CN104779092B - 利用波的径向非直线传播减弱操动机构振动的结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用波的径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径向曲折结构的中心对称连接件，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径向曲折结构的中心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具有沿环向传播的路径。该曲折结构还通过形成驻波、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，阻尼材料与中心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
【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。
请参阅图1所示，在目前常见的断路器操动机构中，储能单元6动作后产生的振动波主要是沿着操动机构连接件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开关支座5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，仅起悬挂和固定操动机构的作用。
【发明内容】
本发明专利提出了一种利用波的径向非直线传播减弱操动机构振动的结构及方法，以解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
利用波的径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、开关支座、操动机构储能单元和缓冲连接件；横梁固定在开关支座上；方板固定在横梁上；操动机构储能单元依次通过连接件、缓冲连接件连接方板；由操动机构储能单元驱动的传动杆穿过缓冲连接件、横梁和方板；所述缓冲连接件由阻尼材料制成，为具有径向曲折结构的中心对称连接件。
优选的，所述缓冲连接件包括：宽度为r1的内环、宽度为r2的外环、内环与外环间宽度为h的若干连接辐条；内环、外环、连接辐条三者为一体式结构；内环、外环上的开孔数相等，开孔等距均匀分布在内环、外环的圆周上，内环和外环间的连接辐条数等于开孔数n且相邻辐条间的夹角相等，均为连接件通过内环上的开孔连接缓冲连接件；缓冲连接件通过外环上的开孔连接方板。
优选的，内环、外环上对应开孔的连线位于相邻辐条间的角平分线上，且开孔数3≦n≦8。
优选的，r2<r3<2r2，r1<r3，h＝r3；其中r3为连接辐条的长度。
优选的，操动机构工作时，振动波通过连接件和螺栓传播到缓冲连接件的内环上的开孔处，在内环上任意2开孔间的1/n圆周上，振动波主要沿环向相向传播，到达连接辐条的内端头位置后，通过连接辐条传播到缓冲连接件的外环上的连接辐条的外端头位置，在外环上的任意一个1/n圆周上，振动波沿环向相向传播，到达外环上的开孔处后再通过螺栓传播到方板上。
优选的，所述缓冲连接件包括内环、中环、外环、连接内环和中环的内辐条、连接中环和外环的外辐条；内环上开孔数n等于外环上开孔数且均匀等距分布在圆周上，内、外辐条数等于开孔数n且相互间夹角3≦n≦8；内辐条位于内环相邻开孔间的角平分线上；外辐条位于外环相邻开孔间的角平分线上；外辐条位于相邻内辐条间的角平分线上；内环、中环、外环、内辐条、外辐条五者为一体式结构。
优选的，缓冲连接件的材质为铝合金材料、铜合金材料、碳材料或有机材料。
优选的，所述缓冲连接件包括内环和外环，内环和外环之间设置有0至N个中环，N为正整数；相邻环体之间通过辐条连接；内环上开孔数n等于外环上开孔数且均匀等距分布在圆周上，相邻环体之间辐条数等于开孔数n且相互间夹角3≦n≦8；对于两个相邻的环体，连接内侧环与更内侧环间的辐条位于内侧环上相邻开孔间的角平分线上，连接内侧环与外侧环间的辐条位于外侧环上相邻开孔间的角平分线上，外侧辐条位于相邻内侧辐条间的角平分线上。
利用波的径向非直线传播减弱操动机构振动的方法，包括：操动机构工作时，振动波通过连接件和螺栓传播到缓冲连接件的内环上的开孔处，振动波在由内环至外环的传播过程中，在每个环体上沿环向相向传播，延长了波传播的路径，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。
利用波的径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径向曲折结构的中心对称连接件来改变振动波的径向传播路径；使得在其中传播的振动波并非简单的沿其径向直线传播，而是增加了振动波沿其环向传播的路径；同时，使得振动波满足驻波产生的条件，减弱了振动波向别处传播的强度。
