CN110849607A - 一种断路器弹簧操动机构齿轮卡涩的预估方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及断路器弹簧操动机构诊断维护技术领域，尤其涉及一种断路器弹簧操动机构齿轮安全预警设备和方法。该设备包括运动测量模块、功率测量模块、应力计算模块和可靠性评价模块。运动测量模块和功率测量模块，分别与应力计算模块连接并进行数据传输，应力计算模块与可靠性评价模块连接并进行数据传输。本实施例提供的断路器弹簧操动机构齿轮安全预警设备和方法，能够在断路器弹簧操动机构齿轮工作中的过程中，拟合齿轮的应力分布数据，当应力分布数据中存在超过材料安全应力值时，发出预警信号，以便工作人员及时安排检修工作，提高断路器运行的安全性。

Description

一种断路器弹簧操动机构齿轮卡涩的预估方法

技术领域

本申请涉及断路器弹簧操动机构诊断维护技术领域，尤其涉及一种断路器弹簧操动机构齿轮卡涩的预估方法。

背景技术

目前，在电力行业中弹簧操动机构断路器因易检修，损坏只需要更换零件，无需整体更换而被广泛使用。但弹簧操动机构故障率高，难以提前预判故障，影响电网的安全稳定运行。其中弹簧操动机构的储能系统因受力较大，且动作次数少，容易发生零件变形，导致断路器分合闸过程中出现拒分闸、拒合闸，储能弹簧无法储能等故障。其中电机传动齿轮和储能传动齿轮在运动过程中容易发生变形及装备件松动，导致齿轮啮合不佳，致使齿轮发生卡涩现象，危及电网的安全稳定运行。因此，亟待提供一种断路器弹簧操动机构齿轮卡涩的预估方法。

发明内容

本申请提供了一种断路器弹簧操动机构齿轮卡涩的预估方法，以解决现有断路器弹簧操动机构齿轮卡涩故障无法预测的问题。

第一方面，本实施例提供一种断路器弹簧操动机构齿轮安全预警设备，包括：

运动测量模块，用于监测储能弹簧的工作时间和齿轮测量数据，齿轮测量数据包括：电机传动齿轮的第一转速、与第一固定板之间的第一距离，以及，储能传动齿轮的第二转速、与第一固定板之间的第二距离；

功率测量模块，用于测量电机的电流和电压；

应力计算模块，用于根据电流和电压计算功率；将齿轮测量数据输入齿轮仿真模型，拟合齿轮运动数据，包括：电机传动齿轮的外轮廓的第一运动轨迹和第一速度，储能传动齿轮的第二运动轨迹和第二速度，以及电机传动齿轮和储能传动齿轮和之间的倾角；根据运动时间和齿轮运动数据计算储能弹簧的压缩量，根据压缩量和储能弹簧的劲度系数，计算储能弹簧的势能；将功率和齿轮运动数据作为仿真模型的加载条件，将储能弹簧的势能作为边界条件，计算电机传动齿轮和储能传动齿轮的应力分布数据；其中，齿轮仿真模型根据电机传动齿轮和储能传动齿轮的尺寸数据确定；

可靠性评价模块，用于如果应力分布数据中存在超过齿轮材料安全应力的数值，则发出预警信号。

可选的，运动测量模块为带数据存储和通讯功能的磁致伸缩型传感器，采用无线通讯，支持3G、4G、5G、WIFI、zigbee、蓝牙通讯。

可选的，应力计算模块还用于，采用线平均方式计算电机传动齿轮的外轮廓的第一运动轨迹，以及储能传动齿轮的第二运动轨迹。

可选的，应力计算模块还用于，将电流、电压以及电机的有效输出系数相乘，计算电机的有效功率。

第二方面，本实施例提供一种断路器弹簧操动机构齿轮安全预警方法，包括：

监测储能弹簧的工作时间和齿轮测量数据，齿轮测量数据包括：电机传动齿轮的第一转速、与第一固定板之间的第一距离，以及，储能传动齿轮的第二转速、与第一固定板之间的第二距离；

