塑殼斷路器機構靜態與動態的穩定性設計

作者主要介紹在操作機構在安裝時，根據塑殼斷路器機構件的裝配關係，選取可靠的定位基準及限位措施；在機構運動過程中，根據操作機構的所處的不同狀態，依靠機構自身的結構，確定限位的幾何要素。以上這些為保證機構運動的穩定性提供了理論依據，對提高產品的可靠性具有一定的指導意義。

塑殼斷路器是低壓電器中的重要設備，主要用於配電迴路及用電設備側，承擔接通、承載、正常斷開或電路異常時分斷電流的作用。

塑殼斷路器的結構一般由操作機構、觸頭系統、過電流脫扣系統以及滅弧系統等部分組成。其中操作機構的作用是保證正常使用過程中的合、分閘以接通和斷開電路，以及在短路、過載等故障情況下，打開觸頭系統斷開電路[1]。

塑殼斷路器的操作機構是典型的連杆機構[5]，結構緊湊，其動態特性決定了斷路器合閘、分閘、脫扣、再扣、隔離等功能的可靠性。能夠使上述功能實現且可靠穩定的前提是保證操作機構的靜態安裝位置及動態位置的可靠。下面以典型的塑殼斷路器機構為例，對其靜態、動態的定位進行分析。

1 操作機構的結構組成

圖1 斷路器的操作機構示意圖

圖1是斷路器機構件組成情況。在這裡靜態零件有基座、支架、軸1（脫扣限位軸）、軸2（合閘限位軸）；動態零件有槓桿、跳扣、上連杆、再扣、鎖扣、下連杆、軸3（上下連杆軸）、動觸頭、轉軸。其中支架是支承再扣、鎖扣、跳扣、槓桿及1、2這兩根限位軸的零件；基座是布置支架、靜觸頭、轉軸的零件；可以看出，基座和支架之間的配合及相對位置，對於整個操作機構的功能能否正常實現的影響是相當大的。

2 操作機構的靜態安裝位置的限定

以往，我們經常碰到這樣的情況，基座和支架之間沒有可靠的定位，而僅僅依靠螺釘來同時充當定位與固定限位的角色，如圖2所示。由於實際裝配中，螺釘通孔直徑大於螺釘直徑，兩者之間存在間隙，造成支架在X方向的位置不固定，導致支架在安裝後的位置具有隨機性，影響整個機構的運動參數和產品觸頭參數。

圖2 斷路器支架在基座上裝配示意圖

要使機構的位置在X方向上的位置確定下來，其定位原理可參考以下兩種定位方式[2]，如圖3-1和圖3-2所示。需要注意的是，採用第二種方式時，為方便拆裝，可以減小過盈配合面。

圖3-1 定位—夾緊的方式

圖3-2 輕微過盈配合方式

機構除了需要在X方向上的定位以外，另外還需要在Y方向上的定位。

目前通常的定位方式是，在操作機構的Y方向，將4個螺釘孔所在凸緣折彎成型（這4個面比較小），如圖4-1所示。

圖4-1 利用折彎成型後的面實現高度定位

存在下列不確定因素：

①支架的折彎後垂直度（見圖4-2）

②4個螺釘孔所在螺紋起始面的公共平面度

圖4-2 凸緣折彎的實際情況及裝配情況

這會造成機構支架的高度位置受隨機性影響，對觸頭參數（如開距及超程），合閘的可靠性以及主觸頭位置的手柄顯示造成較大影響，故建議儘量不宜採用圖4-1的定位方式。

為了消除圖2和圖4-1定位方式的缺點，可以採用如圖5所示的安裝方式：通過支架上的兩個凸包與基座上的槽的配合（X方向的輕微過盈設計），保證了機構在X方向的固定限位；通過支架上兩個經衝切的平面與基座上相應的平面的配合（Y方向的限位設計），保證了Y方向的固定限位；而支架上折彎成型的螺紋面與基座留有一定的間隙，避免了圖4-1中的弊端。

圖5 改善後的機構靜態安裝定位方式

3 操作機構的動態關鍵位置的限位

圖1所示的機構是典型的連杆機構，其中當機構再扣以後，鎖扣和跳扣的位置相對固定，形成四連杆機構；當發生脫扣時，鎖扣和跳扣的固定位置被打破，形成五連杆機構。四連杆狀態下，即再扣、鎖扣、跳扣定位時，可以把此時的再扣、鎖扣、跳扣當作固定機架來處理；運動件是上連杆、下連杆、槓桿、轉軸、動觸頭。其動態運動過程中的關鍵限位狀態有合閘、分閘，其限位的具體位置如圖6、圖7所示。

圖6 合閘狀態

圖7 分閘狀態

當把機構從五連杆變成四連杆機構（即再扣過程）時，限位位置如圖8所示。

圖8 再扣到極限位置時的狀態

當機構處於脫扣狀態時，再扣和鎖扣互相限位，跳扣由軸1來限位，如圖9所示。

圖9 自由脫扣狀態

常見的斷路器脫扣時連杆、動觸頭的定位依靠動觸頭來定位，如圖10所示。這種定位方式存在缺陷，由於開關分閘時的瞬間衝擊力很大，通常可以達到150N以上。動觸頭的材料通常是純銅，表面硬度低，在撞擊部位容易形成凹坑，甚至變形，影響觸頭參數。

當然，若斷路器結構受限制，脫扣時不能根據圖9的方式來限位，而只能類似圖10的方式的話，則需要在蓋子上加橡膠緩衝件或在限位軸上套上軟橡膠管等起緩衝作用的輔助材料，避免動觸頭損傷、變形。

圖10 依靠動觸頭實現脫扣定位

針對具有隔離功能的斷路器，我們需要增加主觸頭位置指示的有效性。我們必須根據GB14048.1標準進行操作。由於支架、槓桿、連杆、觸頭系統等零部件的製造及裝配誤差，加上摩擦力的不確定性，導致槓桿可能回不到合閘位置，實現不了主觸頭的隔離指示功能。

為了更好實現可靠主觸頭的隔離指示，我們建議增加如圖11所示的限位設計。其思路是，增大向合閘位置回復的力矩，減小反力矩。而槓桿越靠近再扣時的極限位置，反力矩越大，回復力矩越小。

在驗證操作時，不讓槓桿在操作力作用下靠到通常槓桿在支架上的限位凸臺或限位軸（這也是再扣時，槓桿的限位位置），而是在中途就將其限位，在圖11中，我們可以看到槓桿被上連杆上的一個凸緣限位。此時撤銷操作力，則槓桿向合閘位置轉動的力矩遠大於反力矩，手柄可以輕鬆回到合閘狀態，主觸頭的隔離指示功能得以實現。

圖11 主觸頭位置

4 結束語

本文通過對某型號塑殼斷路器的靜態裝配定位與各動態關鍵位置的限位位置的分析，指出了目前某些斷路器定位方式的缺陷，給出了幾種解決方案。本文所述的機構的主要特點是關鍵位置的限位全部依靠機構件，這對於縮短尺寸鏈，將功能尺寸集中在幾個機構件內，對設計的穩健性及產品質量的提高具有積極的意義。

（編自《電氣技術》，標題為「塑殼斷路器機構靜態與動態的穩定性設計」，作者為袁亦峰。）