本发明中，在断路器操动机构中振动波传播路径上的某些位置(如图2中7所示阴影位置)，添加阻尼材料(典型的如铝合金材料、铜合金材料、碳材料和有机材料等)制成的具有径向曲折结构的中心对称连接件来改变振动波的径向传播路径。该特殊结构的中心对称连接件的典型结构如图3所示，其具有明显的径向曲折结构，使得在其中传播的振动波并非简单的沿其半径方向直线传播，而是增加了振动波沿连接件环向传播的路径。通过利用振动波的径向非直线传播，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。
本发明的特征在于：
1、提出了通过增加振动波的径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径向直线传播而言，增加了其沿操动机构环向传播的路径，其作用在于：
1)振动波沿着具有径向曲折结构的中心对称连接件传播时，延长了波传播的路径，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)，振动波沿着操动机构连接件3传播到方板2内侧的连接螺栓，沿着方板径向向外传播，到达方板2外侧后通过与横梁1的连接螺栓传播到横梁上。为了进一步削弱振动波的能量，在本发明中设计了具有径向曲折结构的合金材料缓冲连接件，在其结构中增加了振动波沿缓冲连接件环向传播的途径，相比于图1中振动波沿方板径向直线传播的情况，延长了波传播的路径，使得振动波在阻尼材料缓冲连接件中传播时的能量损耗相应增强，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径向曲折结构的缓冲连接件，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拓宽、幅值降低、分布趋于更加均匀，振动能谱的这种变化更有利于减弱振动的影响。同时，在该具有径向曲折结构的中心对称连接件中波的传播路径发生转折的位置(如图3中a’点所示)，振动机械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。
3)通过合理设计“具有径向曲折结构的中心对称连接件”的结构，利用振动波的相对运动特性减振。如图3所示，当内环1上的螺栓连接点A、B、C、D和外环2上的螺栓连接点a、b、c、d在各自圆周上等距均匀布置且内、外环上的对应点(如A和a)的连线位于相邻辐条间的角平分线上时，从操动机构连接件3传播到A、B、C、D点的振动波沿内环1的环向传播，在任意两个螺栓连接点间的1/4圆周上，一方面，相对运动的振动波如果满足驻波形成的条件，则在该段区域内形成驻波，振动波不再向别处传播；另一方面，相对运动的振动波在相遇后，部分振动波分量之间还存在互相削弱的可能。即使经过上述两方面作用后仍能够通过辐条30、40、50、60传播到外环2上的振动波，在外环2上任意一个1/4圆周上(如a’b’间)，上述两种减振作用依然存在。
由此可见，通过合理设计该阻尼材料连接件的曲折结构，可以有效减弱振动波的能量，亦可阻断操动机构动作所产生振动波的部分分量的传播。本发明“采用具有径向曲折结构的缓冲连接件”减振的方法，主要是从径向和环向的维度上采取措施减振，使减振效果有效提高。
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中心对称连接件，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，导致经过阻尼材料传播后的振动波的振动强度降低。
2)当采用阻尼材料制成的中心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。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
通过采用阻尼材料制成的具有径向曲折结构的中心对称连接件，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。
对于阻尼材料而言，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，导致经过阻尼材料传播后的机械波振动强度降低。该曲折结构还通过形成驻波、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，阻尼材料与中心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。
【附图说明】
图1为常规断路器操动机构的元件布置图；
图2为本发明添加阻尼材料制成的径向曲折结构连接件的断路器操动机构元件布置图；
图3为第一种具有径向曲折结构的中心对称阻尼材料连接件结构图；
图4为第二种具有径向曲折结构的中心对称阻尼材料连接件结构图。
【具体实施方式】
目前常见的断路器操动机构元件布置图如图1所示，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为开关支座；6为操动机构的储能单元，具体可能为弹簧、气动或液压机理的储能装置。操动机构储能单元6动作产生的振动波沿连接件3向上传播到方板2，再通过横梁1传播到开关支座5等部件。
