低壓開關(guān)的機構(gòu)動態(tài)仿真分析與優(yōu)化

譚 韡 查海林 肖 星

1.上海交通大學機械與動力工程學院，上海,2000302. 西門子(中國)有限公司上海分公司，上海,201108

低壓開關(guān)的機構(gòu)動態(tài)仿真分析與優(yōu)化

譚 韡1,2查海林2肖 星2

1.上海交通大學機械與動力工程學院，上海,2000302. 西門子(中國)有限公司上海分公司，上海,201108

低壓開關(guān)的動態(tài)過程分析對于其優(yōu)化設(shè)計非常重要，機構(gòu)系統(tǒng)中碰撞接觸導致的彈跳會引起電弧燒蝕，直接影響開關(guān)的電氣壽命。采用虛擬樣機技術(shù)對開關(guān)的閉合過程進行動態(tài)仿真，獲得機構(gòu)的動態(tài)過程及各接觸位置的接觸狀態(tài)變化，并通過與開關(guān)閉合過程的彈跳時間測試結(jié)果進行對比，以及與電氣壽命試驗后樣品的燒蝕位置進行對比，證明了仿真模型的正確性。最后通過仿真模型的正交試驗研究了相關(guān)設(shè)計參數(shù)對開關(guān)彈跳的影響，分析得到機構(gòu)的優(yōu)化方案并進行了試驗，試驗結(jié)果驗證了所提出方案的有效性。

低壓開關(guān)；動態(tài)仿真分析；開關(guān)彈跳；正交試驗

0 引言

虛擬樣機技術(shù)已成為開發(fā)新型低壓電器的關(guān)鍵技術(shù)[1]。機構(gòu)動態(tài)仿真方法可以展現(xiàn)低壓開關(guān)的實際運動過程以及測量部件的受力情況，解釋在不同設(shè)計參數(shù)下運動狀態(tài)的改變情況，方便尋找結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方向。目前低壓電器動態(tài)仿真的研究主要建立在接觸器、斷路器等電器產(chǎn)品上,此類產(chǎn)品機構(gòu)分為3個部分：觸頭接觸系統(tǒng)、電磁驅(qū)動系統(tǒng)及這兩個部分的互連機構(gòu)。對觸頭部分的關(guān)注體現(xiàn)在電接觸的電弧分析方面[2-3]；對電磁系統(tǒng)的研究大部分是數(shù)值分析、設(shè)計仿真等[4-5]；對聯(lián)動機構(gòu)主要通過機械系統(tǒng)的動態(tài)過程分析進行仿真[6-9]。本文研究的低壓開關(guān)裝置不涉及電磁系統(tǒng)，僅觸頭機構(gòu)的電接觸和電弧原理與前述產(chǎn)品相同，驅(qū)動及聯(lián)動機構(gòu)實現(xiàn)方式較多，完全不同于接觸器、斷路器等產(chǎn)品，所以上述研究方法和仿真模型不能直接適用于開關(guān)裝置。近年來，涉及同類型低壓開關(guān)裝置的動態(tài)特性仿真的文獻[10-12]主要研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對觸頭接觸壓力的影響，雖然發(fā)現(xiàn)了觸頭彈跳現(xiàn)象，但并未在機構(gòu)優(yōu)化過程中考慮彈跳問題，脫離了實際產(chǎn)品研發(fā)測試過程中需要解決的最終問題，即彈跳引起電弧燒蝕而導致的電氣壽命縮短問題。

本文的目的是利用Creo軟件的建模及機構(gòu)動態(tài)仿真模塊，針對蹺板式低壓開關(guān)的機構(gòu)系統(tǒng)建立無縫連接的三維實體模型和動態(tài)仿真模型，找出機構(gòu)運動過程中的彈跳位置，以縮短彈跳時間為優(yōu)化目標，確定優(yōu)化參數(shù)和方案并進行驗證。Creo軟件提供了參數(shù)化建模，對于開關(guān)裝置能很方便地建立設(shè)計圖紙，其集成的機構(gòu)運動仿真分析模塊Mechanism可直接在其三維實體模型上設(shè)置機構(gòu)連接、驅(qū)動條件和載荷狀態(tài)，并通過自帶求解器完成動力學仿真分析，展現(xiàn)機構(gòu)的動態(tài)過程。

