功能設(shè)計方法在真空斷路器上的應(yīng)用

趙　斐,張勝藍，胡　標，周　文，程代玲

(1.庫柏電氣有限公司，浙江 寧波 315336；2.平高集團有限公司,河南 平頂山 467001)

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功能設(shè)計方法在真空斷路器上的應(yīng)用

趙斐1,張勝藍1，胡標1，周文1，程代玲2

(1.庫柏電氣有限公司，浙江 寧波 315336；2.平高集團有限公司,河南 平頂山 467001)

摘要：以優(yōu)化真空斷路器傳動尺寸鏈設(shè)計，提高產(chǎn)品性能和降低尺寸管理成本為目的，介紹了一種基于Tolerance Manager(以下簡稱TM)和SolidWorks軟件的新型先進設(shè)計技術(shù)，提出了功能條件、功能尺寸和功能尺寸的權(quán)重及敏感度等概念，通過設(shè)定斷路器的行程為功能條件，根據(jù)傳動結(jié)構(gòu)中各零件的接觸關(guān)系，確定功能尺寸。給出了在SolidWorks軟件中構(gòu)建機構(gòu)簡圖、在TM軟件中提取并調(diào)整非線性尺寸鏈的方法，結(jié)合TM軟件的規(guī)則，實現(xiàn)了應(yīng)用TM軟件分析、進行功能設(shè)計的先進方法。該方法以尺寸鏈理論為基礎(chǔ)，以統(tǒng)計分布法為原理，避免了傳統(tǒng)公差設(shè)計中查手冊、周期長的缺陷，不僅使零件標注更切合實際加工工藝，同時使檢測過程得到簡化，有效降低了零件的不合格率和尺寸管理成本。

關(guān)鍵詞：功能設(shè)計；真空斷路器；傳動機構(gòu)；尺寸鏈

真空斷路器是輸配電系統(tǒng)中的重要保護部件，其性能的優(yōu)劣直接影響到整個電力系統(tǒng)的可靠性和安全性[1]，因此，研究如何提高斷路器的性能具有重要的實際應(yīng)用意義。對于真空斷路器而言，決定其性能最重要的指標是斷路器觸頭的運動特性，即分閘運動速度特性和合閘運動速度特性。它們是滿足斷路器開斷和關(guān)合性能的重要保證。而真空斷路器觸頭的運動特性又是由操動機構(gòu)和傳動結(jié)構(gòu)決定的[2]，因此，操動機構(gòu)和傳動結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸和公差設(shè)計就顯得尤為關(guān)鍵。

本文介紹的功能設(shè)計方法使用TM和SolidWorks軟件做為公差設(shè)計與優(yōu)化的重要工具，對產(chǎn)品功能和制造可變性進行模擬，在滿足產(chǎn)品功能的前提下，盡可能用大的公差帶去降低制造成本。在項目早期運用功能設(shè)計方法，能有效避免產(chǎn)品在大批量生產(chǎn)階段出現(xiàn)裝配缺陷及功能缺陷，為企業(yè)贏得時間和節(jié)省項目費用。

1功能設(shè)計方法介紹

產(chǎn)品在裝配過程中會受到重力、內(nèi)力(如彈簧、緊固連接的壓緊力等)的作用。在各種力的作用下，零件不可能停留在理想狀態(tài)(如零件懸空裝配、不與其他零件接觸)。任何零件在裝配形成產(chǎn)品后，都應(yīng)與周圍的1個或多個零件接觸，形成穩(wěn)定的、功能上需要的接觸關(guān)系，從而處于一個平衡狀態(tài)，因此，產(chǎn)品裝配完成后，各個零件的位置由零件本身的結(jié)構(gòu)特征、特征上的尺寸名義值、尺寸公差帶及尺寸的幾何公差決定，而與裝配順序無關(guān)。功能設(shè)計方法是在尺寸鏈的基礎(chǔ)上，根據(jù)零件的接觸關(guān)系構(gòu)造線性尺寸鏈或者非線性尺寸鏈，并以TM軟件為工具對產(chǎn)品的尺寸鏈進行分析。