请参阅图2所示，本发明提出一种利用波的径向非直线传播减弱操动机构振动的结构，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)，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、开关支座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，振动波通过连接螺栓从连接件3传播到缓冲连接件7后，沿其径向向外传播，再通过外圈连接螺栓传播到方板2，进而传播到横梁1上。为了进一步削弱振动波的强度并消耗其能量，本发明提出了具有径向曲折结构的缓冲连接件，增加了振动波沿其环向传播的途径。
图3所示即为具有径向曲折结构的阻尼材料缓冲连接件7的一种典型结构，图中阻尼材料缓冲连接件为中心对称结构，其由三部分组成：宽度为r1的内环10、宽度为r2的外环20、内环10与外环20间宽度为h的连接辐条30、40、50、60，三者在制造时即铸为一体。
内环10上的4个开孔A、B、C、D和外环20上的4个开孔a、b、c、d在各自圆周上等距均匀布置，且连线aACc和bBDd位于辐条30、40、50、60间的角平分线上时，孔A、B、C、D用于缓冲连接件7与操动机构连接件3间的螺栓连接，孔a、b、c、d则用于缓冲连接件7与方板2间的螺栓连接。从操动机构连接件3传播到A、B、C、D点的振动波沿内环10的环向传播，在任意两个螺栓连接点间的1/4圆周上，一方面，相对运动的振动波如果满足驻波形成的条件，则在该段区域内形成驻波，振动波不再向别处传播；另一方面，相对运动的振动波在相遇后，部分分量之间还会相互削弱。即使经过上述两方面作用后仍能够通过辐条30、40、50、60传播到外环20上的振动波，在外环20上任意一个1/4圆周上(如a’b’、b’c’、c’d’、d’a’间)，上述两种减振作用依然存在，将会进一步削弱振动强度。
内环10、外环20上的开孔数相等且开孔数3≦n≦8，开孔应等距均匀分布在整个圆周上，内环10和外环20间的连接辐条数应等于开孔数n且相邻辐条间的夹角相等，均为内、外环上对应开孔(如A和a)的连线位于相邻辐条间的角平分线上，且r2<r3<2r2，r1<r3，h＝r3。
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内环10上的A、B、C、D处，在内环10上任意2点间的1/4圆周上，振动波主要沿环向相向传播，到达辐条的内端头位置(A’、B’、C’、D’)后，沿图3中箭头方向通过连接辐条传播到阻尼连接件外环20上的a’、b’、c’、d’处，在外环20上的任意一个1/4圆周上(如a’b’、b’c’、c’d’、d’a’间)，振动波沿环向相向传播，到达点a、b、c、d后再通过螺栓传播到图2中方板2上。当振动波沿图3中内环10上任意一个1/4圆周传播时，增加了其沿环向传播的途径，延长了波传播的路径，增强了阻尼材料对振动能量的消耗。
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，会发生振动波的折射。同时，在该具有径向曲折结构的中心对称连接件中波的传播路径发生转折的位置(如图3中a’、b’、c’、d’)，振动波易于发生多次往复式反射，这也等同于增加了波在该连接件内部的传播路径。
第二种具有径向曲折结构的中心对称阻尼材料连接件结构图如图4所示，其与图3的区别在于，其由内环100、中环200、外环300、内辐条(A1～A6)和外辐条(B1～B6)组成，内环100上开孔数n等于外环300上开孔数(3≦n≦8)且均匀等距分布在圆周上，内、外辐条数等于开孔数n且相互间夹角且内外辐条均位于相邻开孔间的角平分线上。振动波在该具有径向曲折结构的中心对称阻尼材料连接件中的传播路径如图4所示。
由此可见，当振动波在具有径向曲折结构的中心对称阻尼材料缓冲连接件中传播时，传播路径发生了明显改变，增加了其沿环向传播的途径，延长了波传播的路径，增强了阻尼材料对振动能量的消耗。合理设计该阻尼材料缓冲连接件的径向曲折结构，通过在其中形成驻波而阻止波向别处传播或利用相对运动的振动波的互相削弱，达到减弱振动能量的目的。同时，振动波在该具有径向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。采用上述方法的减振效果与图1中不添加阻尼材料缓冲连接件时的情况明显不同。
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径向曲折结构的中心对称缓冲连接件，增加了振动波沿环向传播的途径，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。
应用本发明提出的方法，对某型带竖直方向布置液压操动机构的330kV GIS断路器进行了改进(在原操动机构中方板与机构连接件之间添加了本发明述及的带径向曲折结构的缓冲连接件)，改进前后断路器典型位置处振动强度的变化如表1所示。比较可知，采用本发明述及的结构和方法后，操动机构动作产生的振动强度下降了25％—30％。
