本發(fā)明涉及中壓真空斷路器彈簧操動機構(gòu)合閘運動的機械傳動裝置領域，特別涉及一種機械傳動裝置中配用擺動滾軸從動件凸輪機構(gòu)時使真空斷路器具有更好速度特性和負載匹配特性的凸輪優(yōu)化設計方法。

背景技術：

彈簧操動機構(gòu)是真空斷路器中應用最廣泛的一種操動機構(gòu)，具有操作電源容量小、可采用交直流兩種電源、制造成本低等優(yōu)點。彈簧操動機構(gòu)是將彈簧所儲存的能量在合閘運動過程中釋放出來完成合閘動作。而儲能彈簧釋放能量的過程中其輸出力變小，這與真空斷路器的負載反力特性正好相反，為了使彈簧操動機構(gòu)的輸出力特性與負載反力特性相匹配，通常使用凸輪連桿機構(gòu)來轉(zhuǎn)換。其中凸輪機構(gòu)起到改變輸出力大小的作用，而連桿機構(gòu)只是起到傳遞力的作用。為了使動觸頭上等效的輸出動力與等效負載阻力很好的匹配，這就需要對凸輪輪廓進行合理的設計。

在以往彈簧操動機構(gòu)的凸輪優(yōu)化設計中，往往是以操動機構(gòu)的合閘功與負載功的差值最小為優(yōu)化目標，配以能保證合閘所需的約束條件來進行優(yōu)化。這種優(yōu)化方法是已知凸輪與從動件的傳動規(guī)律或者根據(jù)已有的凸輪輪廓曲線將其從動件運動規(guī)律近似為某種常用數(shù)學函數(shù)。

上述的優(yōu)化設計方法在一定程度上是不準確的，雖然能夠保證動觸頭行程和滿足真空斷路器合閘運動特性，但精確到任意動觸頭行程上其精度和準確性無法保證。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供一種真空斷路器彈簧操動機構(gòu)配用的擺動滾軸從動件凸輪機構(gòu)的凸輪優(yōu)化設計方法，以解決現(xiàn)有的凸輪優(yōu)化設計方法精確到任意動觸頭行程上其精度和準確性無法保證的問題。為此，本發(fā)明采用的具體方案如下：

一種真空斷路器彈簧操動機構(gòu)配用的凸輪優(yōu)化設計方法，包括以下步驟：

A、已知所述彈簧操動機構(gòu)的擺動滾軸從動件凸輪機構(gòu)的凸輪輪廓半徑r(θ)，將凸輪輪廓半徑向外等距與其相切的滾軸半徑，即可得到凸輪的嚙合半徑ρ(θ)，通過所述擺動滾軸從動件凸輪機構(gòu)的數(shù)學模型得到凸輪轉(zhuǎn)角θ與擺動從動件擺角η的一一對應關系并利用計算機擬合出數(shù)學函數(shù)關系η＝η(θ)，通過對所得到的數(shù)學函數(shù)進行求導來計算所述擺動滾軸從動件凸輪機構(gòu)的傳動比

B、結(jié)合整個彈簧操動機構(gòu)的運動學和動力學分析得到彈簧操動機構(gòu)的動觸頭上的等效輸出動力F_v與凸輪驅(qū)動力矩T₁之間的數(shù)學函數(shù)關系式其中β和γ均由彈簧操動機構(gòu)中的連桿機構(gòu)的位置所決定，且

C、依據(jù)步驟B中得到的動觸頭等效輸出動力的數(shù)學表達式，以使動觸頭能得到理想合閘運動特性為目標，優(yōu)化其動觸頭等效輸出動力F_v，進而得到優(yōu)化的凸輪輪廓半徑r(θ)。

進一步地，所述步驟A包括如下子步驟：

A1、初始化數(shù)據(jù)，輸入擺動滾軸從動件凸輪機構(gòu)的樣本點處凸輪轉(zhuǎn)角θ對應的凸輪嚙合半徑ρ(θ)、擺桿的長度L_a、凸輪中心O₁和固定軸軸心O₂之間的距離為L₀；

A2、計算從動件擺動角

A3、通過計算機擬合函數(shù)關系η＝η(θ)；

A4、對A3得到函數(shù)η＝η(θ)求導即可得到擺動滾軸從動件凸輪機構(gòu)的傳動比

進一步地，所述步驟A3具體是，通過計算機利用MATLAB軟件或EXCEL軟件中的曲線擬合函數(shù)進行函數(shù)擬合。

進一步地，所述步驟C包括如下子步驟：

C1、初始化數(shù)據(jù)，輸入樣本點處凸輪轉(zhuǎn)角θ_i對應的動觸頭行程S(i)和樣本點處操動機構(gòu)的等效負載阻力F_z；

C2、計算樣本點處動觸頭速度

C3、根據(jù)動能定理得到動觸頭上優(yōu)化的等效輸出動力F_v，其中，m為歸算至動觸頭上的等效質(zhì)量；

得到優(yōu)化的凸輪傳動比

C5、計算優(yōu)化的凸輪輪廓半徑其中，dσ為樣本點處滾軸中心延嚙合曲線切線方向的位移，dα為滾軸中心在嚙合曲線上的切線方向變化角，其中，b為凸輪中心O₁到從動件速度瞬心B的距離，ξ為從動件滾軸中心A和從動件速度瞬心B的連線與過從動件滾軸中心A的垂線之間的夾角。