1 開關(guān)機構(gòu)樣機模型的建立

蹺板式開關(guān)機構(gòu)是最常見的低壓開關(guān)裝置運動方式，如圖1 所示。驅(qū)動條件來自于人手按壓開關(guān)按鈕，按鈕旋轉(zhuǎn)時內(nèi)部的彈簧通過壓頭帶動動觸片繞支軸做蹺板運動，動觸片的觸頭最終與靜觸頭閉合，由按鈕內(nèi)部的彈簧力提供兩個觸頭間的接觸壓力，電路閉合，電流通過，實現(xiàn)通斷功能。

圖1 開關(guān)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of switch

研究機構(gòu)問題可先從靜態(tài)分析入手，對于動觸頭組件可按照單個剛體的平衡問題進行靜力學分析，計算出平衡狀態(tài)的觸頭接觸壓力，動觸頭組件的受力分析如圖2所示，它主要由動靜觸頭部分和彈簧壓頭部分組成。

圖2 蹺板式開關(guān)動觸片靜力分析簡圖Fig.2 Static analysis of toggle-switch

建立平衡方程如下：

(1)

式中，F(xiàn)a為支軸處接觸壓力；Fb為銀點處接觸壓力；F為彈簧壓力(受控于彈簧剛度及壓縮量)；θ為按鍵轉(zhuǎn)動角度；l1為支軸距離壓頭與動觸片接觸點的水平距離；l2為靜觸頭距離壓頭與動觸片接觸點的水平距離。

求解式(1)可得

(2)

其中，l1和l2通常在設(shè)計中由H、θ及靜觸頭距離產(chǎn)品中心的水平距離l1+l2決定，可知觸點接觸壓力除了受彈簧壓力控制外，還主要取決于以上幾個尺寸參數(shù)。

通過靜態(tài)分析可以了解系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下的電接觸穩(wěn)定性，但開關(guān)裝置的機械系統(tǒng)問題屬于多剛體系統(tǒng)碰撞接觸問題，需要進一步對開關(guān)機構(gòu)進行動態(tài)分析，找到影響機械系統(tǒng)動態(tài)特性的關(guān)鍵因素。因此，CAE在設(shè)計初期對開關(guān)結(jié)構(gòu)進行計算，建立動力學仿真模型，分析其動態(tài)特性及受力情況，對產(chǎn)品開發(fā)、試制很有幫助，能夠顯著提高產(chǎn)品設(shè)計的科學性，減少盲目性，提升設(shè)計效率，在圖紙階段通過建立分析模型對產(chǎn)品進行運動、強度等性能預測，使產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)得到保證，有效提高設(shè)計的可靠性，縮短設(shè)計周期。

Creo軟件可建立開關(guān)裝置的機構(gòu)模型，包括按鈕(PC材料)、壓頭(PA66材料)、彈簧、動觸片(黃銅)、靜觸頭(黃銅)、支軸(黃銅)。除了彈簧以外，各零件均設(shè)置為剛體，并分配材料屬性、重力方向，然后定義各構(gòu)件間的運動副及各接觸位置的3D接觸，最后設(shè)置按鈕上的驅(qū)動力，完成初始條件的設(shè)置。

本仿真模型根據(jù)機械系統(tǒng)建模，利用軟件自動建立系統(tǒng)的拉格朗日運動方程，對每個物體分別列出帶乘子的拉格朗日方程及相應(yīng)的約束方程：

(3)

φi=0j=1,2,…,6

(4)

