塑壳断路器操作机构可靠性设计

・

电器设计与探讨

・

电器与能效管理技术

（

2019No.

21

）

塑壳断路器操作机构可靠性设计

张明学

(

上海良信电器股份有限公司

，

上海

201315

)

摘

要

：

从结构设计方面论述了操作机构合闸安全角度

、

分闸安全角度设计的注

意事项

，

介绍了锁扣与牵引杆搭扣面设计以及跳扣与锁扣结构设计注意事项

。

从工艺

二

IB

方面论述了跳扣组件

、

锁扣的加工工艺

，

为同行设计提供参考

。

关键词

：

安全角度

；

结构设计

；

工艺设计

；

焊接

；

塌角

；

毛刺面

中图分类号

：

TM

561

文献标志码

：

A

文章编号

：

2095-8188

(

2019

)

21-0029-04

DOI

：

10.

16628/j.

cnki.

2095-8188.2019.21.

006

张明学

（

1982

—

）

,

男

，

工程师

,

主要从

事塑壳断路器操作

机构设计与研究

。

Reliability

Design

of

Moulded

Cass

Circcit

Breaker

Operating

Mechanism

ZHANGMwngUui

(

Shanghai

Liangxin

EWctwcol

Co.

,

Ltd.

,

Shanghai

201315

,

China

)

Absrratr

：

Feom

the

aspec

tof

s

teuc

tu

eaedestgn

，

thtspapeedtscu

sed

the

safe

ty

angee

of

the

ope

ea

ttng

mechantsm

and

thesafetydestgn

ofthespettgate

,

thedestgn

ofthebuckeeand

theteactton

eod

buckee

su

eface

,

the

destgn

bu

ton

and

theeock

cestngtechnoeogyofhop

buckeecomponentsand

eocktngbuckeeswasaesodtscu

peoetdeeefeeencesfoedestgn

ofengtneee.

Key

wois

:

safety

angle

；

stuctui'al

design

；

process

design

；

welding

；

dill

roll

；

burr

surface

0

引

言

操作机构是塑壳断路器产品的重要部件之

但是以上文献均未对操作机构具体结构设计说明

%

本文通过对以往项目实践经验的总结

，

阐述

了双断点塑壳断路器操作机构具体结构的设计

,

以及零部件加工工艺需要注意的事项

％

一

,

一端连接着触头与灭弧系统

，

另一端连接着脱

扣器

（

包括热磁脱扣器

、

电子脱扣器）

系统

，

还要

与内部附件

（

包括分励脱扣器

、

欠压脱扣器

、

报警

1

操作机构具体结构设计

1.1

合闸安全角度设计

塑壳断路器操作机构的设计过程可分为机构

触头

、

辅助触头

）

、

外部附件

（

包括电动操作机构

、

手动操作机构

）

匹配

，

是塑壳断路器产品再扣

、

合

闸

、

分闸

、

脱扣动作的执行单元

,

其可靠性直接关

系到塑壳断路器产品整体的可靠性

〔

1-

*

%

近年来

,

随着我国光伏发电产业的快速发展

,

简图设计

、

结构设计

、

仿真计算验证及修正

、

手板

件打样验证修改

、

定型设计

％

在进行到手板件验

证阶段

，

往往会遇到如下所述失效现象

:

机构完成

再扣动作后

,

进行合闸操作

，

将

U

型杠杆

EF

推至

合闸停挡位置

（

如图

1

所示合闸安全角状态

）

,

但

市场对于高电压

、

高分断能力塑壳断路器产品的

需求逐步上升

。

其中

，

双断点塑壳断路器产品在

这一背景下产量逐年增加

。

但因其结构相对于单

断点产品的复杂性

,

以及批量生产的一致性

,

可靠

触头无法可靠合闸或者偶发性的合闸失败

％

这一现象产生的原因归结于

“

合闸安全角

”

"

设计值偏小

。

主拉簧

BF

能够提供给下连杆

AB

性问题愈发突出

。

文献

）

4

*

基于塑壳断路器产品操作机构简

的分力偏小

，

进而下连杆

A

提供给转轴

OA

的合

闸扭矩偏小

，

不足以克服转轴

OA

受到的额外系

统摩擦力

％

虽然前一阶段已对设计样机进行仿真

计算

,

得出能够合闸

”

，

因为仿真计算过程中不能

图

,

阐述了塑壳断路器设计的注意事项及设计优

选参数

。

文献

）

5

*

基于塑壳断路器产品操作机构

简图

，

阐述了塑壳产品操作机构的详细动作过程

。

—

29

—

电器与能效管理技术

(

2019NO.

