一种三工位电动机构的程序锁装置及其使用方法与流程

本发明涉及一种高压隔离、接地三工位开关使用的三工位电动机构的程序锁装置及其使用方法。

背景技术：

在高压输变电系统中，目前普遍采用sf6气体绝缘全封闭组合电器(gis)作为系统操作、系统保护的重要设备，包括断路器、隔离开关、接地开关等操作单元，为减小体积、降低成本，现普遍将隔离开关和接地开关设计在一个气室内，由一台三工位电动机构分别实现对隔离开关和接地开关的开断和关合操作。系统操作需要严格遵从操作流程，如系统合闸时先合隔离开关，再合断路器；系统检修时先分隔离开关，再合接地开关等操作顺序，一旦各单元的操作顺序与规定的操作流程不符，将可能对设备和人身安全造成严重的伤害。为杜绝此类安全事故的发生，部分地区用户要从操作流程方面入手，要求系统内各个操作单元按照操作顺序的逻辑关系具有程序锁功能，只有操作人员得到操作许可，方可打开需要操作单元的程序锁，解除本单元的机械和电气锁定，进行相关操作。否则，系统发出的任何误操作信号，都会因操作单元设置的程序锁电气地、机械地锁定而无法动作，确保了机构操作过程中的设备和人身安全。

目前能检索到的三工位电动机构尚不具备程序锁功能，而市场上常规的隔离开关电动机构的程序锁装置是利用程序锁的锁头直接卡住机构的输出轴，实现对隔离开关电动机构的电气和机械锁定功能。但该结构不能运用于三工位机构，若借鉴该设计思路，利用程序锁锁头直接卡住机构输出轴的方式来达到位置隔离开关锁定的目的，此时与隔离开关复合设置的接地开关同样无法动作，这与操作流程相悖。因此，需要设计一种适用于三工位电动机构的程序锁装置，锁定隔离开关的分闸位置，同时与本隔离开关复合设置的接地开关不被锁定，按操作流程在需要操作时能够顺利进行操作。

基于上述原因，为满足部分地区用户对程序锁功能的需求，拓宽三工位隔离/接地开关应用，在三工位电动机构中设置了程序锁装置，该装置在锁定后，将会实现对该工作位置的电气地、机械地锁定，若未得到解锁操作许可，操作人员将无法进行相关操作，可确保机构操作过程中设备和人身的安全。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种三工位电动机构的程序锁装置及其使用方法，该装置采用了控制主动凸轮和控制从动凸轮组成的间歇运动结构，位置控制精度高，半轴与动力凸轮的组合，强度高，因此，本装置结构简单、可靠。能够在上锁后锁定三工位电动机构的分闸位置，解锁后自动解除对该工作位置的锁定，从操作流程方面入手，杜绝因人为操作失误等造成的意外动作。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种三工位电动机构的程序锁装置，包括设置在三工位电动机构的机芯顶板上的工作位置锁定与解锁装置，以及设置在三工位电动机构的机构箱上的自动复位装置；

所述的工作位置锁定与解锁装置包括通过轴承固定于顶板的半轴、与半轴同轴设置的位置控制从动凸轮、与位置控制从动凸轮相对应的位置控制主动凸轮以及与三工位电动机构的机构主轴固连的动力凸轮；控制主动凸轮铰接在机芯顶板和控制从动凸轮配合组成间歇运动机构；半轴顶部穿过顶板与位置控制从动凸轮连接；半轴和动力凸轮配合组成限位机构，以限制或解除动力凸轮沿轴线方向旋转的自由度；

所述的自动复位装置包括固定于机构箱一壁两侧的过渡法兰和导向支座，过渡法兰上装有程序锁安装弯板，程序锁装于程序锁安装弯板上；程序锁的锁杆通过过渡法兰伸入导向支座中，导向支座内装有推杆和能够使推杆自动复位的复位弹簧；

