机械设计制造设计论文一种高压断路器电动操作机构的设计和加工工艺研究.doc
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1、 河南农业大学本科生毕业论文(设计) 题 目 一种高压断路器电动操作机构的设计和加工工艺研究学 院 机电工程学院 专业班级 07级机制4班 学生姓名 程少华 指导教师 张秀丽 撰写日期:2011年5月10日64摘 要电动操动机构可以实现高压断路器的“合”、“分”、“接地”三工位动作。弹簧操动机构是一种以弹簧作为储能元件的机械式操动机构。弹簧的储能借助电动机通过减速装置来完成,并经过锁扣系统保持在储能状态。开断时,锁扣借助磁力脱扣,弹簧释放能量,经过机械传递单元使高压断路器实现合分闸运动。设计出一种弹簧操动机构,使其输出扭矩为,输出转速为。为了尽量避免弹簧操动机构存在的手动操作费力、传动不能准确
2、到位等问题,设计出一种手动脱开机构,当搬动手柄轴调至手动位置时,手动合分闸需要的力量适中。本文介绍了高压断路器操动机构的发展历史及各种操动机构的优缺点,并针对一种高压断路器合分闸需要的扭矩,对其进行电动操作机构的设计,并着重介绍了操作机构主要零部件轴、齿轮的强度计算、机构设计和机械加工工艺的制定,以及操作机构箱体的机械加工工艺的研究和箱体钻孔的夹具设计。关键词:电动操作机构;强度计算;结构设计;加工工艺;夹具设计The design and processing technology research of a kind of high voltage circuit breaker elec
3、tric operatorAbstractElectric operation system can realize of high voltage circuit breaker close, points, ground 3 Labor movements. Spring operation structure is a spring as energy-storage components mechanical operation structure. Springs stored energy completes with the aid of the electric motor t
4、hrough the decelerating device, and maintains at after the lock catch system the stored energy condition. Open circuit, lock using magnetic tripping, spring release energy, after mechanical transmission unit to realize high voltage circuit breaker fits break-brake movement. Designs one kind of sprin
5、g to hold the drive mechanism, causes its output torque is 90110N.m, the output rotational speed is 5r/min.In order to avoid spring operation manual operation of dynamic organizations are not accurate in place strenuous and transmission, design a kind of manual withdraw institutions, when move handl
6、e axis moves to a manual position, manual close break-brake need strength moderate. This paper introduces the high voltage circuit breaker operation structure and history of the advantages and disadvantages of various operation system, and in the light of a kind of high voltage circuit breaker close
7、 break-brake need torque, and carry on the electric operator design, and emphatically introduces the major parts of the shaft, operating mechanism of gear strength calculation, mechanism design and machining technology formulation, and operating mechanism of the machining process of the body and the
