CN106409599A - 真空断路器弹簧操动机构配用的凸轮优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真空断路器弹簧操动机构配用的凸轮优化设计方法，包括以下步骤：A、计算真空断路器弹簧操动机构的摆动滚轴从动件凸轮机构的传动比；B、结合整个弹簧操动机构的运动学和动力学分析得到动触头上的等效输出动力与凸轮驱动力矩之间的数学函数关系式；C、依据步骤B中得到的动触头等效输出动力的数学表达式，以使动触头能得到理想合闸运动特性为目标，优化其动触头等效输出动力，进而得到优化的凸轮轮廓半径。本发明的方法比以往优化方法在精度和准确性上都得到了提高。并且，其求解过程可以通过计算机编程实现，即只需输入所需的理想合闸运动曲线，就能自动输出凸轮轮廓。

Description

真空断路器弹簧操动机构配用的凸轮优化设计方法

技术领域

本发明涉及中压真空断路器弹簧操动机构合闸运动的机械传动装置领域，特别涉及一种机械传动装置中配用摆动滚轴从动件凸轮机构时使真空断路器具有更好速度特性和负载匹配特性的凸轮优化设计方法。

背景技术

弹簧操动机构是真空断路器中应用最广泛的一种操动机构，具有操作电源容量小、可采用交直流两种电源、制造成本低等优点。弹簧操动机构是将弹簧所储存的能量在合闸运动过程中释放出来完成合闸动作。而储能弹簧释放能量的过程中其输出力变小，这与真空断路器的负载反力特性正好相反，为了使弹簧操动机构的输出力特性与负载反力特性相匹配，通常使用凸轮连杆机构来转换。其中凸轮机构起到改变输出力大小的作用，而连杆机构只是起到传递力的作用。为了使动触头上等效的输出动力与等效负载阻力很好的匹配，这就需要对凸轮轮廓进行合理的设计。

在以往弹簧操动机构的凸轮优化设计中，往往是以操动机构的合闸功与负载功的差值最小为优化目标，配以能保证合闸所需的约束条件来进行优化。这种优化方法是已知凸轮与从动件的传动规律或者根据已有的凸轮轮廓曲线将其从动件运动规律近似为某种常用数学函数。

上述的优化设计方法在一定程度上是不准确的，虽然能够保证动触头行程和满足真空断路器合闸运动特性，但精确到任意动触头行程上其精度和准确性无法保证。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种真空断路器弹簧操动机构配用的摆动滚轴从动件凸轮机构的凸轮优化设计方法，以解决现有的凸轮优化设计方法精确到任意动触头行程上其精度和准确性无法保证的问题。为此，本发明采用的具体方案如下：

一种真空断路器弹簧操动机构配用的凸轮优化设计方法，包括以下步骤：

A、已知所述弹簧操动机构的摆动滚轴从动件凸轮机构的凸轮轮廓半径r(θ)，将凸轮轮廓半径向外等距与其相切的滚轴半径，即可得到凸轮的啮合半径ρ(θ)，通过所述摆动滚轴从动件凸轮机构的数学模型得到凸轮转角θ与摆动从动件摆角η的一一对应关系并利用计算机拟合出数学函数关系η＝η(θ)，通过对所得到的数学函数进行求导来计算所述摆动滚轴从动件凸轮机构的传动比

B、结合整个弹簧操动机构的运动学和动力学分析得到弹簧操动机构的动触头上的等效输出动力F_v与凸轮驱动力矩T₁之间的数学函数关系式其中β和γ均由弹簧操动机构中的连杆机构的位置所决定，且

C、依据步骤B中得到的动触头等效输出动力的数学表达式，以使动触头能得到理想合闸运动特性为目标，优化其动触头等效输出动力F_v，进而得到优化的凸轮轮廓半径r(θ)。

进一步地，所述步骤A包括如下子步骤：

A1、初始化数据，输入摆动滚轴从动件凸轮机构的样本点处凸轮转角θ对应的凸轮啮合半径ρ(θ)、摆杆的长度L_a、凸轮中心O₁和固定轴轴心O₂之间的距离为L₀；

A2、计算从动件摆动角

A3、通过计算机拟合函数关系η＝η(θ)；

A4、对A3得到函数η＝η(θ)求导即可得到摆动滚轴从动件凸轮机构的传动比

进一步地，所述步骤A3具体是，通过计算机利用MATLAB软件或EXCEL软件中的曲线拟合函数进行函数拟合。

进一步地，所述步骤C包括如下子步骤：

C1、初始化数据，输入样本点处凸轮转角θ_i对应的动触头行程S(i)和样本点处操动机构的等效负载阻力F_z；

C2、计算样本点处动触头速度

C3、根据动能定理得到动触头上优化的等效输出动力F_v，其中，m为归算至动触头上的等效质量；

得到优化的凸轮传动比

C5、计算优化的凸轮轮廓半径其中，dσ为样本点处滚轴中心延啮合曲线切线方向的位移，dα为滚轴中心在啮合曲线上的切线方向变化角， 其中，b为凸轮中心O₁到从动件速度瞬心B的距离，ξ为从动件滚轴中心A和从动件速度瞬心B的连线与过从动件滚轴中心A的垂线之间的夹角。