测量电机的电流和电压，并根据电流和电压计算功率；

根据运动时间和齿轮运动数据计算储能弹簧的压缩量，根据压缩量和储能弹簧的劲度系数，计算储能弹簧的势能；

将齿轮测量数据输入齿轮仿真模型，拟合齿轮运动数据，包括：电机传动齿轮的外轮廓的第一运动轨迹和第一速度，储能传动齿轮的第二运动轨迹和第二速度，以及电机传动齿轮和储能传动齿轮和之间的倾角；其中，齿轮仿真模型根据电机传动齿轮和储能传动齿轮的尺寸数据确定；

将功率和齿轮运动数据作为仿真模型的加载条件，将储能弹簧的势能作为边界条件，计算电机传动齿轮和储能传动齿轮的应力分布数据；

如果所述应力分布数据中存在超过齿轮材料安全应力的数值，则发出预警信号。

可选的，拟合齿轮运动数据，包括：采用线平均方式计算电机传动齿轮的外轮廓的第一运动轨迹，以及储能传动齿轮的第二运动轨迹。

可选的，根据电流和电压计算功率，包括：将电流、电压以及电机的有效输出系数相乘，计算电机的有效功率。

本实施例提供的一种断路器弹簧操动机构齿轮安全预警设备和方法，能够在断路器弹簧操动机构齿轮工作中的过程中，拟合齿轮的应力分布数据。当应力分布数据中存在超过材料安全应力值时，发出预警信号，以便工作人员及时安排检修工作，提高断路器运行的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的断路器中弹簧操动机构的结构示意图。

图2为本申请实施例提供的一种断路器弹簧操动机构齿轮安全预警设备的结构示意框图。

具体实施方式

为使本申请示例性实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请示例性实施例中的附图，对本申请示例性实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的示例性实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

本申请实施例提供一种断路器弹簧操动机构齿轮安全预警设备和方法，用于在弹簧操动机构运行过程中，根据齿轮的应力分布状况，预警可能到来的齿轮的运行风险。

首先，本实施例对断路器中弹簧操动机构的结构进行说明。请参阅如图1，弹簧操动机构主要包括第一固定板、电机传动输出轴、电机传动齿轮、储能传动齿轮转动轴、储能传动齿轮、同轴储能传动齿轮、传动链、第二固定板、储能弹簧和牵引板。其中，第一固定板上垂直设置有电机传动输出轴和储能传动齿轮转动轴，电机传动齿轮安装在电机传动输出轴上，储能传动齿轮和同轴储能传动齿轮安装在储能传动齿轮转动轴上，并且，电机传动齿轮和储能传动齿轮互相啮合。储能弹簧的一端固定在牵引板上，另一端固定在第二固定板上，传动链一端于同轴储能传动齿轮啮合，另一端穿过第二固定板和弹簧，与牵引板连接。

在弹簧操动机构工作的过程中，电机传动齿轮和储能传动齿轮受力较大，运行过程中容易发生局部应力较大的状况。如果电机传动齿轮和储能传动齿轮齿轮之间倾角过大，导致齿面接触面积减小，应力增大，超过材料的屈服强度，使得齿轮发生变形，就是加大齿轮的传动阻力，造成齿轮的卡涩。因此，基于上述内容，本实施例提供一种断路器弹簧操动机构齿轮安全预警设备，用于预估齿轮卡涩。

请参阅图2，本实施例提供的断路器弹簧操动机构齿轮安全预警设备包括：运动测量模块1、功率测量模块2、应力计算模块3和可靠性评价模块4。运动测量模块1和功率测量模块2分别与应力计算模块3连接，并能够进行数据传输，应力计算模块3与可靠性评价模块4连接，并能够进行数据传输。

运动测量模块1，包括时间监测单元11、电机传动齿轮运动监测单元12和储能传动齿轮运动监测单元13。其中，时间监测单元11，用于测量储能弹簧的工作时间。电机传动齿轮运动监测单元12，用于监测电机传动齿轮的第一转速，以及电机传动齿轮与第一固定板之间的第一距离。储能传动齿轮运动监测单元13，用于监测储能传动齿轮的第二转速，以及储能传动齿轮与第一固定板之间的第二距离。

作为一种可选的实施方式，时间监测单元11、电机传动齿轮运动监测单元12和储能传动齿轮运动监测单元13，为带数据存储和通讯功能的磁致伸缩型传感器。这些监测单元采用无线通讯，支持3G、4G、5G、WIFI、zigbee(紫蜂)、蓝牙等通讯方式与应力计算模块3进行通信。