8、 research of fixture design drilling. Keyword:Electric operator; Strength calculation; Structure design; Processing craft; Fixture design目 录1 引言11.1 常见的高压断路器11.2 高压断路器的组成31.3 高压断路器操动系统的简介31.4 现有操动机构存在的主要问题42 课题设计的参数要求及总体设计原则53 课题设计传动方案的设计63.1 传动方案的选择63.2 电动机的选取73.3 微动开关的选择83.4 确定传动装置的总传动比和分配传动比103.5
9、 确定传动装置的运动和动力参数104 主要零部件的设计和工艺制定134.1 齿轮的设计及计算134.2 轴的设计及计算174.3 II轴加工工艺的制定214.4 大齿轮加工工艺的制定235 箱体加工工艺的制定和钻孔夹具的设计255.1 箱体加工工艺的制定255.2 箱体钻孔夹具的设计426 结果分析467 结束语47参考文献48致谢49附录1:外文翻译原文50附录2:外文翻译译文581 引言随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高,对电力的需求量越来越多,促使电力事业迅速发展,电网不断扩大,供电质量和供电可靠性的要求也越来越高。在配电和供电系统中,由于高压断路器的特殊作用,对其可靠性
10、和免维护的要求更高,因此世界各国对高压断路器的理论研究和设计开发一直在不断进行着。 3KV及以上的电力系统中使用的断路器称为高压断路器。高压断路器是电力系统中最主要的控制、保护元件,对电网的安全运行起着关键作用。概括地说,高压断路器在电网中主要起两方面的作用:第一,控制作用。即根据电网的运行需要,用高压断路器把一部分电力线路和设备投入或退出运行。第二,保护作用。高压断路器可以在电力线路或设备发生故障时将故障部分从电网中快速切除,保证电网中无故障部分正常运行1。如果它们一旦在运行中发生故障或在故障时不能正常的动作,将会造成严重的后果,小则引起一个地区的停电,给人们的社会生活带来很大的不便;重则导
11、致电网瓦解、系统崩溃,给国家的经济建设和政治生活带来不可弥补的重大损失。因此,高压断路器及其运行的可靠性直接关系到整个电力系统的安全运行和供电质量,在电力系统中起着十分重要的作用。 高压断路器是电力系统中最重要,也是最复杂的电器设备之一。其工作理论和工作原理牵扯面较大,内容庞杂,既有电磁学理论,又有热学和力学理论,所以它的设计计算非常复杂,过去着重研究电磁静态吸力与负载反力的配合,按照能量的方法进行粗略计算,在规定操作电压下吸力特性在全部行程里都高于反力特性,以保证闭合的可靠性。实际上,电磁机构衔铁的运动过程中只存在动态吸力而不存在静态吸力。这就是说,只有动态过程才是表征电磁系统动作时的真实过
12、程,只有进行电磁系统的动态特性的分析和计算才是电磁机构设计的关键。1.1常见的高压断路器油断路器:油断路器是发展最早的一种断路器,它以矿物油或者合成油作为灭弧和绝缘介质。它是一种完全利用电弧本身产生的能量使其灭弧的机构,电弧的能量与电流和电弧压降的大小以机 燃弧时间的长短有关。当电弧能量足够大时,电弧的熄灭较为顺利,燃弧时间短。如果电弧能量不足,则燃弧时间超长,因而燃弧时间与开断电流成反比关系,但是当开断电流甚小时,因弧道去游离化微弱,电弧是不容易燃弧的,所以在开断特性上出现了临界电流值,其燃弧时间达到最长。油断路器的燃弧时间比其它断路器要长一些。油断路器的机构多用弹簧操动机构和液压操动机构,
13、尤其是高压和超高压油断路器的操动机构均为液压操动机构。压缩空气断路器:压气式灭弧室利用压缩空气气流对电弧去游离并建立弧后绝缘的装置。开断电流与压缩空气的压力和流量成正比。这种灭弧室的特点是从燃弧开始,气吹就十分剧烈,电流过零以后,介质绝缘强度的恢复较缓慢,最后则总绝缘强度高。因而,对于开断空载线路极为有利,能给灭弧室并联电阻起到增容的作用。在高压和超高压压缩空气断路器中使用的大多是纵吹灭弧室。其操动机构多用气动机构,但压缩空气断路器现在已很少使用,它以被油断路器和SF6断路器所取代。 六氟化硫(SF6)断路器:SF6断路器目前在高压和超高压中应用最为广泛的是单压式灭弧室机构,灭弧室由压气缸和活
