船用低壓斷路器動力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

紀寧毅

（中國船級社質(zhì)量認證公司南京分公司，南京 210011）

0 引言

低壓斷路器常被作為低壓配電支路或終端的開關(guān)。然而在現(xiàn)代的船用低壓配電系統(tǒng)中，斷路器并不僅僅只是實現(xiàn)電路系統(tǒng)的通斷控制和簡單的過載、短路保護，而且還要保證提供隔離和安全保護功能。長期以來傳統(tǒng)低壓斷路器產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)憑借經(jīng)驗，通過反復(fù)的概念設(shè)計、詳細設(shè)計、樣機制造、樣機測試和試驗數(shù)據(jù)分析，直至產(chǎn)品定型生產(chǎn)。該過程是一個大循環(huán)過程，不僅難以提高產(chǎn)品質(zhì)量，而且耗費了大量的時間和資金。

虛擬樣機（Virtual Prototype）技術(shù)是一項新生的工程技術(shù)，它是計算機輔助工程（CAE）的一個重要分支。電器工程師在新產(chǎn)品概念研發(fā)階段，通過虛擬樣機技術(shù)，對產(chǎn)品進行虛擬性能測試，幫助設(shè)計者發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，并提出改進方案，以達到提高設(shè)計性能、降低設(shè)計成本、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期的目的。

機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）是美國MSC公司的虛擬樣機分析軟件。文章以某型號船用框架式斷路器為研究對象，應(yīng)用ADAMS軟件建立系統(tǒng)仿真模型，對其進行運動特性仿真計算，獲得其分、合閘過程的動態(tài)特性。針對帶載合閘過程中存在的觸頭間易產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象，對動力系統(tǒng)中各彈簧參數(shù)進行設(shè)計研究分析，獲得各參數(shù)對斷路器系統(tǒng)的影響靈敏度。針對各參數(shù)靈敏度高低不同，以動觸頭轉(zhuǎn)動角速度為最終優(yōu)化目標，完成該斷路器動力系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計分析。該分析可用于指導(dǎo)產(chǎn)品的優(yōu)化和創(chuàng)新開發(fā)，為產(chǎn)品進一步的優(yōu)化設(shè)計提供平臺。

1 斷路器操縱機構(gòu)模型建立

某型號船用低壓框架式斷路器機構(gòu)的動力學(xué)簡化模型如圖1所示。

圖1 斷路器機構(gòu)簡圖

該型號船用框架式斷路器機構(gòu)系統(tǒng)主要由動力機構(gòu)、操縱機構(gòu)和觸頭機構(gòu)組成。動力機構(gòu)主要由儲能彈簧（3根）、分閘彈簧、復(fù)位彈簧、儲能杠桿、儲能杠桿限位桿及其附屬部件組成，動力機構(gòu)部分構(gòu)件在圖1中未標出。斷路器的工作過程主要包括分閘和合閘兩個過程。在合閘過程中，動力機構(gòu)驅(qū)動桿AB完成合閘運動，該過程是一個四連桿機構(gòu)系統(tǒng)，由圖1中的AB－BC－CO4－O4A組成。分閘過程是一個五連桿機構(gòu)系統(tǒng)，由圖1中的HO1A－AB－BC－CO4－O4A組成。無論是合閘還是分閘過程，觸頭機構(gòu)都是一個四連桿機構(gòu)系統(tǒng)，由圖1中的O4D－DE－EO3－O3O4組成。