推杆与位置控制主动凸轮通过连杆铰接。

所述的位置控制主动凸轮为带柄的扇形结构，扇形的弧面中部设置有齿，齿的两侧对称设置有齿槽；所述的位置控制从动凸轮为圆盘形结构，圆盘边缘处设置有能够与位置控制主动凸轮的齿配合的齿形轮廓，两齿形轮廓中间设置齿槽，关于齿形轮廓的对称线两侧对称设置齿槽区域，齿槽区域靠近圆盘边缘部分设置有与控制主动凸轮上弧面配合的凹形弧面；位置控制主动凸轮的齿与位置控制从动凸轮的齿形轮廓间歇配合，控制主动凸轮上弧面与位置控制从动凸轮的凹形弧面间隙面接触，组成间歇运动机构。

所述的动力凸轮外部圆弧轮廓上设置有以其回转中心为圆心的圆弧缺口，动力凸轮上开设有以其回转中心为圆心的圆弧槽，机构主轴穿过动力凸轮的回转中心设置，输出轴穿过圆弧槽设置；所述的半轴下端设置有与圆弧缺口弧度一致的弧形缺口，半轴的弧形缺口与动力凸轮的圆弧缺口接触组成限位机构。

所述的控制从动凸轮运动至工作位置解锁状态后，半轴跟随控制从动凸轮也旋转至解锁位置，半轴的弧形缺口圆心与动力凸轮的回转中心重合，输出轴处在圆弧槽对应圆心角的角平分线上。

所述的圆弧槽的弧长大于圆弧缺口的弧长，圆弧缺口设置在与圆弧槽对应一侧的圆弧轮廓上。

所述的弧形缺口的高度大于动力凸轮的厚度。

所述的半轴由大、中、小三段圆柱体组成，大圆柱体一端面上设置弧形缺口，小圆柱体上设置了与弧形缺口对称线呈夹角的铣扁，铣扁与位置控制从动凸轮中心处连接。

所述的控制从动凸轮下方设置有与顶板连接的阻尼销，阻尼销上套设有推力弹簧，阻尼销的上端面与位置控制从动凸轮面接触。

所述的导向支座为带台阶孔的圆柱体形状，推杆设有轴肩，且推杆前端穿过台阶孔伸出导向支座外；复位弹簧套在推杆上，复位弹簧一端与导向支座内壁接触，另一端与推杆轴肩接触。

一种三工位电动机构的程序锁装置的使用方法，包括以下步骤：

程序锁上锁时，程序锁的锁杆向外伸出，推动推杆向外移动，通过连杆传递至位置控制主动凸轮，使得其转动；当控制主动凸轮与控制从动凸轮无转动配合时，控制从动凸轮静止不动；当控制主动凸轮运动至与控制从动凸轮转动配合时，控制主动凸轮带动控制从动凸轮一起转动；随后转动配合脱离后，控制从动凸轮静止不动，到达其锁定工作位置的工作状态；

控制从动凸轮运动至锁定工作位置的工作状态后，半轴也跟随控制从动凸轮运动；此时若进行隔离开关合闸操作，动力凸轮将受到推动转动，当动力凸轮转动后，受到限位机构的作用，半轴限制动力凸轮的转动自由度，与动力凸轮固连的机构主轴旋转自由度也随之被限制，动力将无法通过主轴与输出轴之间的传动齿轮传递至输出轴，实现了工作位置的锁定；

当进行程序锁解锁操作，程序锁的锁杆向里缩回，已储能的复位弹簧将恢复变形，推动推杆反方向移动，并拉动控制主动凸轮按反向旋转；控制主动凸轮与控制从动凸轮传动过程与工作位置锁定的传动过程方向相反；当控制主动凸轮运动至与控制从动凸轮转动配合时，控制主动凸轮带动控制从动凸轮一起转动，运动至工作位置解锁状态；

控制从动凸轮运动至工作位置解锁状态后，半轴跟随控制从动凸轮也旋转至解锁位置，半轴与动力凸轮处于非限位状态，此时若进行隔离开关合闸操作，动力凸轮受力推动按反方向转动，在其整个合闸过程中，半轴不再限制动力凸轮旋转的自由度，动力也将通过主轴与输出轴之间的传动齿轮传递至输出轴输出，实现自动复位或解锁。

