浅谈弹簧操动机构储能过程保持方式

穆贝贝，袁平定

（许继电气股份有限公司，河南许昌461000）

浅谈弹簧操动机构储能过程保持方式

穆贝贝，袁平定

（许继电气股份有限公司，河南许昌461000）

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，其利用已储能弹簧释放的能量为动力，实现机构的合闸操作。本文针对弹簧操动机构储能过程中使用的四种储能过程保持方式加以分析说明，并介绍各自的特点及使用环境，为弹簧操动机构的储能过程保持设计提供选择依据。

弹簧操动机构；储能过程保持方式；特点

弹簧操动机构是高压断路器的重要组成部分，是高压断路器中最常见，也是应用最广的一种机构。其储能方式分为电动和手动两种储能方式。电动储能方式是通过电动机带动减速装置来实现；而手动方式是通过手动方式操作储能手柄，进而带动机构的输入接口来实现储能。在手动储能中，储能弹簧未运动到储能保持状态的情况下，通过操作手柄对机构的输入接口做功时，需有储能过程保持装置，否则手动操作手柄一旦停止或取消对机构的输入接口做功，储能弹簧将释放已储存的能量，驱动储能手柄倒转，进而造成手动储能失败。

弹簧操动机构原理简单，性能稳定，随着弹簧操动机构在开关行业的广泛应用，用户对弹簧操作机构可靠性要求越来越高。对手动储能功能的要求越来越苛刻，不仅要求动作灵敏稳定，而且要求操作方便，后期使用尽可能达到免维护状态。本文对手动方式储能过程中的储能过程保持方式作简要探讨。

1 弹簧操动机构手动方式储能的过程和要求

1.1 弹簧操动机构手动方式储能的过程

弹簧操动机构的储能环节一般包括手动输入轴、齿轮啮合传动环节或链轮传动环节、离合挚子、离合轮、储能轴、拐臂和储能簧等。离合挚子固定在齿轮或链轮上，离合轮和拐臂固接在储能轴上。储能时，由手动输入轴通过齿轮啮合传动环节或链轮传动环节带动离合挚子运动，然后由离合挚子驱动离合轮带动拐臂旋转运动，从而由拐臂拉动合闸弹簧进行储能，直到储能到位并保持。同时离合挚子通过限位轴脱离离合轮，保证电机或储能手柄可继续沿储能方向运动，不至于储能簧运动到位后而由于手动或电动方式储能过位而造成机构卡死。

1.2 弹簧操动机构手动方式储能的要求

储能弹簧从初始最短状态被拉伸到最大极限长度状态过程中的某一任意时刻时，要求储能手柄停止转动或拔出后，储能弹簧的能量不能释放，而应实现此状态的即时保持。为实现此过程种某一时刻保持，此处需要有一机械限位装置，该装置要求具有一定的强度，达到一定的寿命和较高的安全性。储能操作动作应可靠，保持装置动作应灵敏。

2 储能过程保持的种类

2.1 棘爪方式的储能过程保持

弹簧操动机构的储能环节通常都有齿轮传动环节。可在机构侧板上安装固定一棘爪（如图1），并带有棘爪复位扭簧，通过棘爪的尖部与齿轮的齿廓相啮合而实现单向保持，由此实现齿轮的单向传动，逆向保持扭矩[1]。

图1 棘爪方式储能保持示意图

在手动储能过程中，储能手柄储能旋转时，大齿轮顺时针转动，并由大轮齿依其外形拨动棘爪升离轮齿，从而实现齿轮传动，当棘爪尖部越过齿顶时，在棘爪复位扭簧的复位扭矩下，棘爪尖部再次跃入齿底，此时储能手柄拔出或停止提供储能扭矩时，棘爪仍与齿轮齿廓啮合而实现保持，防止了齿轮倒转，实现了储能过程保持。

此种方式的优点是：结构简单、体积精小、工艺可靠性高、机械寿命长、零件简单、加工方便、成本低、易维护且标准化程度高。缺点是：储能过程中，因棘爪在棘爪复位扭簧的复位扭矩下，棘爪的尖部从齿形顶部跃入齿底时，产生“哒哒”的声响。另外由于棘爪尖部与齿轮齿廓间隙较大，存在较小幅度的回退，此动作不是很灵敏。受到齿轮齿数数量的限制，对其动作灵敏性影响很大，齿数越多，传递越精确。齿数越少，传递回退现象越明显。