斷路器系統(tǒng)分、合閘過程包含高速的碰撞，涉及因素較多，是一個接近瞬間的動作過程，因此要精確建模。針對該型號的框架式斷路器系統(tǒng)的復(fù)雜機構(gòu)，采用三維造型軟件UG完成幾何模型的建模，利用ADAMS集成的專用接口模塊ADAMS/Exchange建立在ADAMS/View環(huán)境下的機構(gòu)動力學(xué)模型。為了仿真需要建模過程中簡化了模型某些工況,不考慮構(gòu)件鏈接之間的間隙和系統(tǒng)的一些輔助機構(gòu)。從程序的求解原理來看，只要仿真軟件中構(gòu)件幾何形體的質(zhì)量、質(zhì)心位置、慣性矩和慣性積與實際構(gòu)件相同，則仿真結(jié)果是等價的。在完成了對系統(tǒng)模型的簡化、捆綁合并以及添加正確的約束、負載和碰撞邊界條件后，利用ADAMS 軟件建立的該低壓框架式斷路器動力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 斷路器動力學(xué)模型

2 運動特性仿真分析

根據(jù)該型號船用斷路器實際模型及工況條件，把仿真分析分為合閘和分閘兩個過程。分、合閘過程仿真分析的結(jié)果包含了組成機構(gòu)系統(tǒng)的所有構(gòu)件的運動特性參數(shù)。利用ADAMS/Postprocessor后處理模塊可以精確輸出并繪制各分析數(shù)據(jù)曲線。

合閘過程中動觸頭運動特性仿真分析輸出曲線如圖3所示。

圖3 合閘過程動觸頭動態(tài)仿真分析輸出曲線圖

由圖3中的動觸頭開距隨角位移變化曲線(Position vs. Angular Displacement)可知，動觸頭仿真開距距離為34.372mm，與試驗開距距離的34.45mm相差0.078mm。這是由于系統(tǒng)構(gòu)件被定義成剛性，同時工況設(shè)置不精確以及機構(gòu)簡化也導(dǎo)致仿真不夠準確。動觸頭系統(tǒng)的最大線速度為2.274m/s，動靜觸頭碰撞后，動觸頭系統(tǒng)的速度由2.274m/s變?yōu)?.266m/s。

從動觸頭角速度隨角位移變化曲線(Angular Velocity vs. Angular Displacement)可知，仿真模型動觸頭系統(tǒng)轉(zhuǎn)角20.1692deg，動觸頭系統(tǒng)的最大速度為1.798deg/ms，當動觸頭系統(tǒng)繞其旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過16.3791deg時動靜觸頭碰撞。碰撞前后，動觸頭系統(tǒng)的速度由1.798deg/ms變?yōu)?.513deg/ms。從動觸頭角加速度曲線(Angular Acceleration vs. Angular Displacement)可知，動觸頭系統(tǒng)角加速度曲線上峰值出現(xiàn)時刻分別是:1）轉(zhuǎn)角δ=16.5331deg，動觸頭開始碰撞時刻；2）轉(zhuǎn)角δ=20.043deg，驅(qū)動桿AB與連桿HO1A上限位軸碰撞時刻；3）δ=20.1321deg，連桿HO1A與脫扣杠桿上滾珠軸承碰撞。

這條信息讓徐藝猶豫了一下，他還是把沙子里面的五十萬拿出來，飛快下樓，但他的腳步聲驚動了剛剛往樓上爬的兩個黑衣人，他們對視一下，以為是左達，返身向樓下追去。

從上述仿真分析中驗證了該型號船用框架式斷路器滿足設(shè)計要求，機構(gòu)系統(tǒng)的運行規(guī)律也是正確的，進而為該斷路器動力系統(tǒng)的優(yōu)化分析提供了支持。

3 動力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

在以多體動力學(xué)為理論基礎(chǔ)的機械產(chǎn)品虛擬樣機開發(fā)專用軟件ADAMS中，剛體的運動狀態(tài)是根據(jù)構(gòu)件質(zhì)心在計算坐標系的位置，采用修正的Newton—Raphson迭代算法進行分析求解。雖然不同型號的低壓斷路器操作機構(gòu)原理相同，但提供動力來源的動力系統(tǒng)卻有很大不同[9]。為了縮短動靜觸頭運動過程中的燃弧時間，保證動靜觸頭一經(jīng)關(guān)合就可靠接觸，否則在帶載工作情況下觸頭反復(fù)回彈跳動將會持續(xù)產(chǎn)生拉弧，觸頭溫度急劇上升，使觸頭發(fā)生嚴重的動熔焊，降低斷路器使用壽命。