相对于现有技术，本发明具有以下技术效果：

本发明一种三工位电动机构的程序锁装置，由工作位置锁定与解锁装置和自动复位装置组成，工作位置锁定与解锁装置的控制主动凸轮和控制从动凸轮组成的间歇运动结构，位置控制精度高；半轴和动力凸轮配合组成限位机构，以限制或解除动力凸轮沿轴线方向旋转的自由度，限位机构限位强度裕度大，因此，本装置结构简单、可靠，具有极好的市场前景。本发明能够在上锁后锁定三工位电动机构的分闸位置，解锁后自动解除对该工作位置的锁定，从操作流程方面入手，杜绝因人为操作失误等造成的意外动作。该三工位机构的程序锁的解决方案，满足了部分地区用户提出的需求，为三工位隔离/接地开关设备进入该地区提供了技术支撑。

进一步，间歇运动机构由位置控制主动凸轮的齿与位置控制从动凸轮的齿形轮廓间歇配合、控制主动凸轮上弧面与位置控制从动凸轮的凹形弧面间隙面接触组成，该齿结构的啮合结构，确保了转动力矩及旋转精度，提高了控制准确度。

进一步，限位机构由半轴的弧形缺口与动力凸轮的圆弧缺口接触组成，当动力凸轮转动一小角度后，其上圆弧缺口边缘处圆角与半轴面接触，半轴限制了动力凸轮逆时针方向旋转的自由度，与动力凸轮固连的主轴旋转自由度也随之被限制，动力也将无法通过主轴与输出轴之间的传动齿轮传递至输出轴，有效的实现了转动限位；当反向转动，限位取消，主轴与输出轴继续传递动力，锁定取消。该限位结构通过圆弧缺口与弧形缺口进行配合限位，确保了力旋转传递的稳定，面接触保证了机械配合的平稳度和使用寿命。

进一步，阻尼销大圆柱体一端面与位置控制从动凸轮面接触，产生摩擦阻力，保证机构按任意方位布置，控制从动凸轮均不会发生自转运动。

本发明的使用方法，操作简单，使用方便，通过控制主动凸轮和控制从动凸轮组成的间歇运动结构，及半轴和动力凸轮配合组成限位机构有效的实现了工作位置的锁定、自动复位或解锁过程。本发明能够在上锁后锁定三工位电动机构的分闸位置，解锁后自动解除对该工作位置的锁定，从操作流程方面入手，杜绝因人为操作失误等造成的意外动作。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是图1的a-a向剖视图；

图3是工作位置锁定状态示意图；

图4是工作位置锁定状态补充示意图；

图5是图4的b向局部放大视图；

图6是复位装置示意图；

图7是工作位置解锁状态示意图；

图8是动力凸轮结构示意图；

图9是半轴结构示意图；

图10是图9的仰视图；

图11是图9的俯视图；

图中：1、程序锁；2、程序锁安装弯板；3、过渡法兰；4、机构箱；5、导向支座；6、复位弹簧；7、推杆；8、螺母；9、丝杠；10、主轴；11、输出轴；12、直齿轮副ⅰ；13、直齿轮副ⅱ；14、电机；15、位置控制从动凸轮；16、顶板；17、位置控制主动凸轮；18、连杆；19、轴销；20、传动凸轮；21、轴承；22、半轴；23、阻尼销；24、推力弹簧；25、导向支座内孔台阶，26、大圆柱体，27、中圆柱体，28、小圆柱体。

具体实施方式

结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1-11所示，本发明一种三工位电动机构的程序锁装置，包括设置在三工位电动机构的机芯顶板16上的工作位置锁定与解锁装置，以及设置在三工位电动机构的机构箱4上自动复位装置。

