真空断路器弹簧操动机构中凸轮机构的优化设计吴伟光，马履中（江苏理工大学机械工程学院，江苏镇江212013）改善真空断路器操动机构的传动运动特性，减小真空断路器的操作输出功，对提高真空断路器的操作使用性能及寿命都具有直接的影响。利用凸轮机构的多项式运动规律的特点，以凸轮多项式运动规律的多项式系数为优化变量，以断路器操动机构*小的输出功为目标函数，考虑操动机构合分闸时凸轮机构传动压力角的情况，建立了弹簧操动机构中凸轮机构的优化数学模型，并利用matlab语言的优化工具箱方便地实现了优化过程，得到了较理想的优化设计结果。

断路器；凸轮机构；优化弹簧操动机构是真空断路器中*常用的一种操动机构。这种机构一般普遍米用凸轮一连杆机构组合而成。实践证明这种机构基本满足了真空断路器的使用要求，然而在满足要求的前提下，还需要合理地设计操动机构，减小机构的输出功，改善机构的传动特性，从而提高机构的操作性能，提高真空断路器的使用可靠性及寿命。

1真空断路器的弹簧操动机构轮轮廓均采用圆弧曲线光滑连接而成，这种凸轮的轮廓设计简单，易于加工和检测，并可获得较高的加工精度，但由于凸轮的轮廓表面由几段不同的圆弧曲线组成，它们的曲率半径的不同和曲率中心不一致，因而造成操动机构的加速度特性曲线的跳跃和不连续。另如所示，4轴上凸轮机构的速度曲线在4轴转角4的22°左右发生了突变，虽然理论上其应该是连续的，但由于4轴上凸轮轮廓的3段圆弧曲线中，中间一段过渡圆弧曲线与从动件啮合时，凸轮转角仅1°左右，这样在前后两段圆弧曲线之间的运动传动特性就为vg1型10kv真空断路器弹簧操动机构原理简图。它是由合闸弹簧储能机构01和将合闸弹簧力变换成合闸操作力的两个凸轮一连杆机构组合而成，其中臂杆与凸轮1在同一轴2上，杆与凸轮2在同一轴4上。合闸时，由合闸储能机构的弹簧势能作功，通过凸轮一连杆机构的力矩传递，一方面使拐臂ef上的分闸弹簧g储能，另一方面推动绝缘拉杆fh向上运动，推动动触头完成合闸操作。分闸时，操作d处的半轴，在g处的分闸弹簧及触头弹簧作用下，实现动触头的分闸。

在此弹簧操动机构中，2轴及4轴上的凸吴伟光（1969―），男，安徽省黟县，江苏理工大学助教。

表现出了跳跃性。从而使整个操动机构的运动特性等表现出跳跃性。另外，此断路器动触头的合闸速度也过大。因此，要真正改善操动机构的传动性能，并对操动机构合闸主弹簧有一个*经济的设计，有必要对凸轮机构，尤其是4轴的凸轮机构进行优化设计或重设计。

2建立凸轮机构优化设计数学模型对凸轮机构进行优化设计，有两种方法：一种是凸轮轮廓还是采用圆弧曲线，通过以各圆弧半径为优化设计变量，使凸轮呈现出较好的运动特挫41；另一种方法是采用凸轮机构中的多项式运动规律，以多项各项系数为优化变量，从而得到要求的运动特性。下面就采用第二种方法对操动机构中4轴的凸轮机构进行优化设计。

凸轮机构优化设计变量的确定。凸轮从动件的多项式运动规律是通用性*强的运动规律，可以按照任给的若干运动要求来设计运动规律。并且，对多项式运动规律来说，只要其多项式项数的幂次数取得足够高，其对应的高阶导数总是光滑和端点连续的。因此，这种运动规律在中、高速凸轮机构中得到广泛的应用。

摆动从动件凸轮多项式运动规律的通式可以写成轮和摆动从动件的相应转角。

考虑到具体的断路器凸轮机构，多项式系数可以取n =5；另外，由机构的边界条件可知，当、d屮d小d、同样，一当、=、（、为凸轮的*大转角）时，卜令（☆为从动件的*大摆角）。这样凸轮机构的运动规律可表示为并且同的值时，凸轮机构呈现不同的运动规律，所以可取c3、c4、c5及操动机构的合闸主弹簧的刚度k为优化设计变量。

目标函数的确定。从断路器操动机构的可靠性来说，它必须与灭弧室取得协调而和谐的设计，过大的惯性力、摩擦力及冲击力都将导致可靠性的降低。因而降低操动机构操作功成为设计应当追求的目标王季梅，等。真空开关m.北京：机械工业出版社，1983.杜藏等。科学计算语言matlab简明教程m卜天津：南开大学出版社，1998.邹慧君，等。凸轮机构的现代设计m.上海：上海交通大学出版社，1991.金晓怡。摆动从动件六圆弧盘形凸轮机构的优化设计。机械设计与制造工程，1999（6）10-12.楼家法。从速度特性寻求断路器设计的准则。

顾丕骅。高压断路器传动机构*佳传动比设计分析苑舜，等。真空断路器合闸预振动分析及消除方（责任编辑王丽伟）

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