表1采用本发明所述方法前后某型断路器在典型位置处的振动强度峰值比较
注：g为重力加速度，g＝9.8m/s2。
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径向曲折结构的不同形式、内环和外环间的连接部件的不同结构形式等。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.利用波的径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)、开关支座(5)、操动机构储能单元(6)和缓冲连接件(7)；横梁(1)固定在开关支座(5)上；方板(2)固定在横梁(1)上；操动机构储能单元(6)依次通过连接件(3)、缓冲连接件(7)连接方板(2)；由操动机构储能单元(6)驱动的传动杆(4)穿过缓冲连接件(7)、横梁(1)和方板(2)；所述缓冲连接件(7)由阻尼材料制成，为具有径向曲折结构的中心对称连接件；
操动机构工作时，振动波通过连接件(3)和螺栓传播到缓冲连接件(7)的内环(10)上的开孔处，在内环(10)上任意2开孔间的1/n圆周上，振动波主要沿环向相向传播，到达连接辐条的内端头位置后，通过连接辐条传播到缓冲连接件(7)的外环(20)上的连接辐条的外端头位置，在外环(20)上的任意一个1/n圆周上，振动波沿环向相向传播，到达外环(20)的开孔处后再通过螺栓传播到方板(2)上。
2.根据权利要求1所述的利用波的径向非直线传播减弱操动机构振动的结构，其特征在于，所述缓冲连接件(7)包括：宽度为r1的内环(10)、宽度为r2的外环(20)、内环(10)与外环(20)间宽度为h的若干连接辐条；内环(10)、外环(20)、连接辐条三者为一体式结构；内环(10)、外环(20)上的开孔数相等，开孔等距均匀分布在内环(10)、外环(20)的圆周上，内环(10)和外环(20)间的连接辐条数等于开孔数n且相邻辐条间的夹角相等，均为连接件(3)通过内环(10)上的开孔连接缓冲连接件(7)；缓冲连接件(7)通过外环(20)上的开孔连接方板(2)。
3.根据权利要求2所述的利用波的径向非直线传播减弱操动机构振动的结构，其特征在于，内环(10)、外环(20)上对应开孔的连线位于相邻辐条间的角平分线上，且开孔数3≦n≦8。
4.根据权利要求2所述的利用波的径向非直线传播减弱操动机构振动的结构，其特征在于，r2<r3<2r2，r1<r3，h＝r3；其中r3为连接辐条的长度。
5.根据权利要求1所述的利用波的径向非直线传播减弱操动机构振动的结构，其特征在于，所述缓冲连接件(7)包括内环(100)、中环(200)、外环(300)、连接内环和中环的内辐条、连接中环和外环的外辐条；内环(100)上开孔数n等于外环(300)上开孔数且均匀等距分布在圆周上，内、外辐条数等于开孔数n且相互间夹角3≦n≦8；内辐条位于内环相邻开孔间的角平分线上；外辐条位于外环相邻开孔间的角平分线上；外辐条位于相邻内辐条间的角平分线上；内环(100)、中环(200)、外环(300)、内辐条、外辐条五者为一体式结构。
6.根据权利要求1所述的利用波的径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)的材质为铝合金材料、铜合金材料、碳材料或有机材料。
7.根据权利要求1所述的利用波的径向非直线传播减弱操动机构振动的结构，其特征在于，所述缓冲连接件(7)包括内环(100)和外环(300)，内环(100)和外环(300)之间设置有0至N个中环，N为正整数；相邻环体之间通过辐条连接；内环(100)上开孔数n等于外环(300)上开孔数且均匀等距分布在圆周上，相邻环体之间辐条数等于开孔数n且相互间夹角3≦n≦8；对于两个相邻的环体，连接内侧环与更内侧环间的辐条位于内侧环上相邻开孔间的角平分线上，连接内侧环与外侧环间的辐条位于外侧环上相邻开孔间的角平分线上，外侧辐条位于相邻内侧辐条间的角平分线上。
8.利用波的径向非直线传播减弱操动机构振动的方法，其特征在于，基于权利要求1至7中任一项所述的利用波的径向非直线传播减弱操动机构振动的结构，包括：操动机构工作时，振动波通过连接件(3)和螺栓传播到缓冲连接件(7)的内环(10)上的开孔处，振动波在由内环(10)至外环的传播过程中，在每个环体上沿环向相向传播，延长了波传播的路径，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。
9.利用波的径向非直线传播减弱操动机构振动的方法，其特征在于，基于权利要求1至7中任一项所述的利用波的径向非直线传播减弱操动机构振动的结构，包括：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径向曲折结构的中心对称连接件来改变振动波的径向传播路径；使得在其中传播的振动波并非简单的沿其径向直线传播，而是增加了振动波沿其环向传播的路径；同时，使得振动波满足驻波产生的条件，减弱了振动波向别处传播的强度。
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