如图1、2所示，工作位置锁定与解锁装置：包括通过轴承21固定于顶板16下表面的半轴22、设置与顶板16上表面且与半轴22同轴设置的位置控制从动凸轮15、与位置控制从动凸轮15相对应的位置控制主动凸轮17以及与机构主轴10固连的动力凸轮20。控制从动凸轮15下方还设置有穿过顶板16上一小孔的阻尼销23，阻尼销23由大、小两段圆柱体组成，大圆柱体一端面与位置控制从动凸轮15面接触，大圆柱体的另一端面与顶板16上设置的一带台阶的小孔的台阶面之间设置有推力弹簧24。

自动复位装置：包括固定于机构箱4一壁两侧的过渡法兰3和导向支座5，过渡法兰3上装有程序锁安装弯板2，程序锁1装于程序锁安装弯板2上，导向支座5上设置的台阶孔内装有推杆7和复位弹簧6。机构箱4一壁内侧设置有导向支座5，导向支座由大、小两段圆柱体组成，两段圆柱体中心设置了台阶孔，该台阶孔内装有推杆7和复位弹簧6。

工作位置锁定与解锁装置与自动复位装置之间通过连杆18连接。

如图8所示，与机构主轴10固连的动力凸轮20上的最外部圆弧轮廓处设置了以其回转中心为圆心，某直径为d的圆柱体作为刀具，自与顶板16上安装半轴22的轴承孔心相对应的位置开始，旋转某一角度γ所形成的带圆角的圆弧缺口。

如图9至图11所示，通过轴承21固定于顶板16上的半轴22由大、中、小三段圆柱体组成，以大圆柱体一端面为基准平面，截去以通过主轴10的轴线与上述基准平面的交点为圆心，某固定长度r1为半径所形成的一定高度的圆柱体与大圆柱体的重叠部分，在大圆柱体上形成了一个截面为圆缺的弧形缺口，缺口的弧形与机构主轴10固连的动力凸轮20最外部圆弧轮廓相一致，弧形缺口的高度略大于动力凸轮20的厚度，在小圆柱体上设置了与上述弧形缺口对称线呈一定夹角θ的铣扁。

如图4和图5所示，位置控制主动凸轮17呈带柄的扇形，扇形的弧面上设置有一个完整的齿，齿的两侧对称设置有齿槽，扇形的弧线半径小于完整齿的齿顶圆半径。

位置控制从动凸轮15呈圆盘形，圆盘中心设置有带铣扁的圆孔，用于和半轴22上带铣扁的小圆柱配合，圆盘边缘处设计有两个完整的齿形轮廓，两齿形轮廓中间设置了齿槽，两侧关于两齿形轮廓的对称线对称设置了去掉一齿而形成的齿槽区域，齿槽区域靠近圆盘边缘部分，设置了与控制主动凸轮17上弧面配合的凹形弧面。

机构箱4一壁内侧设置有导向支座5，导向支座5呈带台阶孔的中空圆柱体形状，圆柱体外表面设置有台阶，台阶孔内装有推杆7和复位弹簧6。

控制主动凸轮17和控制从动凸轮15配合后，组成了间歇运动结构，可精确控制半轴22进入工作位置锁定位置和工作位置解锁位置，可靠的实现了对半轴22上弧形缺口在特定工作位置的角度控制。

半轴22和动力凸轮20配合后，半轴22受控制从动凸轮15的控制，通过其上弧形缺口的角度转换，可限制或解除动力凸轮22沿轴线方向旋转的自由度，执行工作位置的锁定与解锁任务。