功率测量模块2，包括电流监测单元21和电压监测单元22。其中，电流监测单元21，用于测量电机的电流；电压监测单元22，用于测量电机的电压。

应力计算模块3，包括功率计算单元31、齿轮运动计算单元32、势能计算单元33和应力计算单元34。

其中，功率计算单元31，用于根据电流和电压计算电机的输出功率。作为一种可选的实施方式，功率计算单元31可以将电流、电压和电机的有效输出系数(例如95％)相乘，以计算电机的有效功率。

势能计算单元33，用于根据运动时间和齿轮运动数据计算储能弹簧的压缩量，根据压缩量和储能弹簧的劲度系数，计算储能弹簧的势能。

具体地，储能弹簧压缩量等于储能传动齿轮的运动速度与储能弹簧的工作时间的积分，储能传动齿轮转速与储能传动齿轮与弹簧的位置关系是固定的，储能传动齿轮角速度与储能弹簧运动速度满足一定的公式。随后，根据压缩量和预设的劲度系数，利用胡克定律即可计算出弹簧的势能，本实施例在此不进行赘述。

齿轮运动计算单元32，用于将齿轮测量数据输入齿轮仿真模型，拟合齿轮运动数据，该齿轮运动数据包括：电机传动齿轮的外轮廓的第一运动轨迹和第一速度，储能传动齿轮的第二运动轨迹和第二速度，以及电机传动齿轮和储能传动齿轮和之间的倾角。作为一种可选的实施方式，齿轮运动计算单元32可以采用线平均方式计算电机传动齿轮的外轮廓的第一运动轨迹，以及储能传动齿轮的第二运动轨迹。

由于断路器弹簧操动机构的在储能过程中，弹簧不断被压缩，受力不断增大，齿轮的转动速度也在不断降低，齿轮的受力在不断增大，因此，齿轮运动计算单元32需要准确计算各齿轮在转动过程中的外轮廓速度和轨迹。

应力计算单元34，用于将功率和齿轮运动数据作为仿真模型的加载条件，将储能弹簧的势能作为边界条件，计算电机传动齿轮和储能传动齿轮的应力分布数据。其中，需要说明的是，齿轮仿真模型根据电机传动齿轮和储能传动齿轮的尺寸数据预先确定。

应力计算单元34在进行应力计算的过程中，首先，根据电机的输出功率大致等于电机传动齿轮的力矩与角速度的乘积，根据运动检测模块测量得到储能传动输出轴的角速度(等于储能传动齿轮的角速度，即第二转速)。随后，采用仿真软件建立与储能传动齿轮和电机传动齿轮相同位置关系的几何模型，将电机传动齿轮的角速度作为加载条件，储能弹簧传动链的牵引力(可根据储能弹簧的势能计算得到)作为边界条件，计算得到储能传动齿轮和电机传动齿轮应力分布。

可靠性评价模块4，用于如果应力分布数据中存在超过齿轮材料安全应力的数值，则发出预警信号。

具体地，由于不同齿轮的材料可能不同，不同材料的安全应力数值不同，因此，在本实施例中，可靠性评价模块4可以根据预设的齿轮的材料确定对应的安全应力数值，并将该安全应力数值与应力分布数据进行比较，如果应力分布数据中存在超过齿轮材料安全应力的数值，则说明齿轮中存在应力过大的点，存在安全隐患，因此，发出预警信号。根据该预警设备发出的预警信号，工作人员可以进一步判断齿轮是否存在卡涩或者部分轮齿强度不足的故障，方便及时安排检修工作，提高设备的安全性。

本实施例提供的一种断路器弹簧操动机构齿轮安全预警设备，能够在断路器弹簧操动机构齿轮工作中的过程中，拟合齿轮的应力分布数据。当应力分布数据中存在超过材料安全应力值时，发出预警信号，以便工作人员及时安排检修工作，提高断路器运行的安全性。

基于上述本实施例提供的一种断路器弹簧操动机构齿轮安全预警设备，本实施例还提供一种断路器弹簧操动机构齿轮安全预警方法。该方法包括如下步骤：

步骤一，监测储能弹簧的工作时间和齿轮测量数据，齿轮测量数据包括：电机传动齿轮的第一转速、与第一固定板之间的第一距离，以及，储能传动齿轮的第二转速、与第一固定板之间的第二距离。测量电机的电流和电压。