1.1功能設(shè)計方法的基本參數(shù)

1)功能條件(Functional Condition，F(xiàn)C)。其與傳統(tǒng)尺寸鏈計算的封閉環(huán)的概念類似，但是在傳統(tǒng)的尺寸鏈計算理論中，封閉環(huán)往往是一個物理距離或角度[3]，而功能條件則包括的范圍更大，它可以是產(chǎn)品在特定狀態(tài)下兩兩零件間的關(guān)系，如接觸壓力、搭接量和軸孔配合間隙(見圖1)均可作為產(chǎn)品的功能條件；同時，也可以是其他可量化、可測量的物理量，如速度、電流等。

圖1　不同情況的功能條件

產(chǎn)品在完成裝配后，就具有了自身特定的功能。而要滿足產(chǎn)品的不同功能，應(yīng)控制產(chǎn)品不同的功能條件。用螺栓將零件1和零件2緊固在一起的裝配如圖2所示。根據(jù)裝配要求，需要控制的FC共有4個：a.FC1為裝配間隙要求，保證螺栓順利裝入；b.FC2為保證零件1和零件2能夠被壓緊的功能條件；c.FC3為安全要求，確保壓緊后，在外界條件(如震動)的作用下，螺栓不會松動；d.FC4保證零件1和螺栓臺階可靠定位，防止螺栓頭部陷入零件1內(nèi)。

圖2　零件緊固裝配

2)功能尺寸(Functional Dimension，F(xiàn)D)。其是同一個零件上接觸特征到接觸特征之間的尺寸。它與傳統(tǒng)尺寸鏈中組成環(huán)的概念類似。功能尺寸來自尺寸鏈的計算，是產(chǎn)品功能條件的變量。

功能尺寸是在單個零件上的實現(xiàn)產(chǎn)品功能的尺寸，是設(shè)計中需要找到、分析和控制的尺寸。它通過對產(chǎn)品的功能條件造成影響，從而影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，同時對產(chǎn)品的成本也有較大影響，功能尺寸越多，零件的制造、控制和測量等成本就越高。功能尺寸應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品裝配后的功能條件進行確定，如根據(jù)圖2中的功能條件確定出螺栓的功能尺寸(見圖3)。圖3中尺寸φ25、φ20、21和36分別是根據(jù)功能條件FC4、FC1、FC2和FC3進行確定的。

圖3　螺栓的功能尺寸

3)敏感度(Sensitivity)。其也稱影響系數(shù)或偏導數(shù)，傳統(tǒng)尺寸鏈計算理論稱為誤差傳遞比，表征功能尺寸的變化對給定的功能條件的影響。敏感度有正有負。

敏感度Sen的計算公式為：

式中，F(xiàn)C是功能條件；xi是功能尺寸。

4)權(quán)重(Weight)。其是指功能尺寸的變化范圍在整個功能條件限制范圍中的影響，用來表征功能尺寸的重要性。其計算公式如下：

式中，Ki是功能尺寸敏感度；Ti是功能尺寸公差帶寬度。

1.2構(gòu)造尺寸鏈的幾何形式

功能設(shè)計方法中的尺寸鏈和傳統(tǒng)尺寸鏈一樣是一個矢量環(huán)。在尺寸鏈里，功能尺寸和功能條件都當作矢量處理，有大小和方向。根據(jù)尺寸鏈相關(guān)的功能條件及功能尺寸的關(guān)系，尺寸鏈可分為線性尺寸鏈與非線性尺寸鏈。