21

)

图

1

合闸安全角

有效预估系统摩擦力

，

导致仿真结果

0

失真

”

，

即

不符合实际产品的工作状况而出现假象

。

在大量的设计实践过程中

，

合闸安全角

"

的

设计值应大于

9

。

。

但往往因为产品整体设计的

小型化要求

,

不得不取下限范围

7

。

〜

9

。

。

1.2

分闸安全角度设计

手板件验证阶段

，

往往还会遇到这样的情况

,

机构完成合闸后

,

进行分闸操作

，

将

U

型杠杆

50

推至分闸停挡位置

(

如图

2

所示分闸安全角状

态

)

，

触头无法可靠分闸或偶发性不能分闸

。

图

2

分闸女全角

这一现象产生的原因归结于

0

分闸安全角

”

+

设计值偏小

。

主拉簧

P0

能够提供给下连杆

AB

的分力偏小

，

进而下连杆

AB

提供给转轴

04

的分

闸扭矩偏小

，

不足以克服转轴

0#

受到的额外系

统摩擦力

。

在大量的设计实践过程中统计分析这一分闸

安全角

+

的设计值应大于

9

。

。

往往因为产品整体

设计的小型化要求

，

不得不取下限范围

7

。〜

9

。

。

1.3

锁扣与牵引杆搭扣面设计

锁扣与牵引杆搭扣面设计如图

3

所示

。

操作

机构处于合闸状态

，

锁扣与机构牵引杆搭扣

，

两者

—

30

—

-

电器设计与探讨

-

图

3

锁扣与牵引杆搭扣面设计

为面接触

。

如果设计这一搭扣量为

，

，

则这一搭

扣量可以分为

,

、

,

两个部分

,

。

，

1

为机构牵引杆转动中心以上的部分

,

,

为机构牵

引杆转动中心以下的部分

。

如果

,

，

锁扣对牵引杆的力的作用线在

牵引杆转动中心以上

。

机构合闸时将导致机构牵

引杆顺时针翻转

,

从而导致机构合闸滑扣的失效

,

尤其是在高频率快速合闸操作时更能体现

。

如果

，

完全在牵引杆转动中心以下

，

机构合

闸时

,

锁扣对牵引杆的力的作用线在牵引杆转动

中心以下

,

牵引杆不会翻转滑扣

,

合闸可靠性很

高

,

但机构牵引杆脱扣力将会增大

，

给脱扣器

(

包

括热磁脱扣器

、

电子式脱扣器磁通变换器

、

分励脱

扣器

、

欠压脱扣器

)

设计带来很大困难

。

在大量的设计实践过程中

,

,

-

，

1

为

0.2

〜

0.4

mm

较为合理

，

既能够控制合闸时机构牵引杆

不顺时针翻转导致滑扣

，

又能控制牵引杆脱扣力

不会很大

,

保证锁扣与机构牵引杆搭扣的可靠性

。

1.4

跳扣与锁扣搭扣面设计

跳扣与锁扣搭扣面设计如图

4

所示

,

操作机

构处于合闸状态

，

跳扣与锁扣搭扣

。

跳扣搭扣面

与

R

方向应留有一定的夹角

#

。

这样跳扣对锁扣

的作用力

O

就会与

R

方向有一定的夹角

，

增加作

用力

O

的水平分量

0

(

O'Osin

#

)

。

同时

，

将跳

扣与锁扣的面接触改为线接触

，

减少了摩擦面积

。

水平分量

O

’

的增加和摩擦面积的减少

，

有助于克

服跳扣与锁扣之间的摩擦力

，

有利于机构脱扣动

作时跳扣与锁扣解锁

,

能够有效预防

o

死扣

”

的发

生

，

增加操作机构的可靠性

。

如果夹角

#

设计太大

，

则水平分力

O

u

很大

。

锁扣给机构牵引杆的推力也随之增加

，

牵引杆脱

扣相应增加

，

给脱扣器部件的设计带来困难

。

在

大量的设计实践过程中统计分析安全角

#

的设计

值范围应在

6

。

〜

10

。

，

具有优选的效果

。

-

电器设计与探讨

-

1.5

跳扣整体结构设计

“

U

型

”

结构跳扣如图

5

所示

,

U

型结构跳扣

加工方式为碳钢冷冲压工艺

,

其搭扣面特征为悬

臂梁结构

。

在机构合闸过程中

，

悬臂梁结构的搭

扣面受到力

F

的作用下

，

产生较大的弹性变形

,

从而导致合闸过程中

o

滑扣

”

现象的出现

。

尤其

是在高频率快速合闸操作时更能体现

,

大大降低

操作机构合闸的可靠性

。

图

5

“

U

型

”

结构跳扣

另外

，

图

5

所示的

U

型结构跳扣至少存在

3

处折弯角

，

在冷冲压折弯加工过程中

，

零件产生折

弯回弹现象

,将导致搭扣面到跳扣转动中心的关

键尺寸产生较大范围波动

,

从而导致跳扣与锁扣

搭扣量产生较大范围波动

。

机构常出现

“

死扣

”

或“

滑扣

”

现象

，

进一步降低机构合闸的可靠性

。

0

单片式

”

结构跳扣如图

6

所示

，

其零件的整

体刚度较

U

型结构跳扣大大提高

，

加工工艺为金

属冷冲压落料成型

,

零件加工精度与尺寸一致性

较

U

型结构跳扣的冷冲压折弯工艺大大提高

，

能

够有效避免出现

0

死扣

”

或

0

滑扣

”

现象

,

提高操

作机构的可靠性

。

1.6

跳扣再扣面设计

跳扣再扣面的结构型式如图

7

所示

。

圆弧型

跳扣再扣面

、

平直型跳扣再扣面结构是操作机构

电器与能效管理技术

(

2019No.