進一步地，所述子步驟C3的等效質(zhì)量m的在每一樣本點處的計算均需要根據(jù)整個機構(gòu)的傳動比重新進行。

本發(fā)明采用上述技術方案，具有的有益效果是：采用本發(fā)明的方法，對于任意配用擺動滾軸從動件凸輪的彈簧操動機構(gòu)，只需知道凸輪優(yōu)化前的輪廓半徑和彈簧操動機構(gòu)理想的合閘行程曲線即可對凸輪進行優(yōu)化，比以往優(yōu)化方法在精度和準確性上都得到了提高。并且，其求解過程可以通過計算機編程實現(xiàn)，即只需輸入所需的理想合閘運動曲線，就能自動輸出凸輪輪廓。

附圖說明

圖1示出了本發(fā)明的數(shù)學分析計算模型示意圖；

圖2是本發(fā)明計算擺動滾軸從動件凸輪機構(gòu)的傳動比的計算流程圖；

圖3是本發(fā)明計算優(yōu)化的凸輪實際輪廓線的計算流程圖；

圖4是本發(fā)明在實際樣機上應用時的結(jié)果對比圖。

具體實施方式

為進一步說明各實施例，本發(fā)明提供有附圖。這些附圖為本發(fā)明揭露內(nèi)容的一部分，其主要用以說明實施例，并可配合說明書的相關描述來解釋實施例的運作原理。配合參考這些內(nèi)容，本領域普通技術人員應能理解其他可能的實施方式以及本發(fā)明的優(yōu)點。

現(xiàn)結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進一步說明。參照圖1，在凸輪與從動件運動規(guī)律未知的情況下，只需知道凸輪在合閘行程上的輪廓半徑，將凸輪輪廓半徑向外等距與其相切的滾軸半徑，即可得到凸輪的嚙合曲線半徑ρ(θ)。在任意擺動滾軸從動件凸輪機構(gòu)中，從動件的擺動角η可在由中心距L₀、擺桿長度L_a、凸輪嚙合半徑ρ(θ)所組成的三角形中運用余弦定理有：

參照2，描述計算擺動滾軸從動件凸輪機構(gòu)的傳動比的步驟。

首先初始化數(shù)據(jù)，其中，數(shù)據(jù)包括樣本點處凸輪轉(zhuǎn)角對應的凸輪嚙合半徑ρ＝ρ(θ)，ρ＝O₁A，分別將其放入矩陣θ和ρθ中，擺動滾軸從動件滾軸中心A至擺動固定軸中心O₂的距離，即擺桿的長度L_a，凸輪中心和固定軸中心O₁至O₂的距離為L₀。

完成數(shù)據(jù)輸入后開始計算，首先根據(jù)余弦定理的公式有：即可得到擺動角η與凸輪轉(zhuǎn)角θ之間的一一對應關系，合閘過程對應η從最小值到最大值變化的范圍，將得到的從動件擺動角放入矩陣η中，通過諸如MATLAB軟件或EXCEL軟件等的計算機應用軟件的曲線擬合函數(shù)得到η＝η(θ)。即，將凸輪轉(zhuǎn)角θ對應的擺動從動件擺角η的數(shù)據(jù)點導入軟件中，使用其自帶的擬合函數(shù)或者曲線擬合工具箱即可得到η＝η(θ)。將上述函數(shù)關系求導即可得到擺動滾軸從動件凸輪傳動比隨凸輪轉(zhuǎn)角變化的函數(shù)關系式。

參照圖1、3，描述計算凸輪優(yōu)化后輪廓的步驟。

首先以樣機上實際測得的動觸頭合閘運動曲線為參考，在其基礎上以樣本點處動觸頭合閘速度作為依據(jù)進行優(yōu)化，動觸頭所需的合閘速度與真空斷路器的關合電流值有關，由此得到優(yōu)化后的理想動觸頭合閘運動曲線，然后在其上取與凸輪轉(zhuǎn)角樣本點θ_i對應的動觸頭行程樣本點S(i)，即得到所需的初始輸入數(shù)據(jù)。則樣本點處的動觸頭速度對于不同的操動機構(gòu)其主軸轉(zhuǎn)角與動觸頭行程的函數(shù)關系不同，但均為一一對應的關系。由此分別得到觸頭行程矩陣S(i)及其對應的合閘時間矩陣t(i)。