其中，K為動能;qj為系統(tǒng)的全部廣義坐標;φi為系統(tǒng)約束方程;Fj為廣義坐標方向上的作用力;λi為m×1拉格朗日乘子列陣;j為單個剛體自由度數(shù)。每個剛體由6個拉格朗日方程和相應(yīng)的約束方程加以描述，Creo軟件通過自動求解這些方程來對開關(guān)的動態(tài)機構(gòu)特征進行仿真。

2 機構(gòu)動態(tài)分析

蹺板開關(guān)的運動是由按鈕上的驅(qū)動力來帶動的，所以只需對按鈕進行初始值的定義。該驅(qū)動力根據(jù)實際的壽命試驗機上設(shè)置的沖擊力計算及測量得來，國家標準并沒有對相關(guān)的開關(guān)產(chǎn)品進行明確規(guī)定，實際的試驗過程也會根據(jù)個人經(jīng)驗來調(diào)整，但該力偏大或偏小都會給試驗結(jié)果帶來很大影響，文獻[13]對此問題有相關(guān)驗證。Creo軟件可根據(jù)輸入的驅(qū)動力進行動態(tài)仿真求解運算，得到開關(guān)閉合的動態(tài)虛擬過程，并且運用測量工具可以得到各接觸位置的接觸狀態(tài)變化以及接觸壓力的值。

2.1 開關(guān)閉合過程分析

圖3為開關(guān)裝置閉合過程的運動仿真圖。整個仿真過程周期設(shè)置為6 ms，在不考慮電因素的情況下，此動態(tài)過程屬于碰撞類問題，可以觀察到觸頭碰撞后導致的彈跳現(xiàn)象(圖3e和圖3f)，并最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。

(a)初始狀態(tài) (b)啟動狀態(tài)

(c)趨于接觸 (d)首次碰撞

(e)支軸位置起跳 (f)支軸回落接觸后，觸頭起跳

(g)支軸位置再次短暫起跳 (h)最終穩(wěn)定接觸圖3 開關(guān)閉合過程Fig.3 Switch on phase of seesaw switch

2.2 彈跳現(xiàn)象分析

開關(guān)的國家標準要求產(chǎn)品需達到一定的電氣壽命，并要求壽后溫升在45 K以內(nèi)，溫升取決于開關(guān)內(nèi)部電阻的大小，在電氣壽命測試中，電接觸位置彈跳引起的電弧燒蝕會增加內(nèi)阻，影響到溫升指標，因此，彈跳現(xiàn)象的分析在開關(guān)設(shè)計中相當重要。

圖4所示為靜動觸頭發(fā)生沖擊碰撞過程中接觸狀態(tài)隨時間變化的過程(圖4中縱軸坐標“0”表示兩者未接觸，“1”表示兩者接觸)：第一階段(0～3.47 ms)，靜動觸頭趨于接觸;第二階段(3.48 ms)，靜動觸頭發(fā)生了第一次碰撞接觸;第三階段(3.48～4.73 ms)，觸頭間發(fā)生了多次彈跳分離;第四階段(4.74～6 ms)，觸頭接觸并穩(wěn)定，形成了靜動觸頭的終壓力。

觸頭從首次接觸到最終穩(wěn)定，整個過程時間為1.25 ms，即觸頭的總彈跳時間。文獻[10]中的仿真模型也發(fā)現(xiàn)了觸頭的彈跳現(xiàn)象。

圖4 靜動觸頭的接觸變化Fig.4 Contact status between contacts

仿真過程中發(fā)現(xiàn)的另一個重要現(xiàn)象是導電部件支軸與動觸片間也發(fā)生了分離(圖3e)，這個位置也是導電連接處，這種分離由于距離較小，達不到滅弧距離，會造成支軸與動觸片間產(chǎn)生電弧燒蝕，影響開關(guān)壽命，實際在試驗中也發(fā)現(xiàn)了某些開關(guān)產(chǎn)品在此位置有燒蝕現(xiàn)象，如圖5所示。在本仿真模型中也可以測量支軸與動觸片間的接觸狀態(tài)，如圖6所示。第一階段(0～3.48 ms)，動觸片與支軸穩(wěn)定接觸；第二階段(3.49～3.81 ms),動觸片與支軸間發(fā)生了分離;第三階段(3.82～4.56 ms)，兩者接觸后多次發(fā)生彈跳分離;第四階段(4.57～6 ms)，兩者恢復接觸并穩(wěn)定。

