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0 引 言
塑料外殼式斷路器是低壓配電系統(tǒng)中最重的基礎(chǔ)元件之一[1]，其操作機(jī)構(gòu)的滑扣問題是斷路器設(shè)計中的核心問題。所謂滑扣，即開關(guān)在合分閘過程中，跳扣和鎖扣脫開造成合分閘失敗的現(xiàn)象。本文通過運用ADAMS仿真軟件[2] ，對某型號額定電流為250 A（簡稱M1型）塑殼斷路器機(jī)構(gòu)的滑扣問題進(jìn)行分析，闡述了機(jī)構(gòu)滑扣的原因，并提出了解決方案。
圖1所示為M1型斷路器機(jī)構(gòu)的模型。圖中機(jī)構(gòu)處于分閘位置，f為牽引桿；g為下連桿；h為上連桿；k為跳扣；m為上鎖扣；n為下鎖扣；O1為跳扣轉(zhuǎn)動中心；O2 為上鎖扣轉(zhuǎn)動中心；O3 為下鎖扣轉(zhuǎn)動中心。正常情況下，上、下鎖扣上都有反力彈簧，保證開關(guān)不誤動作。當(dāng)短路電流出現(xiàn)時，脫扣器的銜鐵在磁場作用下，推動f和m圍繞O2 順時針轉(zhuǎn)動，m的弧形面在n的面上滑動，當(dāng)m的弧形面滑入n的方槽時， n繞軸O3 逆時針轉(zhuǎn)動，同時n與k解鎖，在主彈簧e的拉力作用下， k繞O1 軸順時針轉(zhuǎn)動。機(jī)構(gòu)變成五連桿機(jī)構(gòu)，動觸頭打開，斷路器脫扣。這是機(jī)構(gòu)脫扣后的整個運動過程。
圖1 M1型斷路器機(jī)構(gòu)模型
1 對機(jī)構(gòu)滑扣現(xiàn)象的仿真分析
通過分析機(jī)構(gòu)模型可知，機(jī)構(gòu)滑扣的主要因素有以下幾個方面：① O1 的位置；② m轉(zhuǎn)動中心軸O2 的位置；③ n轉(zhuǎn)動中心軸O3 的位置；④ m與n轉(zhuǎn)動中心接觸的軸O3 的半徑R（見圖2）；⑤m與n接觸的磨擦系數(shù)；⑥ m與n的材質(zhì)與熱處理情況。
圖2 初始再扣階段力的方向
1. 1 O1 位置的影響
對于k轉(zhuǎn)動中心軸O1（X， Y）， X 坐標(biāo)變化的影響大于Y坐標(biāo)。一般在設(shè)計過程中，已保證了k在下鎖扣窗口中的包含面積。正常情況下， k不可能滑出n的窗口。所以在考慮滑扣時，可暫不考慮k轉(zhuǎn)動中心軸O1 的位置。
1. 2 其余因素對滑扣現(xiàn)象的影響
用ADAMS軟件對機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，以初始坐標(biāo)系為參考點，以m、n的轉(zhuǎn)動中心的X、Y坐標(biāo)、接觸軸O3 的半徑R 作為設(shè)計變量，進(jìn)行設(shè)計研究[ 3， 4 ] 。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的實際情況，設(shè)置其變化范圍(見表1），觀察各變量值對機(jī)構(gòu)滑扣的影響。
如圖3所示，再扣距離為m上的點1到n上的點2的距離，扣住距離為n上的點3到k上的點4的距離。當(dāng)以上變量取初始值時，測得機(jī)構(gòu)在合閘過程中再扣距離和扣住距離隨時間的變化曲線如圖4、5所示。
由圖4、5分析可得，在初始位置，模型的再扣距離為1. 0797 mm，扣住距離為+ 0.107 3 mm。在合閘的過程中，如再扣距離減小為0時，即發(fā)生滑扣；另外，扣住距離增大為1. 6 mm（下鎖扣的材料厚度）時，也即發(fā)生滑扣。圖4及圖5中出現(xiàn)的曲線波動是由于斷路器在合閘過程中，跳扣k與n的震動造成的。
取k與n、n與m在碰撞約束中的參數(shù)———包容值為0.1 mm（此包容值與零件的材質(zhì)和熱處理情況有關(guān)）[5] ，仿真分析的結(jié)果見表2～6。
通過仿真分析，某些尺寸變量變化到一定值時，會出現(xiàn)滑扣現(xiàn)象。但現(xiàn)實機(jī)構(gòu)的零件由于是用模具成型而得，尺寸偏差不會很大，通過對機(jī)構(gòu)零件的測量，也可以說明這個問題。所以，以上尺寸的偏差不應(yīng)是斷路器滑扣的主要原因。
1. 3 仿真分析實際滑扣現(xiàn)象產(chǎn)生的原因
機(jī)構(gòu)仿真中，發(fā)現(xiàn)在牽引桿f轉(zhuǎn)動過程中， n對m的作用力方向會發(fā)生變化(見圖2、6）。圖2為模型再扣時上、下鎖扣作用力的方向圖，圖6為模型滑扣階段上、下鎖扣作用力的方向圖，箭頭為力的作用線，圖2中，力的主作用線通過圓心。圖6中力的主作用線已偏離圓心。分析表明，在圖6狀態(tài)時有助于m的脫扣運動。實際上，大多數(shù)的物理樣機(jī)在m和n上都有磨損的痕跡。分析上、下鎖扣的運動過程，由于m的圓弧面在n表面滑動，而上鎖扣m的圓弧面頂端有一尖角，在運動幾次后，上鎖扣m的圓弧面就會在n表面留下凹痕，同時m上的圓弧面的尖角被相應(yīng)磨成一個圓角(見圖7）。
1. 3. 1 上鎖扣m的磨損圓角R1 為變量
設(shè)以上鎖扣m圓弧面的尖端倒R1角來表示上鎖扣m的磨損情況，如圖7所示。如R1角的取值為1.0，初始再扣距離為0.86 mm，接觸碰撞包容值取0. 1，進(jìn)行合閘操作的仿真分析。仿真合閘過程中再扣距離的變化曲線如圖8所示。
由圖8可知，機(jī)構(gòu)在AB 段這段時間為再扣保持階段，此時再扣距離保持不變；在B 點處開始合閘操作