此种方式的储能过程保持对工作状况要求低，能克服工作环境灰尘大、润滑状况一般、重载传递，瞬间能承受一定的冲击力，适应性强，适用范围广。

2.2 凸轮方式的储能过程保持

传动原理示意图如图2所示，手动储能时，储能连杆顺时针旋转，对与其铰接一起的储能凸轮产生一压力，使储能盘与储能凸轮间形成驱动储能盘旋转的摩擦力，通过此摩擦力带动储能盘做顺时针转动，后续储能方式类似于大齿轮储能方式，从而实现弹簧操动机构的储能。而保持凸轮在自身复位扭簧的作用下，时刻保持与储能盘圆面接触。当连杆回位时或者停止做功时，储能盘在储能弹簧的回退扭矩下，给保持凸轮一压力，在储能盘与保持凸轮间形成阻碍凸轮盘旋转的摩擦力，从而实现储能盘的保持。而此时储能凸轮对储能盘的压力也随之消失，仅在自身复位簧作用下，产生与储能盘接触的压力，此压力很小，可忽略不计。连杆如此回位，继续下一个储能动作，以实现单向传递扭矩，直至储能结束。

图2 凸轮方式储能保持示意

这种方式的优点是：储能噪声小、传动过程平稳、无回退现象。缺点是体积大、结构容易受空间布局限制、凸轮加工精度高、工艺复杂、成本高。这种方式一般不采用尺寸齿轮驱动齿轮轴，而是采用凸轮驱动圆柱面的方式进行直接驱动储能轴进行储能，与电动传动环节分离。为提高传递可靠性，需要在储能凸轮与储能盘和保持凸轮与储能盘之间保持一定的摩擦系数。其系数不能太小，否则容易失效。同时，对零件表面光洁度要求较为严格，因此此种方式使用范围较小。

2.3 单向轴承方式的储能过程保持

此方式是将单向轴承安装到轴承套内（见图3），再将轴承套固定在机构侧板上，最后将储能环节的齿轮轴或链轮轴穿过单向轴承，通过单向轴承自身的单向功能实现储能环节的单向传动。

图3 单向轴承方式储能保持示意图

此种方式的优点是：储能无噪音、零件标准化程度高、结构简单、空间占用小、无回退。缺点是：对与之配合的储能轴的精度和强度要求高、机械强度低、可靠性稍差、损坏后机构储能卡死状态不易消除，不易维护。

此种方式一般使用在储能环节大于2级齿轮传动的环节上，为减小单向轴承的负载扭矩，单向轴承一般用于一级传动齿轮轴上。工况要求较高，要求在密闭、润滑良好且污垢较少的工况下，扭矩传递要求较平稳，载荷不大，受力变化幅度要求不是很大，以延长其使用寿命。适用范围有一定局限性。

2.4 超越离合器方式的储能过程保持

此方式在功能上类似于单向轴承（见图4），但这种超越离合器一般直接使用在驱动合闸弹簧储能的储能轴上，超越离合器的外圈固定在机构侧板上，内圈固接在储能轴上。同样采用齿轮或链轮传动方式带动超越离合器内圈单向转动，反向保持[2]。

图4 超越离合器方式储能保持示意

一般弹簧操动机构合闸后，合闸弹簧会在初始位置反复震动，最终归于初始位置，这样对储能簧的寿命会有一定的影响。而使用这种方式的弹簧操动机构，其合闸后合闸簧会运动到储能方向摆动幅值最大的位置保持，从而减小下一次储能手柄提供扭矩的圈数，对于电动则减小电机带负载运动的圈数。

这种方法的优点是：储能无噪音，可靠性高，无回退，扭矩传递能承受一定的冲击，载荷大，减少手动带负载操作的储能次数。缺点是：结构复杂、组装工艺复杂且要求较高、工况要求较高，要求在密闭、润滑良好且污垢较少的工况下，体积大、加工精度高，机械强度高、适用性较差。

3 结束语

手动弹簧操动机构的储能过程保持种类较多，各有特点，使用方法和适用环境也各不相同，在储能过程保持的设计中可根据手动弹簧操动机构的布局特点、传动环节的特点、使用工况的不同以及加工单位自身工艺水平高低，以及产品的定位等方面，综合考虑选择合适的设计方案。

[1]姚受田.多功能的双爪棘轮机构[J].矿山机械，1995（02）：39.

[2]王建伟，张素宁.三种单向自动离合器特性及使用分析[J].移动电源与车辆，1999（04）：2.

The Energy Storage Process Holding Ways of the Spring Operating Mechanism

MU Bei-bei，YUAN Ping-ding
（XuJi Electric Co.，Ltd.，Xuchang Henan 461000，China）

Spring operating mechanism is a kind of mechanical actuator with spring as energy storage element，and uses energy released by stored energy spring as the driving force to achieve the closing operation of the mechanism. In this paper，the four kinds of energy storage process holding ways used in energy storage process of spring operating mechanism are analyzed，and their characteristics and the usage contexts are introduced，providing the basis for energy storage process holding design of the spring operating mechanism.

spring operating mechanism；energy storage process holding ways；characteristics

TM561

：A

：1672-545X（2017）01-0019-02

2016-10-20

穆贝贝（1989-），男，河南周口人，助理工程师，本科，从事开关机构设计及制造工作。