文章針對帶載合閘過程中存在的觸頭間易產(chǎn)生拉弧問題，對動力系統(tǒng)中各彈簧參數(shù)分別進行設(shè)計研究分析，獲得各參數(shù)對斷路器系統(tǒng)的影響靈敏度。針對各參數(shù)靈敏度高低不同，以動觸頭轉(zhuǎn)動角速度最大為最終優(yōu)化目標，完成該船用斷路器動力系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計分析。在符合斷路器系統(tǒng)運動規(guī)律的前提下，根據(jù)分析計算數(shù)據(jù)獲得各彈簧技術(shù)參數(shù)的最優(yōu)。

3.1 設(shè)計研究分析

設(shè)計研究過程中，設(shè)計變量按一定的規(guī)則在一定的范圍內(nèi)進行取值。根據(jù)設(shè)計參數(shù)在一定范圍內(nèi)的若干取值，自動進行一系列仿真分析。每次取不同的設(shè)計參數(shù)值，完成設(shè)計研究分析后，系統(tǒng)即輸出各次分析結(jié)果，并研究設(shè)計參數(shù)對機構(gòu)系統(tǒng)的影響。通過各次分析結(jié)果的對比分析，得到設(shè)計變量對樣機性能的影響、設(shè)計變量的最佳取值以及設(shè)計變量的靈敏度。

靈敏度即是樣機性能對設(shè)計變量值變化的靈敏程度。前后兩次迭代運算目標函數(shù)增量與設(shè)計變量增量比值的平均值，既是該設(shè)計變量此次迭代運算的靈敏度。靈敏度的數(shù)學(xué)表達式為:

式（1）中:Q為目標函數(shù)值；V為設(shè)計變量值；i為迭代次數(shù)。

靈敏度為正值，表示目標函數(shù)在迭代運算過程中逐漸增大；靈敏度為負值，則目標函數(shù)值在迭代過程中逐漸減小。目標函數(shù)值變化愈大，則靈敏度的絕對值愈大。靈敏度愈高，表明該設(shè)計變量與目標函數(shù)的相關(guān)性愈高，對系統(tǒng)的影響愈明顯。通過對比設(shè)計變量的靈敏度數(shù)值大小就可獲知選定的設(shè)計變量對目標函數(shù)的影響程度。

表1 設(shè)計研究分析結(jié)果

表1的設(shè)計研究分析結(jié)果可知:在上述12個設(shè)計變量的中，設(shè)計變量“DV_fzth_damp”、“DV_fwth_damp”、“DV_cnth1_damp”、“DV_cnth2_damp”、“DV_cnth3_damp” 和“DV_ chutouth _damp” 的初始值靈敏度最高，即“分閘彈簧阻尼”、“復(fù)位彈簧阻尼”、“儲能彈簧1阻尼”、“儲能彈簧2阻尼”、“儲能彈簧3阻尼”、“觸頭彈簧阻尼”的變化對機構(gòu)系統(tǒng)的合閘運動過程中的動觸頭平均角速度影響最大，即是對系統(tǒng)的合閘時間影響最大。

3.2 優(yōu)化設(shè)計分析

優(yōu)化設(shè)計分析是ADAMS/View提供的一種復(fù)雜的高級分析工具。在滿足各種設(shè)計條件和在指定的變量變化范圍內(nèi)，通過程序自動選擇設(shè)計變量，由分析求取目標函數(shù)的最優(yōu)值。

