电力控制柜直流电气编码锁的应用与改良.pdf

郭文峰：电 力控制柜直流编码电气锁的应用与改丧 应甩 第一代电气锁在各变电站的得到了广泛使 用 ，受到普遍欢迎 ，反映操作简单 ，使用可靠 ； 但 同时也有部分站点反 映了站 内少数安全意思淡 薄 的人员 ，不顾地安全采用短接跳线方法 ，避开 电气锁操作断路器 ，造成 防误失控 ，以及盖上罩 盖后不易取下 ，希望解决 。 3 改良的第二代电气锁 3 ． 1 方案及原理 第二代电气锁总结了第一代产品优点，然后 着重解决上面提到的第一代的缺点和升级换代问 题 ，并结合当前行业的潮流，作了一个系统的改 良提升 ，形 成了下 面 电气控制( 见 图 5 )的设计 构思 ，即在电气锁 内增加 了微动开关 ，通过配合 改造电脑钥匙的锁芯结构去驱动它，为闭锁回路 增加了一道内部机构的保护。 + KM 图5 改良后线路图 其原理的详细描述为：在电气锁中，两电极 与微动开关形成 串联 电路 ；电脑钥匙插入 电气 锁 ，两者 的电极相互连接 ，读码成功后 ，钥匙 内 部线 路导通 ，此时闭锁 回路并没有导通 ，它传输 信号给锁住 带齿轮 的电极轴 的 电磁铁 ，开锁后 ， 用拨块 来 带动齿 条 向前运 动 ，啮合 的 电极 轴旋 转 ，触动微动开关闭合 ，此时整个闭锁 回路连 通 ，解锁成功。 3 ． 2 结构设计 ( 1 )电脑钥匙电极齿轮轴和齿条 ( 见图6 ) 由于电气锁和电脑钥匙的空间有限，不合理 的设计有可能造成干涉、卡死等，这套齿轮参数 的设计思路是：首先可伸人电气锁壳体的孔径最 大只能为 9 m m，考虑操作空间，电极轴直径定 为 8 mm，旋转角度为 9 O 。 ，确定齿顶高系数 1 ，压力角a = 2 0 。 后，根据渐开线最小无根切齿 数公式 ：Z =h 。。 ／ s i n 2 a ，计算 z 1 8 ，由于借 用现有壳体 ，所以相对位置固定 ，分度 圆定为 图6 齿轮齿条配合结构图 1 9 m m，那么齿轮 的齿数为z = D ，模数选 0 ．5 ，全齿数则为 3 8 ，不会 根切 ，1 ／ 4的齿轮 园齿 数l O 个 ，考虑余量，做 l 5 个 1 4 0 。 的范围。径向间 隙系数 = 0 ． 3 5 ，精度等级为HB 一 7 — 7 8 — 8 d，这样 就可 以确定 电极轴 的齿 形 了 ，而齿条 的齿形 相 同，数量定为 1 2 ，行程为 ：1 ／ 2百R 1 5 m m。加 上 间隙 ，设计时需预留的运 动空 间为 1 7 m m，因 此基本上可以确定 电脑钥匙改造 内容。 ( 2 )电气锁的安装方式和运动机构 电脑钥匙插入电气锁后，其大电极与电气锁 的电极轴接触 ，两者的小 电极相接触 ，为保证可 靠，仍沿袭一代香蕉片方式。电极轴由于是带电 体，体积小 ，运动频繁，回位要求准确，所以其 固定及传输动力比较麻烦 ，设计了一个中间过渡 的固定体 ，材料为塑料件 A B S ，上面开有两个限 位槽和一个卡位槽 ，限位销穿过限位槽卡住电机 轴的环形槽 ，限制其前后移动 ，又不影响旋转 ； 为防止电极轴转过9 0 。 ，在轴上加工了1 ／4 槽 ，当 卡位销通过固定体卡在轴的槽中后，就不会出现 过位现象 。另外 电极轴 、销和固定体等在线下成 一 个组件再装人壳体 ，通过固定板来压住 ，这样 兼顾了了安装工艺和对外 的绝缘性 ( 见图7 ) 。 微动开关的触动是靠电极轴带动拨片运动来 实现的 ，轴 的直径 2 m m，起初想用螺母拧紧或 插销等，因空间位置和强度原因，不是很理想 ； 后采用在轴上加工一段半圆形和拨片配合，再用 最 小的q b 1 ．