21

)

结构设计的两种常见型式

。

由于受力方向的原

因

,

导致两种结构再扣力臂存在较大差异

,

机构再

扣力完全不同

，

给操作者的再扣手感也完全不同

。

跳扣再扣面与再扣的力关系如图

8

所示

。

圆

弧型跳扣再扣面的的再扣力与再扣行程的关系为

再扣操作刚启动时

,

再扣力较小

,

手感较轻

;

随着

再扣行程的增加

，

再扣力越来越大

,

给操作者的操

作体验不佳

,

常存在操作者没有完成再扣行程而

松开手柄

,

造成再扣失败的现象

。

平直型再扣面表现出来的再扣力与再扣行程

的关系较好

。

再扣操作刚启动时手感较重

，

随着

再扣行程的增加

，

再扣力臂逐渐增加

，

再扣力随之

减小

,

给操作者的操作体验较好

。

由于存在再扣

惯性冲量

，

再扣成功率和再扣可靠性大大提高

。

2

操作机构关键零部件工艺设计

2.1

锁扣的加工工艺设计

锁扣毛刺面的设计如图

9

所示

，

锁扣与牵引

杆搭扣

。

由于锁扣零件在生产过程中冷冲压模具

—

31

—

电器与能效管理技术

(

2019NO.

21

)

图

9

锁扣毛刺面的设计

毛刺面选择不当

,

造成在锁扣搭扣面一侧形成较

大塌角现象

。

锁扣搭扣面一侧冲裁塌角的出现

,

导致搭扣面积减小

,

锁扣给牵引杆的压力不变

,

牵

引杆搭扣面处压强增加

。

塑壳断路器在高温环境

(

+70

_

)

试验中

，

牵引杆搭扣面处出现较大变

形

，

导致机构合闸滑扣现象

。

这在光伏行业中尤

为常见

，

大大降低塑壳断路器产品的可靠性

。

基于以上原因

，

在进行操作机构锁扣设计时

,

其加工工艺的设计过程中应将毛刺面设计在搭扣

面一侧

，

锁扣毛刺面的改进设计如图

10

所示

。这

样锁扣搭扣面能够获得较好的平面度公差

，

提高

了锁扣与牵引杆搭扣的质量

，

能够有效预防合闸

滑扣的出现

,

进而提高了塑壳断路器的可靠性

。

图

10

锁扣毛刺面的改进设计

另外

,

锁扣适当增加震动研磨抛光工艺

,

去除

搭扣面上的毛刺

，

以预防锁扣与牵引杆搭扣面摩

擦力的增加

,

导致牵引杆脱扣力的增加

,

有助于增

加塑壳断路器的可靠性

。

2.2

跳扣组件的加工工艺设计

跳扣组件加工工艺如图

11

所示

，

跳扣组件是

操作机构中的受力承重部件

，

加工工艺在操作机

构的设计过程中非常重要

。

跳扣的材料尽可能选

择含碳量

0.35

%

以上的优质碳素结构钢或者合

金钢板材

。

含碳量

0.35

%

以上

，

落料完成后可以

直接热处理淬火回火

,

以提高零件强度

,

提高搭扣

面的耐磨性能

,

防止合闸滑扣

,

提高操作机构的机

—

32

—

•

电器设计与探讨

•

图

11

跳扣组件加工工艺

械寿命

。

应避免采用低碳钢渗碳工艺

，

因其会导

致更大的变形量

。

跳扣的搭扣面和再扣面还应进

行抛光处理

,

以减小

U

型杠杆再扣摩擦力和跳扣

脱扣摩擦力

，

提高机构可靠性

％

跳扣支点轴的材料尽可能选择含碳量

0.

35

%

以上的优质碳素结构钢或者合金钢

，

可以直接淬

火回火

,

以提高其强度

,

防止支点轴发生塑性变形

而发生滑扣

,

提高机构的可靠性

％

跳扣与跳扣支点轴的连接方案应采用过盈配

合铆接

，

避免采用焊接方式

。

因焊接工艺在焊接

时

,

焊接点处产生局部高温

,

零件相当于做一次局

部淬火

。

焊接处硬度大幅升高

，

如不进行二次回

火处理

，

操作机构在使用过程中易发生脆断

,

导致

产品可靠性下降

。

因此

，

应避免采用焊接工艺

连接

。

3

结语

本文从结构设计和工艺设计两方面

，

论述双

断点塑壳断路器操作机构的可靠性设计需要注意

的具体事项

,

希望能够给同行提供参考

。

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收稿日期

：

2019-07

-16