1)線性尺寸鏈。其是指功能條件和功能尺寸之間的關(guān)系是線性的。和傳統(tǒng)尺寸鏈一樣，功能尺寸也分為增環(huán)和減環(huán)，其含義同傳統(tǒng)尺寸鏈。通過零件間接觸關(guān)系可構(gòu)造出線性尺寸鏈。構(gòu)造方法如下：a.根據(jù)零件的接觸特征，如軸孔、平面和圓弧等，識別零件的接觸區(qū)域；b.從功能條件FC的起點開始畫第1個功能尺寸FD，方向指向零件自身的接觸面；c.依次畫出所有的功能尺寸，注意功能尺寸的矢量是同一個零件上接觸特征到接觸特征間的尺寸；d.尺寸鏈上最后一個尺寸指向功能條件的終點，所有功能尺寸和功能條件形成一個最短的閉環(huán)。

根據(jù)上述方法，可以確定功能條件和功能尺寸(見圖4)，并列出尺寸鏈方程如下：

J1=L01A-L01B-L01C

圖4　線性尺寸鏈幾何形式

用這種靠接觸關(guān)系確定功能尺寸的方法，能確保不同的人針對同一個裝配和功能條件，構(gòu)造出相同個數(shù)和位置的功能尺寸，構(gòu)造出的尺寸鏈方程也必然是唯一的。

2)非線性尺寸鏈。其較為復雜一些，但仍可通過零件間的接觸關(guān)系構(gòu)造出尺寸鏈，方法如下：a.找出機構(gòu)的平衡狀態(tài)，或者某一個特定的狀態(tài)，該狀態(tài)下，每個零件在平衡力的作用下處于靜止位置，注意不能是運動過程的中間狀態(tài)；b.通過接觸分析，確定和功能條件相關(guān)的零件和功能尺寸；c.將和功能條件相關(guān)的零件用基本要素的形式描繪出必要的形狀；d.列出簡化假設(shè)(如是否考慮配合間隙、零件受力變形及幾何公差等因素)；e.在機械接觸特性分析之后，識別特殊點(如軸孔配合時，軸和孔必有一個共同接觸的點、圓弧和平面相切時的切點等)；f.寫下幾何學上定義特殊點的尺寸，每個尺寸應(yīng)與零件上的幾何學規(guī)范相關(guān)聯(lián)，能在圖樣中正確地表達出來；g.應(yīng)用幾何構(gòu)造原理等知識構(gòu)造出尺寸鏈方程。

根據(jù)上述方法，可以確定功能條件和功能尺寸(見圖5)，并列出尺寸鏈方程(此處假設(shè)為理想模型，即不考慮軸孔配合間隙、所有零件幾何公差等因素)如下：

圖5　非線性尺寸鏈幾何形式

1.3尺寸鏈的分析

圖5中的傳動機構(gòu)較為簡單，功能條件只有一個，功能尺寸數(shù)量不多，因此，構(gòu)造功能條件和功能尺寸的非線性尺寸鏈方程并不困難。對于集成程度高、結(jié)構(gòu)復雜的產(chǎn)品，功能條件和功能尺寸的數(shù)量繁多，如斷路器機構(gòu)、工業(yè)機器人空間機構(gòu)等，要推導出某個功能條件與其對應(yīng)的功能尺寸的函數(shù)關(guān)系是比較困難的，不僅需要較長的時間，而且求解過程復雜，工作量巨大，容易出錯。

運用TM軟件可根據(jù)由功能條件和功能尺寸構(gòu)成的尺寸鏈簡圖自動提取出尺寸鏈方程，并利用其獨立的公差模擬及優(yōu)化界面進行計算。通過分析每個尺寸的權(quán)重和敏感度等，很容易判定每個尺寸在尺寸鏈中的作用，并根據(jù)計算輸出的功能條件結(jié)果，找出整個傳動鏈中尺寸和公差不合理的地方，進行分析并優(yōu)化，直至達到設(shè)計要求。