2 m m挡圈卡住轴槽 的方式解决了。在 实际生产中，还出现从电极轴和导电螺柱到微动 开关的连接线要么挡住拨片运动，要么卡在电气 锁和面板之间，常造成返工。通过在锁体结构上 落 赫 加过线槽 ，现有的固定体加小筋及缺 口，巧妙地 规范了线的走向。 3 ．3电气锁的锁芯结构和防盗等级 锁芯结构用在五 防上多采用挂锁方式 “ 一 ” 字型，如图8 所示，它的机理是钥匙插到位后 ， 卡住锁芯的拨 台，防拨销 落入 限位槽 方可旋 卡位销 】 一 个等边 的AA B C，然后分别相切两邻边和 7同 心圆做倒圆角 ( 忽略不计) 。从几何定理可以知道 ／_ A O C =O r =／_B O C= ／- _ A O B = 1 2 0 。 ，过 O点延长A O 与 B C相 交 于 D，O D为 ／_ _ B O C的 平 分 线 并 垂 直 B C；知道 直角 △B O D中 O B D = 3 0 o ，则 O D = 1 ／ 2 OB=R =2 ， BD =OB2 -OD ． BC=2* BD= 6 ．93 ． 图7 电气锁部分爆炸示意图 转 ，范 围为 9 O 。 ，这种 结构 实 用也 耐 用 ，但从 图 8 ( b )可 以看 出阴影 的面积 为 订尺 一 为 3 ． 1 44 ．5 2_ 4 ．52 5 4 ．6 m m ，活动 的空 间较 大 ， 形状 比较规整 ，所以只要用 L型的钩子一拨 ，锁 就被打开 了。 改造后锁芯 的拨 台采用了三角形 ，同时配套 改造 了钥匙头。当时是这样考虑的。 ( 1 )首 先要保 证拨 台有 足够 的受力 点及 强 度 ，矩形最好 ，三角形次之 ，其他多边形差 ，时 间长后磨损变圆。 ( 2 )要防止常用工具盗开 ，三角形不属于常 用工具范畴，但又便于加工。 ( 3 )见 图9 ，左 图的单 斜杠阴影的面积为盗 开工具的活动空间 ，交叉阴影的面积为防拨销增 加 的面积 ，三个实心 阴影的面积为倒 圆角的减小 部分 ，交 叉 阴影部 分 和三个小实 心 阴影 面积较 少 ，二者相抵 ，可以忽略。qb 9 mm为电气锁的孔 径， 8 m m为锁芯的直径， 7 m m为加工钥匙中 空的范围。在右图中，OA B C 直径为 8 m m，做 S ． o D =1 ／ 2 BC OD=6 ． 9 3． =36 ． 9 3 = 2 0 ． 8 ； 此 时 单斜杠 阴影的面积= nR 一 S = 4 3 ，盗开工具 的活 动 空间只有挂锁 的 “ 一 ” 字型结构 的7 8 ％，提高了 防盗等级。 3 ．4电气锁 的动态连接和 罩盖修改 前面提到过有一根连 接线需要从电极轴到微动 开关 ，而电极轴是运动的 且带 电体 ，所以如果把线 固定在轴上就不科 学了 ， 一 则在电极轴的往复运动 中可能会松脱 ，二则可能 会受空间的影响，与其他 器件干涉 ，影响运动。所 以采取 了以下措施 ：( 1 ) 电极轴材料 为铜 H 5 9 ，外面 电镀 达克罗 ，保证本 体 的 良好导 电性 ；( 2 )电线的一头压铆一 个带 ( b )锁芯局部正视 图 锁芯 ( a )钥匙 和挂锁 的装配 图 ( c )钥匙侧视网 图8挂锁结构 蚕 郭文峰：电力控制柜直流编码 电气锁的应用与改良 护套的环形端子 ( 铜镀锌) ，内径为q b 2 ． 1 m m，轴 为 2 m m；( 3 )增加一个不锈钢 的压簧 ，把环形 端子压在 电极轴的端 面上 ，再套上拨片 ，卡上挡 圈 ，这样环形端子始终有 预紧力压在 电极轴上 ， 且不随之转动，保证了良好 的导电性 ( 见 图 l O ) 。 