试论TM功能设计方法在中压开关柜连锁设计中的应用

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摘要：中压开关柜是电力系统中重要的电气设备，用以对电力系统的输配电及电能转换中控制并保护用电设备，而中压开关柜连锁是保障用电安全的重要途径。本文基于中压开关柜的鲁棒性，提出在中压开关柜连锁设计中采用功能设计方法，对相应功能条件加以识别，建立尺寸链模型，并利用TM（ToleranceManager，公差管理）统计并分析该尺寸链模型，确定功能尺寸设计公差，以实现优化设计。

关键词：公差管理；中压开关柜；连锁设计

前言

电力系统的逐步建设与完善中，3.6~40.5kV的中压开关柜的应用日渐广泛，而中压开关柜对于电力系统安全与稳定运行会产生重要影响，因此就需要通过对于中压开关柜的连锁设计来保证中压开关柜的安全与稳定运行，保障操作与检修人员的人身安全，以避免可能存在的误操作等情况。在设计中，就可以采取TM公差管理功能设计，在保障连锁零部件设计精度要求的基础上，避免造成较高的设计成本。

1.中压开关柜

开关柜是一种重要的电气设备，开关柜外线先后进入主控开关与分控开关，基于电力系统控制的实际需求来设计其分路，已实现在电力系统进行发电、输配电及转换电能中，通过开关开合、开关控制与用电保护来保证电力系统的平稳与持续运行。开关柜中一般含有断路器、隔离及负荷开关、电流及电压互感器及相应的电力保护装置。根据不同的电压等级，开关柜可以分为高压开关柜、中压开关柜及低压开关柜，适用于各种电力应用场合。

中压开关柜的应用日渐普遍，但由于中压开关柜中含有大量的线路、开关、电力设备及电气装置，在一定情况下，由于操作不当等种种因素，中压开关柜有一定的触电可能，因此无论是设备安装、维护还是检修工作，都存在一定的危险性。为了保障中压开关柜的运行安全与稳定，开关柜机械连锁的设计与制造逐渐受到广泛关注，但同时，在连锁机构设计、制造与应用中，由于设计方法、加工或配置问题，会存在连锁失效的情况，针对这种情况，通过有效的设计与优化方法来提高连锁机构的零部件设计及加工精度，就可以有效保证连锁机构的有效性。同时，也需要基于有效的设计方法，合理确定零部件设计参数，控制零部件功能尺寸，从而有效提高连锁设计的可靠性及鲁棒性。

2.TM功能设计方法

所谓功能设计，就是基于市场需求，对满足该需求所需要的功能条件加以识别，也就是为满足市场需求而提出的零件之间的限制条件。在明确功能设计方法之后，构建尺寸链模型，并利用TM对该模型进行分析，并明确对功能条件造成影响的零件及相应功能尺寸，对其进行有效的统计分析，以明确功能条件实现过程中，功能尺寸及公差对其敏感度及权重的影响，确定影响系数，并以之为基础对设计方案及功能尺寸公差加以优化，从而更准确地明确零件功能尺寸[1]。

3.中压开关柜连锁TM功能设计

3.1连锁功能

中压开关柜连锁设计中，连锁功能主要体现在接地开关操作与断路器摇进摇出的连锁，该连锁功能主要体现在：其一，接地开关合闸时，禁止断路器摇进摇出；其二，断路器处于试验位置的情况下，接地开关可以进行操作。基于实现以上功能设计目标的考量，分别出具设计方案。第一个功能，要通过机构设计的弯板驱动断路器底盘车舌片来加以实现，如图1，FC1所示的断路器底盘车舌片伸缩距离在8~10mm之间；第二个功能，如图2，FC2所示，要通过机构设计中的制动模块，与断路器底盘车相连，形成制动关系，通过对滑板及侧板之间的预开高度加以限制来控制接地开关的操作，其中滑板及侧板的预开高度可以限定在15mm之下。

图1中压开关柜连锁功能FC1

图2中压开关柜连锁功能FC2

3.2尺寸链构建

基于产品的特定功能，充分考量产品零部件之间存在的接触关系，对其相应自由度加以限制，建立功能设计的尺寸链模型，以实现产品功能。本文所提出的中压开关柜连锁设计中，该连锁结构为三维结构，分别与其相应功能条件FC1及FC2相对应，其功能条件为非线性尺寸链，会在该结构中形成正面投影，可以采用Pro/Engineer参数化设计CAD/CAM三维软件来进行设计，通过Pro/Engineer软件对功能条件FC1所对应的零部件进行投影建模，并对相应零部件尺寸之间的约束关系加以设置，建立与FC1及FC2相应的尺寸链模型。

图3尺寸链模型

3.3尺寸公差分配

利用公差管理来分析并计算尺寸链模型，确定功能条件及相应功能尺寸之间的联系，建立相应函数：f（x1，x2，…，xn）。实际上，零件自身尺寸所存在的偏差，必然会影响到功能条件，尺寸功能偏差也会决定功能条件的实际变化范围。但同时，不同功能尺寸会对功能条件产生不同的影响，可以通过以下公式来计算其功能条件的敏感度：

另外，在功能条件限制环境下，功能尺寸的设计公差会产生不同的影响，出于凸显功能尺寸重要影响的需要，在该公式中引进权重这一重要概念，并通过以下公式进行计算：

在公式中，是本次设计中零部件功能尺寸的公差值。

TM功能设计，基于公差管理来分析尺寸链模型f（x1，x2，…，xn），确定功能尺寸的敏感度，与加工制造工艺相结合，确定功能尺寸分配设计公差，通过公差管理来实现对于功能尺寸权重的计算，并确定公差、敏感度及其权重系数。

3.4尺寸公差优化

采用TM公差管理技术，统计、分析并计算功能条件及其相应的功能尺寸公差，确定相应的功能条件FC1及FC2的设计结果。如果本次设计结果无法满足功能条件的具体要求，则需要对功能尺寸数值及公差加以调整。中压开关柜连锁设计中，连锁机构的零部件功能尺寸会影响该零部件的功能条件，因此要尽量保持功能尺寸不变，就会影响优化功能条件的尺寸加以调整。需要对优化功能条件及相应功能尺寸敏感度及其权重加以比较，并在技术与工艺允许的条件下，对具有较大敏感度的零部件功能尺寸的设计与加工精度加以提升。在保证中压开关柜连锁设计功能及质量的同时，对权重系数较小的功能尺寸设计公差加以放宽，并得到相应的功能条件FC1及FC2的设计结果。以TM公差管理功能设计方法为基础，对中压开关柜连锁设计加以优化，在设计与生产中合理控制相应连锁机构零部件的功能尺寸，可以有效提高连锁机构设计的可靠性与鲁棒性，并在保证连锁机构功能性及优质性的基础上，尽量满足机构设计要求，并减少设计与制造成本的投入[2]。

4.结语

应用TM功能设计方法进行中压开关柜连锁设计，要首先明确TM功能设计方法，进而明确中压开关柜连锁功能的具体要求，并结合功能条件，构建功能尺寸链模型，对功能尺寸公差进行合理分配，并通过对于尺寸公差的优化来保障功能尺寸设计精度。所采用的功能设计方法，旨在以实现中压开关柜连锁机构功能为核心，构建零部件尺寸及功能之间的关系，并通过里参数量化的方式加以设计。

参考文献：

[1]杨俊明.基于TM的功能设计方法在中压开关柜连锁设计中的应用[J].机电技术，2017（06）：68-70.

[2]杨波，高常青，黄克正，等.生长型设计中公差进化设计方法研究[J].机械工程学报，2012，48（7）：147-155.