通過對影響系統(tǒng)動作靈敏度最高的6個設(shè)計變量進行優(yōu)化設(shè)計分析，獲得該型號船用斷路器系統(tǒng)動觸頭的最大平均角速度。以達到在滿足機構(gòu)功能的前提下合閘時間最短，減短觸頭間燃弧時間，提高產(chǎn)品質(zhì)量和工作性能。在優(yōu)化設(shè)計過程中，根據(jù)設(shè)計研究分析的最優(yōu)值結(jié)果，合理設(shè)定設(shè)計變量的變化范圍，施加一定的限制以保證最優(yōu)化設(shè)計處于合理的取值范圍。程序自動調(diào)整設(shè)計變量，獲得目標函數(shù)的最優(yōu)值以及設(shè)計變量最優(yōu)解組合。考慮上述6個以彈簧技術(shù)參數(shù)為設(shè)計變量的參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計結(jié)果如表2所示（平均角速度單位:deg/sec；阻尼單位:Newton-sec/mm）。

表2 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

由表2可知，在同時考慮對斷路器系統(tǒng)運動特性影響最大的6個設(shè)計變量情況下，完成系統(tǒng)的優(yōu)化迭代運算分析。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計不僅獲得設(shè)計變量的最優(yōu)解組合，而且可以整體優(yōu)化目標函數(shù)，最終實現(xiàn)了把動觸頭的平均角速度從原來的308.4deg/sec提升到384.43deg/sec，合閘工作時間縮短了25%，減短合閘過程中動靜觸頭間燃弧時間，經(jīng)過優(yōu)化后程序自動生成新的樣機模型。以上分析結(jié)果可以為該型號船用低壓框架式斷路器以后的生產(chǎn)設(shè)計改進提供技術(shù)參考。

4 結(jié)論

1）通過機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)研究某型號船用低壓框架式斷路器系統(tǒng)的方法，突破了傳統(tǒng)制造物理樣機的瓶頸。建立動力學(xué)仿真模型，驗證了模型的正確性并獲得了系統(tǒng)機械運動特性。

2）為了縮短合閘過程動靜觸頭間燃弧時間，以動觸頭轉(zhuǎn)動平均角速度為優(yōu)化目標函數(shù)，完成了斷路器動力系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計研究和優(yōu)化分析，通過優(yōu)化把該斷路器動觸頭的合閘平均角速度從308.4deg/sec提升到384.43deg/sec，縮短了合閘時間，進而提高產(chǎn)品的安全性、可靠性和使用壽命。

3）本論文為以后該產(chǎn)品的強度、剛度以及疲勞分析研究提供了技術(shù)支持，優(yōu)化后生成的樣機模型為以后該產(chǎn)品的改進設(shè)計提供參考，同時也為虛擬樣機技術(shù)在電器產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用提供了一種可行有效的方法與經(jīng)驗。

[1]Ren Wanbin, Chen Yinghua, Zhai Guofu. Modeling and simulation of hermetically sealed electromagnetic relay under mechanical environment[J]. ICEC2006, 2007,E90-C(7):1448-1454.

[2]Edgar Dullni. A vacuum circuit breaker with permanent magnetic actuator for frequent operations[C]. IEEE 18th Int.Symp.on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, 1998:688-691.

[3]張敬菽, 陳德貴, 劉洪武, 等. 基于虛擬樣機技術(shù)的低壓塑殼斷路器仿真研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報,2004,16(9):2118-2121.

[4]A.Lakshmikanth, Medhat M.Morcos. A power quality monitoring system:a case study in DSP-based solutions for power electronics[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2001, 50(3):724-731.

[5]吳冬青, 唐文獻, 李莉敏. 虛擬樣機技術(shù)在斷路器開發(fā)中的應(yīng)用研究[J]. 機電一體化, 2003,(4):22-25.

[6]陳德桂. 虛擬樣機成為開發(fā)新型低壓電器的關(guān)鍵技術(shù)[J]. 低壓電器, 2002,(6):3-7.

[7]李增剛. ADAMS入門詳解與實例[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 2008,91-93.