圖5 電接觸位置的電弧燒蝕Fig.5 Electric arc erosion on the Contact position

圖6 動觸片與支軸的接觸變化Fig.6 Contact status between moving contact and pivot

由此可知，蹺板機構(gòu)的開關(guān)裝置由于觸點的碰撞，會導致動觸片的整體反彈，兩個接觸位置均會發(fā)生分離現(xiàn)象。仿真模型中彈跳現(xiàn)象發(fā)生位置與實際產(chǎn)品的電弧燒蝕位置相同，可以初步判斷仿真模型的正確性。

通過測量開關(guān)兩端的電壓波動可反映開關(guān)觸頭閉合的過程中發(fā)生的彈跳情況，得到圖7所示的彈跳實測波形圖，圖中Δt即彈跳過程時間。經(jīng)過多次測量后求平均值，得出開關(guān)的測試彈跳時間為1.2 ms左右。與仿真模型數(shù)值基本相符，證明本仿真模型是有效的。

圖7 開關(guān)彈跳時間實測波形圖Fig.7 Bounce test of seesaw switch

3 機構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化

開關(guān)運動過程中的彈跳會加劇導電部件的燒蝕，特別是支軸接觸位置因其功能設(shè)計是不需要產(chǎn)生分離的，因此,控制支軸位置的彈跳時間是蹺板式開關(guān)機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的目標。

對于減小支軸接觸位置的彈跳，需進行機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，可大致通過以下4種方式進行優(yōu)化:①對彈跳發(fā)生位置的支軸和靜觸頭零件增加減振結(jié)構(gòu)，將沖擊動能損耗在減振結(jié)構(gòu)上；②通過機械結(jié)構(gòu)的變化來改變動觸片上各位置點的受力方向，避免其與支軸的彈跳；③動觸頭在與支軸接觸的位置采用復合銀層材料，使其在發(fā)生電弧燒蝕后仍存在銀層接觸，從而減小接觸電阻，保障電氣性能；④機構(gòu)形式不變，優(yōu)化結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)。前兩種方式對機構(gòu)形式有較大變化，需建立新的仿真模型分析優(yōu)化[14]；方式③受產(chǎn)品成本限制，不利于資源的有效利用與節(jié)約；方式④即通過建立機構(gòu)運動仿真模型并采用正交試驗方法獲得相關(guān)設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化方案。本文建立了機構(gòu)的動態(tài)仿真模型，故采用方式④進行優(yōu)化。