进一步地，所述子步骤C3的等效质量m的在每一样本点处的计算均需要根据整个机构的传动比重新进行。

本发明采用上述技术方案，具有的有益效果是：采用本发明的方法，对于任意配用摆动滚轴从动件凸轮的弹簧操动机构，只需知道凸轮优化前的轮廓半径和弹簧操动机构理想的合闸行程曲线即可对凸轮进行优化，比以往优化方法在精度和准确性上都得到了提高。并且，其求解过程可以通过计算机编程实现，即只需输入所需的理想合闸运动曲线，就能自动输出凸轮轮廓。

附图说明

图1示出了本发明的数学分析计算模型示意图；

图2是本发明计算摆动滚轴从动件凸轮机构的传动比的计算流程图；

图3是本发明计算优化的凸轮实际轮廓线的计算流程图；

图4是本发明在实际样机上应用时的结果对比图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。参照图1，在凸轮与从动件运动规律未知的情况下，只需知道凸轮在合闸行程上的轮廓半径，将凸轮轮廓半径向外等距与其相切的滚轴半径，即可得到凸轮的啮合曲线半径ρ(θ)。在任意摆动滚轴从动件凸轮机构中，从动件的摆动角η可在由中心距L₀、摆杆长度L_a、凸轮啮合半径ρ(θ)所组成的三角形中运用余弦定理有：

参照2，描述计算摆动滚轴从动件凸轮机构的传动比的步骤。

首先初始化数据，其中，数据包括样本点处凸轮转角对应的凸轮啮合半径ρ＝ρ(θ)，ρ＝O₁A，分别将其放入矩阵θ和ρθ中，摆动滚轴从动件滚轴中心A至摆动固定轴中心O₂的距离，即摆杆的长度L_a，凸轮中心和固定轴中心O₁至O₂的距离为L₀。

完成数据输入后开始计算，首先根据余弦定理的公式有：即可得到摆动角η与凸轮转角θ之间的一一对应关系，合闸过程对应η从最小值到最大值变化的范围，将得到的从动件摆动角放入矩阵η中，通过诸如MATLAB软件或EXCEL软件等的计算机应用软件的曲线拟合函数得到η＝η(θ)。即，将凸轮转角θ对应的摆动从动件摆角η的数据点导入软件中，使用其自带的拟合函数或者曲线拟合工具箱即可得到η＝η(θ)。将上述函数关系求导即可得到摆动滚轴从动件凸轮传动比随凸轮转角变化的函数关系式。

参照图1、3，描述计算凸轮优化后轮廓的步骤。

首先以样机上实际测得的动触头合闸运动曲线为参考，在其基础上以样本点处动触头合闸速度作为依据进行优化，动触头所需的合闸速度与真空断路器的关合电流值有关，由此得到优化后的理想动触头合闸运动曲线，然后在其上取与凸轮转角样本点θ_i对应的动触头行程样本点S(i)，即得到所需的初始输入数据。则样本点处的动触头速度对于不同的操动机构其主轴转角与动触头行程的函数关系不同，但均为一一对应的关系。由此分别得到触头行程矩阵S(i)及其对应的合闸时间矩阵t(i)。

操动机构的等效负载阻力曲线同样可采用离散点的方式输入，其值放入矩阵F_z，在每个样本点处根据动能定理离散点的积分采用梯形积分可得到要达到理想动触头速度所需的等效输出动力F_v，其中，m为归算至动触头上的等效质量，这里需注意的是每一样本点处的等效质量均需要根据整个机构的传动比重新计算。

动触头等效输出动力可根据机构的输入与输出功率相等的原则等效计算，则凸轮的驱动力矩T₁，凸轮的角速度ω₁与动触头等效输出动力F_v，动触头速度v之间具有关系式：代入结构尺寸可得到等效输出动力F_v为：

其中β和γ均由连杆机构的位置所决定，且在凸轮驱动力矩T₁一定的情况下等效输出动力F_v只由决定。将优化后的F_v代入上式即可得到优化后的

根据图1的示意图，若将凸轮固定而顺时针转动机构dθ角度，则从动件固定轴中心O₂将垂直向下运动，其矢量为d₂，滚子中心A相对于O₂点的位移矢量为d₁，其方向垂直于摆臂，而滚子中心A的实际位移为d₃，其运动方向为切线t的方向，矢量大小为|σ|，方向角为α。过点A作中心距O₁O₂的垂线交其于点T，设凸轮与从动件的速度瞬心为B，则垂线AT与AB的夹角为ξ。凸轮中心O₁到速度瞬心B的距离为因此 本例中由于dα取决于ξ的变化，因此，啮合半径在只需求得后即可得到。