14、塞组成。这里活塞是静止的,而压气缸内与触头固定在一起,是可动的,随着动触头的打开,压气缸SF6气体的流速和密度依压气缸的压强而定,这使灭弧的主导因素,喷嘴的合理设计和断口间的电场分布,决定着电流开断的成败。单气式SF6断路器的灭弧系统消耗能量最大,约为少油、空气和双压式SF6断路器消耗能量的一倍,当单压式SF6断路器刚刚出项的时候,操动机构都采用压缩空气式,采用弹簧操动机构和液压操动机构的很少,到1983年以后,采用液压和弹簧操动机构才占大多数,而压缩空气机构局少数地位,许多制造厂家转而生产液压操动机构是因为它适应能量需要,且具有合分闸缓冲简单、运动质量小及操动机构时间短等优点。真空断路器:真
15、空断路器是通过对接式触头进行合分操作的,由于真空度好的间隙绝缘强度很高,所以,其最大触头开距很小,相对操作功也不大。为更好的开断电流,触头结构设计为带有不同形式的磁场方式。研制初期,还只限于小容量,随着真空断路器技术和理论的不断完善,触头结构和断路器结构的不断发展和深入,真空断路器正向高压、大容量方向发展。影响真空断路器开断能力的因素很多,其中主要有灭弧室内的触头结构及材料、触头直径、真空度、触头开距、外加磁场等。众所周知,对于触头结构而言,产生横向或者纵向磁场的电极结构,其开断能力明显高于平板型电极;对触头材料而言,目前Cu、Cr材料比较理想。真空断路器的极限开断电流与电极直径近似成正比。根
16、据以上特点,加上真空断路器的机械寿命达上万次之多,而且操作功不大,所以最佳操动机构为弹簧操动机构或者电磁操动机构。1.2高压断路器的组成高压断路器按功能可分为以下几个部分:导电部分:断路器导通电流的部分。它允许通过长时间的正常负荷电流和一定时间的异常电流,如负荷电流和短路电流。绝缘部分:保证断路器电器绝缘的部分。它包括三个基本部分,即对地绝缘、相对绝缘和断口绝缘。接触系统和灭弧系统:执行电路开断和关合的部分。它表征断路器的合闸和分闸能力。操作系统:促使触头分断和接通的部分。它赋予断路器以规定程序的动作以及一定的动作时间和速度2。1.3高压断路器操动机构的简介1.3.1操动机构的结构组成和作用通
17、常把独立于断路器本体以外的部分称为操动机构,因此操动机构往往是一个独立的装置,操动机构由做功元件、连杆系统、维持和脱扣部件等几个主要部分组成。操动机构的高压开关的重要组成部分。高压开关采用电动操动机构后,不仅可以减少操动人员的劳动强度,提高操动的安全可靠程度,缩短操作时间,而且还可以实现操作的遥控化.该机构与真空断路器负荷开关配装后,可以实现电动合闸、分闸、接地、遥控分闸及自动重合闸等一系列动作。1.3.2操动机构的可靠性要求操动机构是断路器的重要组成部分,断路器的工作可靠性在很大程度上依赖于操动机构的动作可靠性。断路器事故分析表明,由于操动机构原因而导致的断路器事故占总事故的 60%以上,足
18、见操动机构对断路器工作性能和可靠性起着至关重要的作用。操动机构的动作性能必须满足断路器的工作性能和可靠性的要求,这些要求有:有足够的短路关合能力。操动机构不仅在断路器在正常工作的情况下能顺利合闸,而且当断路器关合到有预伏短路故障的电路时,操动机构必须能克服短路电动力的阻碍,顺利合闸;合理的输出特性以保证断路器动触头的分合闸速度,并在分合闸终了时,其剩余能量不致造成断路器的过分振动和零部件的损伤;能使断路器可靠的保持在合闸位置。操动机构在合闸过程中,合闸信号维持的时间很短,操动机构的操作力也只在短时间内提供,因此,操动机构必须保证在合闸信号和操作力消失以后,使断路器能可靠地保持在合闸位置;操动机
19、构应保证能源(电压、液压、气压)在一定变化范围内可靠动作,如在额定值的 80%或 85%110%的范围内可靠合闸,在额定值的 65%120%的范围内可靠分闸;具有自动脱扣和防跳跃能力;动作快速、机械寿命长和便于维修等3。1.3.3操动机构的工作原理电动操动机构用电动机作为动力源,其功率根据主轴最大输出力矩选择,电动机通电,当该机构电动操作时,电机通电,带动小齿轮转动,小齿轮带动大齿轮转动,由于大齿轮与传动轴通过轴、键、或销相连,所以传动轴随之转动,并通过连接套带动操作开关用的主轴低速转动,实现高压断路器实现“合”、“分”、“接地”等操作4。1.4现有操动机构存在的主要问题目前用于中压等级断路器
20、的操动机构主要有电磁式和弹簧式两种。电磁操动机构在真空断路器发展初期得到了广泛的应用,这是因为电磁操动机构能较好的迎合真空灭弧室的要求:一是行程短(8-25mm);二是合闸位置需要较大的操作力(2000-4000N/相)。然而电磁操动机构也存在不容忽视的缺点,磁路电感L在合闸过程中变化较快,产生反电动势idL/dt,从而抑制了合闸线圈动态电流的增长,而且这种抑制作用随着合闸速度的增加而增强5。这样,当线圈的稳态电流已经较大时,若想用进一步提高线圈稳态电流的方法来抵消这种抑制作用,常受到合闸电源容量的限制。因此,电磁操动机构合闸时间较长,电源电压波动对合闸速度影响较大。相比之下,弹簧操动机构采用
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