3.1 結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)優(yōu)化

動觸片自身重力對碰撞后的受力及動態(tài)特性有影響，所以減小動觸片的質(zhì)量可以起到結(jié)構(gòu)上的性能優(yōu)化作用，如圖8所示。

圖8 動觸片質(zhì)量減小Fig.8 Weight loss of movable contact

如圖9所示，蹺板式開關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)包括：按鈕擺動角度θ、旋轉(zhuǎn)中心間距L1、動靜觸頭開距L2、靜觸頭間距L3、壓頭頭部直徑D、彈簧彈性系數(shù)Ks及預壓量h。以上尺寸參數(shù)決定了開關(guān)的動態(tài)特性(彈跳過程)及觸頭接觸壓力(包括過程中的壓力變化和終壓力)。其中，靜觸頭間距L3受產(chǎn)品外形、安裝要求以及生產(chǎn)裝配的限制，需要固定尺寸；動靜觸頭開距L2按產(chǎn)品的國家標準中的電氣間隙要求大于3 mm，但觸頭開距越大，碰撞后的反彈也會越大，因此，該尺寸也可以按留取一定余量的最小值固定；而壓頭零件本身體積很小，其頭部直徑越大，摩擦力越大，頭部直徑太小，則會磨損動觸片，所以也可按經(jīng)驗值固定尺寸。因此，在優(yōu)化設(shè)計過程中，L2、L3、D這三項都可定義為設(shè)計常量。在大氣空氣中頻繁操作的低壓接觸器、開關(guān)等，其單位電流的接觸力需達到0.06～0.15 N，本文中的開關(guān)裝置按照10 A的標準設(shè)計，其動靜觸頭間的接觸壓力應(yīng)控制在0.6～1.5 N，因此，接觸壓力定義為約束條件，按鈕擺動角度、旋轉(zhuǎn)中心間距、彈簧彈性系數(shù)及預壓量可選取為設(shè)計變量。另外，觸頭位置的彈跳不能大范圍波動，也應(yīng)該作為約束條件，其范圍值可在優(yōu)化迭代過程中用數(shù)據(jù)篩選來參考控制。

圖9 蹺板式開關(guān)的結(jié)構(gòu)及其尺寸參數(shù)Fig.9 Key dimensions of switch

本文仿真模型的優(yōu)化設(shè)計模型如下。

優(yōu)化目標：支軸接觸位置彈跳時間最小。

約束條件：動靜觸頭接觸壓力F為0.6～1.5 N；觸頭接觸位置彈跳時間較短。

設(shè)計變量：4°≤θ≤6°；15 mm≤L1≤17 mm；1.5 N/mm≤Ks≤2.5 N/mm；4 mm≤h≤5 mm。

目前低壓電器的優(yōu)化設(shè)計基于仿真模型上的優(yōu)化方法通常采用仿真軟件中的優(yōu)化分析工具進行，將需要分析的參數(shù)設(shè)定為設(shè)計變量，分別改變各設(shè)計變量的值，通過選擇的優(yōu)化算法迭代計算出目標函數(shù)的輸出值。對于本仿真模型，由于是接觸碰撞問題，其中設(shè)置了大量的3D接觸連接，軟件計算非常耗時，故不能直接采用軟件的自動迭代。為此，本文采用正交試驗法，以較少的仿真次數(shù)來計算得到各設(shè)計變量對優(yōu)化目標的影響的顯著性，提高優(yōu)化設(shè)計效率，并得到最優(yōu)的參數(shù)設(shè)計方案。

本正交試驗的因素來源于優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型中的設(shè)計變量，即按鈕擺動角度、彈簧彈性系數(shù)、預壓量及旋轉(zhuǎn)中心間距，這四個因素記作A、B、C、D，其中，因素A、B、D分別取三個水平，因素C范圍較小，取兩個水平。因素水平見表1。

表1 因素水平表Tab.1 Level of factor form

建立L9(34)正交表，按照正交表中各試驗號對應(yīng)的水平組合進行仿真試驗，得到極差分析結(jié)果，見表2。

表2 支軸位置彈跳時間的正交試驗極差分析Tab.2 Range analysis of bounce time on pivot position

從極差分析結(jié)果比較可以看出，各項因素無顯著影響，只是相對來說因素B的影響大一些，總地來說，本試驗最優(yōu)方案應(yīng)該是A1B3C2D3，最優(yōu)方案仿真后的各項指標結(jié)果見表3。

表3 優(yōu)化方案仿真分析結(jié)果Tab.3 Simulation analysis result of the optimization scheme

從本試驗過程及結(jié)果看來，觸頭接觸壓力和彈跳時間均處于合理水平，綜合指標較好。即對于蹺板機構(gòu)，增大彈簧預壓力并通過控制按鍵擺動角度來適當減小壓頭滑動距離有助于解決支軸位置的彈跳問題，但需控制參數(shù)改變帶來的對觸頭接觸壓力和彈跳時間的影響。