按照以上理论分析过程中公式的步骤代入优化后的值即可得到相应样本点的凸轮啮合半径r(θ)。表1示出了本发明在实际样机上应用时从样本点的凸轮转角计算出相应样本点的凸轮啮合半径的过程。

表1

图4是本发明在实际样机上应用时的结果对比

首先采用样机实测的动触头在合闸开距行程时的运动曲线，在满足动触头运动特性的基础上求得所需的凸轮机构传动比，按照以上理论计算，得到凸轮在开距行程段的理论啮合曲线(图4中的曲线2)。由于样机的弹簧操动机构尺寸已知，测量样机上所安装凸轮的实际轮廓后，在三维软件上绘出其曲线，采用向外等距滚子半径的方式即可得到此样机上配备凸轮的实际啮合曲线(图4中的曲线1)。将两条曲线进行对比，图4中曲线1表示凸轮实际啮合曲线，曲线2表示凸轮的理论啮合曲线，由具体计算过程中的部分理论值与实际值对比和图4所示曲线对比可知各样本点在极坐标系上的半径值相差很小，所以验证了理论的正确性。

由啮合曲线向内等距摆动滚子从动件滚子半径值即可得到凸轮在合闸开距行程段的轮廓曲线。设凸轮轮廓半径为r(θ)，滚子半径为L，则根据等距公式有：

X＝[r(θ)-L]cosθ

Y＝[r(θ)-L]sinθ

向内等距后将会进一步缩小两条曲线间的差别，使得理论值更加贴合实际，进一步验证了理论的正确性和可行。

本发明通过建立凸轮轮廓半径与动触头等效输出动力的数学函数关系式，对于任意动触头行程时均能在满足其动触头运动特性的基础上进行凸轮优化。这种方法的优点在于只需知道凸轮优化前的轮廓半径和弹簧操动机构理想的合闸行程曲线即可进行，比以往优化方法在精度和准确性上都得到了提高。并且其求解过程可以通过计算机编程实现，即只需输入所需的理想合闸运动曲线，就能自动输出凸轮轮廓。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种真空断路器弹簧操动机构配用的凸轮优化设计方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

A、已知所述弹簧操动机构的摆动滚轴从动件凸轮机构的凸轮轮廓半径r(θ)，将凸轮轮廓半径向外等距与其相切的滚轴半径，即可得到凸轮的啮合半径ρ(θ)，通过所述摆动滚轴从动件凸轮机构的数学模型得到凸轮转角θ与摆动从动件摆角η的一一对应关系并利用计算机拟合出数学函数关系η＝η(θ)，通过对所得到的数学函数进行求导来计算所述摆动滚轴从动件凸轮机构的传动比

B、结合整个弹簧操动机构的运动学和动力学分析得到弹簧操动机构的动触头上的等效输出动力F_v与凸轮驱动力矩T₁之间的数学函数关系式其中β和γ均由弹簧操动机构中的连杆机构的位置所决定，且

C、依据步骤B中得到的动触头等效输出动力的数学表达式，以使动触头能得到理想合闸运动特性为目标，优化其动触头等效输出动力F_v，进而得到优化的凸轮轮廓半径r(θ)。

2.如权利要求1所述真空断路器弹簧操动机构配用的凸轮优化设计方法，其特征在于：所述步骤A包括如下子步骤：

A1、初始化数据，输入摆动滚轴从动件凸轮机构的样本点处凸轮转角θ对应的凸轮啮合半径ρ(θ)、摆杆的长度L_a、凸轮中心O₁和固定轴轴心O₂之间的距离为L₀；

A2、计算从动件摆动角

A3、通过计算机拟合函数关系η＝η(θ)；

A4、对A3得到函数η＝η(θ)求导即可得到摆动滚轴从动件凸轮机构的传动比

3.如权利要求2所述真空断路器弹簧操动机构配用的凸轮优化设计方法，其特征在于：所述步骤A3具体是，通过计算机利用MATLAB软件或EXCEL软件中的曲线拟合函数进行函数拟合。

4.如权利要求1所述真空断路器弹簧操动机构配用的凸轮优化设计方法，其特征在于：所述步骤C包括如下子步骤：

C1、初始化数据，输入样本点处凸轮转角θ_i对应的动触头行程S(i)和样本点处操动机构的等效负载阻力F_z；

C2、计算样本点处动触头速度

C3、根据动能定理得到动触头上优化的等效输出动力F_v，其中，m为归算至动触头上的等效质量；

C4、由得到优化的凸轮传动比

C5、计算优化的凸轮轮廓半径其中，dσ为样本点处滚轴中心延啮合曲线切线方向的位移，dα为滚轴中心在啮合曲线上的切线方向变化角， 其中，b为凸轮中心O₁到从动件速度瞬心B的距离，ξ为从动件滚轴中心A和从动件速度瞬心B的连线与过从动件滚轴中心A的垂线之间的夹角。

5.如权利要求4所述真空断路器弹簧操动机构配用的凸轮优化设计方法，其特征在于：所述子步骤C3的等效质量m的在每一样本点处的计算均需要根据整个机构的传动比重新进行。