2功能設(shè)計方法在真空斷路器上的應(yīng)用

2.1功能條件(計算目標)的選擇

產(chǎn)品的功能條件與產(chǎn)品的性能參數(shù)息息相關(guān)。斷路器的分閘狀態(tài)如圖6a所示，合閘狀態(tài)如圖6b所示。在2種情況下，斷路器各零部件均保持在平衡狀態(tài)。S1和S2分別是斷路器絕緣拉桿相對主軸的位移，兩者的差是斷路器動觸頭的行程，其大小關(guān)系到斷路器的合閘和分閘特性，從而影響到斷路器的開斷性能和絕緣性能；因此，選擇S0為斷路器的功能條件，S0=S2-S1。

圖6　功能條件示意圖

2.2建立尺寸鏈模型

機構(gòu)進行非線性尺寸鏈分析的目標之一就是找到零件上對功能條件有影響的、符合圖樣表達標準的尺寸。這些尺寸就是零件上最重要的尺寸，即功能尺寸。按照上述介紹的接觸關(guān)系確定功能尺寸，機構(gòu)接觸關(guān)系與SolidWorks軟件草圖圖元之間按如下對應(yīng)關(guān)系進行約束：軸孔配合→相同點；滑動配合→點在線上；平面接觸→相同點；圓弧/平面接觸→相切；圓弧/圓弧接觸→相切；同一零件上相同特征的尺寸→等長；同一零件上相互平行的尺寸→平行；同一零件上相互垂直的尺寸→垂直。

最終確定出斷路器合閘位置和分閘位置的尺寸鏈模型如圖7、圖8所示。

圖7　合閘位置尺寸鏈模型

圖8　分閘位置尺寸鏈模型

2.3模型的計算及分析

尺寸鏈堆棧文件是在SolidWorks軟件中，由TM軟件的尺寸鏈計算器自動計算草圖模型生成的，包含尺寸鏈所有的功能條件、功能尺寸及功能尺寸敏感度的數(shù)據(jù)包集合，是TM進行獨立的公差管理的輸入。

TM自動計算之后，輸出功能條件的正態(tài)分布圖，根據(jù)正態(tài)分布圖和功能條件的要求，可判斷出設(shè)計結(jié)果是否符合要求。功能條件的計算結(jié)果如圖9所示。在圖9中，橫坐標代表功能尺寸的具體值，最上端為正態(tài)分布曲線形狀，表示功能尺寸應(yīng)遵循的規(guī)則。由上到下3個矩形分別代表計算結(jié)果的統(tǒng)計公差帶、算術(shù)公差帶和功能條件的統(tǒng)計公差帶要求。由圖9可以看出，設(shè)計要求的功能條件S0范圍為23～27，計算結(jié)果的算術(shù)公差帶范圍為22.88～25.05，統(tǒng)計公差帶范圍為23.59～24.34。雖然統(tǒng)計公差帶落在設(shè)計要求范圍內(nèi)，但數(shù)值基本在設(shè)計要求的下限，我們希望計算結(jié)果的中值落在設(shè)計要求的中值25左右，而計算結(jié)果的上限為24.34；因此，應(yīng)對尺寸鏈進行優(yōu)化。

圖9　功能條件計算結(jié)果分布圖

2.4功能尺寸的優(yōu)化

功能尺寸優(yōu)化的目的是使計算的功能條件結(jié)果滿足設(shè)計要求的功能條件范圍。改變功能尺寸的名義值可以使計算結(jié)果的名義值與功能條件要求的名義值對齊，這樣可以使功能尺寸在滿足功能要求的前提下，功能尺寸的公差帶范圍盡可能的大，從而可有效降低尺寸管理的成本。

調(diào)整功能尺寸的名義值，實際上在數(shù)學上就是計算方程的可行性，也就是對機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

假設(shè)x1,x2,…，xn的調(diào)整量分別為Δ1,Δ2,…，Δn，進行尺寸鏈調(diào)整的實質(zhì)就是尋找這些調(diào)整量的值，使得下列各式成立。