步骤二，根据电流和电压计算功率。

步骤三，将齿轮测量数据输入齿轮仿真模型，拟合齿轮运动数据，包括：电机传动齿轮的外轮廓的第一运动轨迹和第一速度，储能传动齿轮的第二运动轨迹和第二速度，以及电机传动齿轮和储能传动齿轮和之间的倾角。其中，齿轮仿真模型根据电机传动齿轮和储能传动齿轮的尺寸数据确定。根据工作时间、齿轮运动数据和储能弹簧的劲度系数，计算储能弹簧的势能。将功率和齿轮运动数据作为仿真模型的加载条件，将储能弹簧的势能作为边界条件，计算电机传动齿轮和储能传动齿轮的应力分布数据。

步骤四，如果应力分布数据中存在超过齿轮材料安全应力的数值，则发出预警信号。

本实施例提供的一种断路器弹簧操动机构齿轮安全预警方法，能够在断路器弹簧操动机构齿轮工作中的过程中，拟合齿轮的应力分布数据。当应力分布数据中存在超过材料安全应力值时，发出预警信号，以便工作人员及时安排检修工作，提高断路器运行的安全性。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种断路器弹簧操动机构齿轮安全预警设备，其特征在于，包括：

运动测量模块，用于监测储能弹簧的工作时间和齿轮测量数据，齿轮测量数据包括：电机传动齿轮的第一转速、与第一固定板之间的第一距离，以及，储能传动齿轮的第二转速、与第一固定板之间的第二距离；

功率测量模块，用于测量电机的电流和电压；

应力计算模块，用于根据电流和电压计算功率；将齿轮测量数据输入齿轮仿真模型，拟合齿轮运动数据，包括：电机传动齿轮的外轮廓的第一运动轨迹和第一速度，储能传动齿轮的第二运动轨迹和第二速度，以及电机传动齿轮和储能传动齿轮和之间的倾角；根据运动时间和齿轮运动数据计算储能弹簧的压缩量，根据压缩量和储能弹簧的劲度系数，计算储能弹簧的势能；将功率和齿轮运动数据作为仿真模型的加载条件，将储能弹簧的势能作为边界条件，计算电机传动齿轮和储能传动齿轮的应力分布数据；其中，齿轮仿真模型根据电机传动齿轮和储能传动齿轮的尺寸数据确定；

可靠性评价模块，用于如果应力分布数据中存在超过齿轮材料安全应力的数值，则发出预警信号。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述运动测量模块为带数据存储和通讯功能的磁致伸缩型传感器，采用无线通讯，支持3G、4G、5G、WIFI、zigbee、蓝牙通讯。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述应力计算模块，还用于采用线平均方式计算电机传动齿轮的外轮廓的第一运动轨迹，以及储能传动齿轮的第二运动轨迹。

4.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述应力计算模块，还用于将电流、电压以及电机的有效输出系数相乘，计算电机的有效功率。

5.一种断路器弹簧操动机构齿轮安全预警方法，其特征在于，包括：

监测储能弹簧的工作时间和齿轮测量数据，齿轮测量数据包括：电机传动齿轮的第一转速、与第一固定板之间的第一距离，以及，储能传动齿轮的第二转速、与第一固定板之间的第二距离；

测量电机的电流和电压，并根据电流和电压计算功率；

根据运动时间和齿轮运动数据计算储能弹簧的压缩量，根据压缩量和储能弹簧的劲度系数，计算储能弹簧的势能；

将齿轮测量数据输入齿轮仿真模型，拟合齿轮运动数据，包括：电机传动齿轮的外轮廓的第一运动轨迹和第一速度，储能传动齿轮的第二运动轨迹和第二速度，以及电机传动齿轮和储能传动齿轮和之间的倾角；其中，齿轮仿真模型根据电机传动齿轮和储能传动齿轮的尺寸数据确定；

将功率和齿轮运动数据作为仿真模型的加载条件，将储能弹簧的势能作为边界条件，计算电机传动齿轮和储能传动齿轮的应力分布数据；

如果所述应力分布数据中存在超过齿轮材料安全应力的数值，则发出预警信号。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，拟合齿轮运动数据，包括：

采用线平均方式计算电机传动齿轮的外轮廓的第一运动轨迹，以及储能传动齿轮的第二运动轨迹。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据电流和电压计算功率，包括：

将电流、电压以及电机的有效输出系数相乘，计算电机的有效功率。

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