3.2 實驗驗證及分析

現(xiàn)有低壓電器方面的機構(gòu)優(yōu)化通常是基于典型的連桿機構(gòu)的優(yōu)化，其大致分為兩個方向：一種是提高開斷速度的優(yōu)化設(shè)計；一種是減小動觸頭合閘彈跳的優(yōu)化設(shè)計[15-16]。而對于蹺板式開關(guān)機構(gòu)這種帶接觸碰撞的多體機械系統(tǒng)，主要優(yōu)化方向就是縮短系統(tǒng)彈跳時間，但與連桿機構(gòu)的合閘彈跳不同，該機構(gòu)自由度更高，彈跳位置不止于動靜觸頭之間，現(xiàn)有的優(yōu)化設(shè)計通常根據(jù)設(shè)計者的經(jīng)驗，采用簡單的枚舉法來計算合適的觸頭接觸壓力，再通過實驗對比獲取相對較優(yōu)的目標值，因此，對于優(yōu)化結(jié)果往往具有不確定性及低效率。

為了驗證本文優(yōu)化方法結(jié)果的可靠性，在對實體樣機進行優(yōu)化后，對原機構(gòu)和優(yōu)化機構(gòu)進行了實驗測試對比。將開關(guān)試樣按國標進行熒光燈負載測試。圖10所示為測試后的試樣對比，左邊為優(yōu)化前試樣，右邊為優(yōu)化后試樣，可以看到除了觸頭處的正常燒蝕外，支軸處僅輕微燒蝕，且被機械磨損將積碳清潔了，可以認為動觸片與支軸間的彈跳很小、時間很短，與仿真結(jié)果吻合。

圖10 優(yōu)化前后測試樣品狀態(tài)對比Fig.10 Specimens compare between before and after of optimization

通過實驗可以證實本文仿真模型及優(yōu)化方法能有效地提高低壓開關(guān)的機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計效率，多次實驗的結(jié)果證明，本優(yōu)化方法具有較高的魯棒性，對于研發(fā)設(shè)計具有一定的價值。

4 結(jié)語

有別于現(xiàn)有的低壓開關(guān)仿真模型研究，本文使用Creo軟件建立了完整的一體化虛擬樣機模型，該模型具有很好的靈活性，并且通過采用同一軟件平臺，避免了傳統(tǒng)方法中實體建模和仿真建模采用各自特有軟件而導致的每次調(diào)整設(shè)計都需重復設(shè)置的繁瑣操作。CAD與CAE之間的無縫鏈接，保證了模型傳遞過程中的一致性，大大提升了仿真設(shè)計的效率。利用了參數(shù)化的優(yōu)勢，設(shè)計及修改過程簡便，結(jié)果體現(xiàn)方便，提高了設(shè)計效率。本文采用的正交試驗優(yōu)化方法對本領(lǐng)域開關(guān)裝置的優(yōu)化研究具有普遍的適用性，能有效縮短優(yōu)化設(shè)計時間，避免大量重復試驗，且有助于降低產(chǎn)品成本，提高企業(yè)競爭力。

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(編輯 陳 勇)

Dynamic Simulation Analysis and Optimization of Low-voltage Switches

Tan Wei1,2Zha Hailin2Xiao Xing2

1.School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai,200030 2.Siemens Ltd., China, Shanghai Branch, Shanghai,201108

In the optimum design of low-voltage switches, it was necessary to analyze the dynamic behaviors. The bounces caused by impact contacts in the mechanical system would lead to arc ablations, and directly a effect the electrical lifetimes of the switches. With virtual prototyping technologies to do the dynamic simulations for the closing processes of the switches, the dynamic behaviors of the mechanical system and the changes of the contact status were investigated. The simulation model was verified by comparing with the bounce time tests of the switch closing processes, and the bounce positions were the same as the arc ablation positions of the test samples. The influences of the design parameters on the contact bounce of the switches were investigated through the orthogonal test of the simulation model, and the optimization method was designed and verified by the test samples.

low-voltage switch; dynamic simulation; contact bounce；orthogonal test

2016-06-15

TH122

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.09.013