……

通過上述分析可以知道，在復雜的尺寸鏈項目中，一個尺寸可能對十幾個功能條件都有影響，這樣的尺寸就是“牽一發(fā)而動全身”的尺寸，調(diào)整尺寸名義值就變成一個多變量、多約束的復雜的數(shù)學優(yōu)化問題。通常選擇那些對功能條件影響個數(shù)少且敏感度大的功能尺寸進行調(diào)整。

在TM軟件中，可利用Flags和Curve等2種簡易方式來調(diào)整功能尺寸名義值。Flags是查看功能尺寸的敏感度及其與功能條件關(guān)系的工具，通過它可大致判斷出需要優(yōu)化的功能尺寸。功能條件S0的Flags標識結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，最大的敏感度尺寸A02J對S0貢獻最大，但是該尺寸為裝配尺寸，不適合進行優(yōu)化；而尺寸L01D在所有的功能尺寸里對S0的敏感度排在第2位，對S0影響最明顯，故應(yīng)首先考慮優(yōu)化尺寸L01D。

圖10　功能條件S0的Flags標識結(jié)果

選擇尺寸L01D對S0使用Curve工具，結(jié)果如圖11所示。取L01D=54.4(優(yōu)化前為53), 重新計算，得到的結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，S0=24.97，與設(shè)計要求的中值25非常接近，可以滿足要求。

圖11　尺寸L01D對S0的Curve結(jié)果

圖12　優(yōu)化后功能條件S0的計算結(jié)果

3結(jié)語

尺寸鏈分析設(shè)計計算作為產(chǎn)品研究開發(fā)過程中非常重要的一個環(huán)節(jié),將會朝著自動化程度更高、針對性更廣和可靠性更高的方向發(fā)展。本文介紹的功能設(shè)計方法，運用零件的接觸關(guān)系確定功能尺寸和功能條件，應(yīng)用SolidWorks軟件構(gòu)造產(chǎn)品的尺寸鏈簡圖，并以TM軟件為工具進行尺寸鏈的分析和優(yōu)化。該方法以尺寸鏈理論為基礎(chǔ)，以統(tǒng)計分布法為原理，避免了傳統(tǒng)公差設(shè)計中查手冊、周期長的缺陷，提供了一種新的公差設(shè)計在產(chǎn)品研發(fā)中的設(shè)計方法。

參考文獻

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[2] 樓家法.高壓開關(guān)機構(gòu)設(shè)計[M].天津：機械工業(yè)出版社，1981.

[3] 張根保.計算機輔助公差設(shè)計綜述[J].中國機械工程,1996,7(5):47-50.

責任編輯彭光宇

Application of Functional Design Method in Vacuum Circuit Breaker

ZHAO Fei1， ZHANG Shenglan1， HU Biao1， ZHOU Wen1， CHENG Dailing2

(1.Cooper Electric Co.， Ltd., Ningbo 315336， China；2.Pinggao Group Co., Ltd.， Pingdingshan 467001， China)

Abstract：To optimize the design of the vacuum circuit breaker transmission size chain, improve product performance and reduce the cost of management for the purpose of the management, introduce the method based on the Tolerance Manager (TM) and SolidWorks software model of the modern advanced design technology. The concepts of function, function, size, weight, and so on are presented, through setting the circuit breaker trip as functional condition, and according to the contact relations of each part of the drive structure, determine the functional dimensions. Introduce how to construct the diagram of mechanism in SolidWorks, how to extract and adjust the nonlinear dimension chain in the TM. Combining the rules of TM software, it also realizes the adnanced methods of function design analysis with TM software. Based on the dimension chain theory and the statistical distribution method, avoid the traditional tolerance design of the manual and the long cycle of defects. Not only make the parts marked more practical machining process, but also let the detection process simplified, and effectively reduce the parts of the unqualified rate and size of the cost of management.

Key words:functional design， vacuum circuit breakers， transmission structurue， dimension-chain

收稿日期：2015-07-28

作者簡介：趙斐(1969-)，男，碩士，高級工程師，主要從事高壓電器及機械設(shè)計等方面的研究。

中圖分類號：TM 561.2

文獻標志碼:A