操動機構(gòu)的等效負載阻力曲線同樣可采用離散點的方式輸入，其值放入矩陣F_z，在每個樣本點處根據(jù)動能定理離散點的積分采用梯形積分可得到要達到理想動觸頭速度所需的等效輸出動力F_v，其中，m為歸算至動觸頭上的等效質(zhì)量，這里需注意的是每一樣本點處的等效質(zhì)量均需要根據(jù)整個機構(gòu)的傳動比重新計算。

動觸頭等效輸出動力可根據(jù)機構(gòu)的輸入與輸出功率相等的原則等效計算，則凸輪的驅(qū)動力矩T₁，凸輪的角速度ω₁與動觸頭等效輸出動力F_v，動觸頭速度v之間具有關系式：代入結(jié)構(gòu)尺寸可得到等效輸出動力F_v為：

其中β和γ均由連桿機構(gòu)的位置所決定，且在凸輪驅(qū)動力矩T₁一定的情況下等效輸出動力F_v只由決定。將優(yōu)化后的F_v代入上式即可得到優(yōu)化后的

根據(jù)圖1的示意圖，若將凸輪固定而順時針轉(zhuǎn)動機構(gòu)dθ角度，則從動件固定軸中心O₂將垂直向下運動，其矢量為d₂，滾子中心A相對于O₂點的位移矢量為d₁，其方向垂直于擺臂，而滾子中心A的實際位移為d₃，其運動方向為切線t的方向，矢量大小為|σ|，方向角為α。過點A作中心距O₁O₂的垂線交其于點T，設凸輪與從動件的速度瞬心為B，則垂線AT與AB的夾角為ξ。凸輪中心O₁到速度瞬心B的距離為因此本例中由于dα取決于ξ的變化，因此，嚙合半徑在只需求得后即可得到。

按照以上理論分析過程中公式的步驟代入優(yōu)化后的值即可得到相應樣本點的凸輪嚙合半徑r(θ)。表1示出了本發(fā)明在實際樣機上應用時從樣本點的凸輪轉(zhuǎn)角計算出相應樣本點的凸輪嚙合半徑的過程。

表1

圖4是本發(fā)明在實際樣機上應用時的結(jié)果對比

首先采用樣機實測的動觸頭在合閘開距行程時的運動曲線，在滿足動觸頭運動特性的基礎上求得所需的凸輪機構(gòu)傳動比，按照以上理論計算，得到凸輪在開距行程段的理論嚙合曲線(圖4中的曲線2)。由于樣機的彈簧操動機構(gòu)尺寸已知，測量樣機上所安裝凸輪的實際輪廓后，在三維軟件上繪出其曲線，采用向外等距滾子半徑的方式即可得到此樣機上配備凸輪的實際嚙合曲線(圖4中的曲線1)。將兩條曲線進行對比，圖4中曲線1表示凸輪實際嚙合曲線，曲線2表示凸輪的理論嚙合曲線，由具體計算過程中的部分理論值與實際值對比和圖4所示曲線對比可知各樣本點在極坐標系上的半徑值相差很小，所以驗證了理論的正確性。

由嚙合曲線向內(nèi)等距擺動滾子從動件滾子半徑值即可得到凸輪在合閘開距行程段的輪廓曲線。設凸輪輪廓半徑為r(θ)，滾子半徑為L，則根據(jù)等距公式有：

X＝[r(θ)-L]cosθ

Y＝[r(θ)-L]sinθ

向內(nèi)等距后將會進一步縮小兩條曲線間的差別，使得理論值更加貼合實際，進一步驗證了理論的正確性和可行。

本發(fā)明通過建立凸輪輪廓半徑與動觸頭等效輸出動力的數(shù)學函數(shù)關系式，對于任意動觸頭行程時均能在滿足其動觸頭運動特性的基礎上進行凸輪優(yōu)化。這種方法的優(yōu)點在于只需知道凸輪優(yōu)化前的輪廓半徑和彈簧操動機構(gòu)理想的合閘行程曲線即可進行，比以往優(yōu)化方法在精度和準確性上都得到了提高。并且其求解過程可以通過計算機編程實現(xiàn)，即只需輸入所需的理想合閘運動曲線，就能自動輸出凸輪輪廓。

盡管結(jié)合優(yōu)選實施方案具體展示和介紹了本發(fā)明，但所屬領域的技術人員應該明白，在不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，在形式上和細節(jié)上可以對本發(fā)明做出各種變化，均為本發(fā)明的保護范圍。