导向支座5、推杆7和复位弹簧6配合后，可推杆7沿轴线的受力被撤销后，推杆7自动复位的装置，通过连杆18与控制主动齿轮17连接，实现工作位置自动复位或解锁的功能。

阻尼销23与推力弹簧24配合后，阻尼销23大圆柱体一端面与位置控制从动凸轮15面接触，产生摩擦阻力，保证机构按任意方位布置，控制从动凸轮15均不会发生自转运动。

本发明三工位电动机构的程序锁装置功能或动作机理简述：

工作位置锁定功能的动作机理：如图1、3所示，程序锁1上锁时，程序锁1的锁杆向外伸出，推动推杆7向图3箭头所示方向移动，通过连杆18传递至位置控制主动凸轮17，使得其按逆时针方向转动，控制主动凸轮17上的完整齿首先逐步移动，控制从动凸轮15上两齿形轮廓中间设置了齿槽内，在此过程中，因控制主动凸轮17上的扇形弧面与控制从动凸轮15上的凹形弧面配合，控制从动凸轮15静止不动。当控制主动凸轮17上的完整齿与控制从动凸轮15的两齿啮合后，随着控制主动凸轮17的转动，控制从动凸轮15随之按顺时针方向转动，直至主动凸轮17上的完整齿与控制从动凸轮15的两齿脱离啮合，同时控制主动凸轮17上的另一扇形弧面与控制从动凸轮15上的另一凹形弧面配合，控制从动凸轮15静止不动，到达其锁定工作位置的工作状态。

如图4所示，控制从动凸轮15运动至锁定工作位置的工作状态后，因半轴22通过小圆柱体其上设置的铣扁与位置控制从动凸轮15圆盘中心设置有带铣扁的圆孔配合后组成一整体，半轴22也跟随控制从动凸轮15运动至图4所示位置，此时若进行隔离开关合闸操作，动力凸轮20将受丝杠9-螺母8副中螺母的推动按逆时针方向转动，当动力凸轮20转动一小角度后，其上圆弧缺口边缘处圆角与半轴22面接触，如图5所示，半轴22限制了动力凸轮20逆时针方向旋转的自由度，与动力凸轮20固连的主轴10旋转自由度也随之被限制，动力也将无法通过主轴10与输出轴11之间的传动齿轮传递至输出轴11，实现了该工作位置的锁定功能。

自动复位或解锁功能的动作机理：

如图6所示，自动复位装置中复位弹簧6的一端与导向支座5上设置的台阶孔台阶处接触，另一端与推杆7上的台阶接触，因程序锁1上锁时，其锁杆推动推杆7运动，同时推杆7压缩复位弹簧6，使得复位弹簧6储能。当操作人员得到操作许可，进行程序锁1解锁操作，程序锁1的锁杆向里缩回，此时程序锁1锁杆施加于推杆7上的力被撤销，已储能的复位弹簧6将恢复变形，推动推杆7向图2箭头所示的反方向移动，并拉动控制主动凸轮17按逆时针方向旋转，直至推杆7上的台阶受机构箱1的限位而停止运动。如图7所示，控制主动凸轮17与控制从动凸轮15传动过程与工作位置锁定的传动过程除方向相反外，动作机理完全相同。

如图7所示，控制从动凸轮15运动至工作位置解锁状态后，半轴22跟随控制从动凸轮15也旋转至解锁位置，半轴22大圆柱体上的弧形缺口圆心恰好与动力凸轮20的回转中心重合，半径为r1，而动力凸轮20最外部圆弧轮廓的半径为r2，r2略大于r1，此时若进行隔离开关合闸操作，动力凸轮20将受丝杠9-螺母8副中螺母的推动按逆时针方向转动，在其整个合闸过程中，半轴22不再限制动力凸轮20逆时针方向旋转的自由度，动力也将通过主轴10与输出轴11之间的传动齿轮传递至输出轴11输出。实现了自动复位或解锁的功能。

本发明提出了三工位机构的程序锁的解决方案，满足了部分地区用户提出的需求，为三工位隔离/接地开关设备进入该地区提供了技术支撑，预期提高本款产品在市场上的占有份额。由于该装置采用了控制主动凸轮和控制从动凸轮组成的间歇运动结构，位置控制精度高，半轴与动力凸轮的组合，强度裕度大，因此，该装置功能可靠，结构简单，具有极好的市场前景。

上述中结合附图对本装置的基本结构和使用原理进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，本领域的技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明的宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。