拨 图9几何面积计算 右 图 1 0电线的动态连接 前面提到的盖上罩盖锁体后取不下来 ，经分 析为罩盖与锁体形成了密闭空间，取下时产生负 压 ，所以困难 ；改模具时 ，在罩盖 的内部两侧各 减薄 0 ．2 mm，增加 4 个 0 ． 2 m m厚小筋 ，与锁体配 合 ，不让密封腔形成，因此取下时就不会产生负 压 ，非常轻松。 3 ． 5电气锁疲劳强度的检测工装制作 根据行业标准口 电气锁连续操作试验要求 ， 用电脑钥匙对电气编码锁进行试验，次数不少于 1 0 0 0 0 次，电气接点完成 1 次分合为 1 次，锁具应 正常动作 ，不应有松动 ，损坏 ，这是一个疲劳强度 测试 ，鉴于电气锁结构复杂，零部件看上去比较单 薄，而又有传动要求，试验意义比较重大。但不管 对样品还是将来的抽样测试，如果靠手工完成这项 工作 ，难度可想而知；所以在制作测试工装下了一 些功夫。主要根据往复的角度特点， 采用了步进电 机 ，还有铝合金型材的导轨支架、组合虎钳等。步 进电机是一种将电脉冲装换成相应角位置和线位移 的电磁机械装置，它的驱动则采用P WM技术通过 改变出入信号开通和关断时间来改变输出信号的大 小嘲 ，从而控制步数即旋转角度，功率的通电顺序 变化来改变 电机的正反转 ，同时配合锁芯制作了钥 匙头装在电机轴上；在控制板上用L E D数码管监 控旋转的圈数， 直观实用。改造好后只要在工装上 装好产品后 ，通电一个周期约3 s ，只要 8 ，9 小时 就能完成 1 0 0 0 0 次的寿命测试 ，效果良好。 4结语 综合了上面的主要改进点，第二代直流电气 锁 进入 了正式 的制作 ，投放 了模具 ，进行 了批 产，并投放了市场 ，升级了部分变电站；客户反 应 良好 ，防误上 了新 台阶 ，达到 了行业 的领先水 平。但作为研发人员，也清醒地认识到，设计永 远达不到终点 ，它是在不断追求完美中进步的， 譬如第二代产品锁芯的防盗等级能否进一步提 高 ，现在只适用 于室 内，能否扩展在室外 ，能否 再节省成本等等，都值得进一步思考。 参考文献： [ 1 ]向明学． 浅谈变电站的防误装置及应用 [ J ]． 科技资 讯 ，2 0 1 1( 1 O ) ：1 4 3 ． [ 2 ]陈轶 玮 ，沈一平． 2 2 0 k V变电站防误 系统改造设计 [ J ]．电 力 系统 保 护 与 控 制 ，2 0 0 9 ，3 7 ( 1 7 )： l l 7 一l l 8 ． [ 3 ]王义军，王琳 ，涂时亮． 一种新型的防误操作 系统电 脑钥匙的设计 [ J ]． 电子技术应用，2 0 0 9 ，3 5( 6 ) ： 1 5 3 -1 5 4 ． [ 4 ]谭伟明． 正弦齿条所生成齿轮的根切特性探讨 [ J ]． 兰州理工大学学报，2 0 0 5 ，3 1( 4 ) ：3 8 — 4 0 ． [ 5 ]朱家芳． 浅议几何证明中面积法的应用 [ J ]． 光明 日 报考试 ( 中考版)杂志，2 0 1 1( 8 ) ：5 - 6 ． [ 6 ]G B ／ T 1 8 6 8 4 — 2 0 0 2 ． 锌铬涂层技术条件 [ S ]． [ 7 ]D L ／ T 6 8 7 — 2 0 1 0 ． 微机型防止电气误操作 系统通用条件 [ S ]． [ 8 ]刘伟． P WM技术在 电极驱动控制中的应用 [ D ]． 合 肥 ：合肥工业大 学，2 0 0 9 ． 作者简介：郭文峰，男，1 9 6 6 年生，江西安义人，大学本 科 ，工程师。研究领域：电力安全技术。已发表论文 2 篇。 ( 编辑： 向飞)