对称的柱形结构组成。

5.根据权利要求2所述的利用波的轴向非直线传播减弱操动机构振动的结构，其特征在于，第一环(71)上中心对称设置4、6或8个孔；第二环(72)上中心对称设置有与第一环(71)上数量相等的孔；第一环(71)通过螺栓穿过其上开设的孔与圆筒状连接件(3)固定连接；第二环(72)通过螺栓穿过其上开设的孔与方板(2)固定连接。

6.根据权利要求5所述的利用波的轴向非直线传播减弱操动机构振动的结构，其特征在于，第一环(71)的宽度为r，第二环(72)的宽度为R，R＞r；第一环(71)上的孔包括中心对称的第一孔(a)和第二孔(b)，第二环(72)上的孔包括中心对称的第三孔(A)和第四孔(B)；第一孔(a)到第一环(71)内壁的宽度为r1，第三孔(A)到第二环(72)内壁的宽度为R1；连接部分(73)为圆筒状，其壁厚为s，高度为h；其中， $r1=\frac{3}{4}r,0<\frac{R-r}{h}<1,\frac{r}{3}<s<\frac{r}{2}.$

7.利用波的轴向非直线传播减弱操动机构振动的方法，其特征在于，在断路器操动机构中振动波传播路径上添加阻尼材料制成的具有轴向曲折结构的轴对称缓冲连接件，改变振动波的轴向传播路径，使得操动机构动作过程中产生的振动波既有沿轴向传播的路径，又有沿径向传播的路径，增加了振动波沿其径向传播的路径，以减弱断路器操动机构动作所产生振动的影响和振动能量传播过程。

8.根据权利要求1所述的利用波的轴向非直线传播减弱操动机构振动的方法，其特征在于，所述阻尼材料为铝合金材料、铜合金材料、碳材料或有机材料。

9.根据权利要求1所述的利用波的轴向非直线传播减弱操动机构振动的方法，其特征在于，当振动波在缓冲连接件及其相邻部件间传播时，其进行折射、反射的同时使得振动能量的幅值降低、振动能谱的有效频率范围收窄。