基于Adams的框架斷路器機(jī)構(gòu)及觸頭系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真

邢壘壘，陳大江，侯 魁，劉豐豐

(江蘇大全凱帆開關(guān)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212200)

0 引言

隨著發(fā)電容量和用戶量的日益擴(kuò)大，當(dāng)今社會(huì)對(duì)配電系統(tǒng)提出了更高的要求。作為低壓配電系統(tǒng)重要組成部分的框架斷路器其性能參數(shù)及其可靠性也便有了更高的要求。由于框架斷路器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果按照傳統(tǒng)的開發(fā)流程對(duì)實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行反復(fù)設(shè)計(jì)—驗(yàn)證—設(shè)計(jì)更改—再驗(yàn)證這一反復(fù)循環(huán)過程，必定造成項(xiàng)目時(shí)間成本和資金成本的增加，降低企業(yè)的競爭力。

斷路器工作壽命與系統(tǒng)內(nèi)力有很大關(guān)系，因此斷路器的壽命與機(jī)構(gòu)主簧、分閘拉簧、觸頭系統(tǒng)彈簧、關(guān)鍵連桿長度的設(shè)計(jì)以及斷路器參數(shù)指標(biāo)之間有著密不可分的關(guān)系。在各個(gè)廠家提高斷路器各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，尤其是現(xiàn)在斷路器機(jī)械壽命一般都宣稱10 000次以上，這樣在保證斷路器參數(shù)指標(biāo)的情況下尋找系統(tǒng)內(nèi)主要彈簧參數(shù)的最優(yōu)匹配關(guān)系顯得尤為重要，而合閘力就與系統(tǒng)內(nèi)主要彈簧的參數(shù)有緊密關(guān)系。近些年國內(nèi)外學(xué)者對(duì)斷路器相關(guān)的動(dòng)力學(xué)仿真做了一些研究，其中文獻(xiàn)[1]利用Pro/E和Adams對(duì)高壓斷路器的機(jī)構(gòu)在觸頭分合閘過程中行程、速度等特性進(jìn)行了仿真分析；文獻(xiàn)[2]對(duì)低壓斷路器建立了其機(jī)構(gòu)連桿系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，首先進(jìn)行了數(shù)值解算，之后通過與Adams仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，并在此基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)。文獻(xiàn)[3]利用SolidWorks建立了中壓操作機(jī)構(gòu)及斷路器的三維模型并導(dǎo)入Adams進(jìn)行動(dòng)力學(xué)學(xué)仿真，得到斷路器合分閘的速度及時(shí)間。

文獻(xiàn)[4]分析了高壓斷路器的工作原理，并建立了高壓斷路器的合分閘能量分配數(shù)學(xué)模型，重點(diǎn)對(duì)高壓斷路器彈簧機(jī)構(gòu)各種故障狀態(tài)下工況情況下進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。文獻(xiàn)[5]利用Adams對(duì)框架斷路器機(jī)構(gòu)分閘過程進(jìn)行了相關(guān)的動(dòng)力學(xué)仿真。文獻(xiàn)[6]利用Hypermesh做前處理導(dǎo)入Abaqus分步求模擬求解機(jī)構(gòu)分合閘過程，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比了觸頭的運(yùn)動(dòng)速度及位移等物理量。

文獻(xiàn)[7]利用Hypermesh對(duì)所建立的三維模型進(jìn)行前處理，然后利用顯示動(dòng)力學(xué)軟件Ls-Dyna對(duì)實(shí)際工況故障下操作機(jī)構(gòu)檔桿故障進(jìn)行了應(yīng)力計(jì)算及此種情況下造成的斷路器失效問題。文獻(xiàn)[8]利用Adams分析了滾輪尺寸變化引起的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性變化對(duì)斷路器特性的影響。本文通過Adams動(dòng)力學(xué)軟件，建立了框架斷路器操作機(jī)構(gòu)和動(dòng)靜觸頭的動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)置各項(xiàng)仿真參數(shù)和條件，通過與實(shí)驗(yàn)對(duì)比反推了仿真模型的正確性，最終獲得操作機(jī)構(gòu)主簧、動(dòng)靜觸頭彈簧、分閘拉簧的最優(yōu)解。

1 斷路器工作原理

斷路器的主要功能是在正常情況下保證電力系統(tǒng)能夠正常開斷電路，在電路出現(xiàn)異常，如短路、過載、欠壓時(shí)能夠迅速切斷電源。斷路器能夠?qū)崿F(xiàn)正常工作開斷電路，異常時(shí)迅速切斷電路，主要是通過操作機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。如圖1所示為儲(chǔ)能分閘狀態(tài)，操作機(jī)構(gòu)和觸頭系統(tǒng)工作原理圖，其中機(jī)構(gòu)系統(tǒng)主要由連桿a、連桿b、連桿c、連桿m、分閘扣片、分閘半軸、機(jī)構(gòu)主簧、分閘拉簧、限位軸2等組成；觸頭系統(tǒng)主要由連桿e、靜觸頭f、連桿d、觸頭片P、動(dòng)觸頭壓簧、限位軸1等組成。機(jī)構(gòu)系統(tǒng)為四、五連桿互為轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，動(dòng)觸頭系統(tǒng)為四連桿系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)儲(chǔ)能分閘狀態(tài)結(jié)構(gòu)簡圖

如圖1所示，此時(shí)狀態(tài)為斷路器儲(chǔ)能分閘時(shí)的結(jié)構(gòu)簡圖，斷路器結(jié)構(gòu)簡圖主要由機(jī)構(gòu)和觸頭系統(tǒng)組成。此時(shí)系統(tǒng)中機(jī)構(gòu)為五連桿系統(tǒng)，由連桿a、連桿b、連桿c、連桿m、機(jī)架O1O2組成?？蚣軘嗦菲饔|發(fā)合閘按鈕后，儲(chǔ)能杠桿在機(jī)構(gòu)主簧的作用下繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心O5逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)連桿b、連桿c進(jìn)入“死點(diǎn)”狀態(tài)，帶動(dòng)連桿m順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)連桿m在分閘扣片和分閘半軸的限制下，自由度變?yōu)?，此時(shí)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)由五連桿系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為連桿a、連桿b、連桿c、機(jī)架O2O3組成的四連桿系統(tǒng)，完成一次合閘動(dòng)作。機(jī)構(gòu)分閘是通過分閘半軸解鎖分閘扣片，從而解除連桿m的限制，使連桿m可繞O1轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣分閘時(shí)機(jī)構(gòu)由四連桿系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為五連桿系統(tǒng)。

觸頭系統(tǒng)為連桿a、連桿d、連桿e、機(jī)架O2O4組成的四連桿系統(tǒng)。合閘過程連桿a為原動(dòng)件，帶動(dòng)從動(dòng)件d、e完成合閘動(dòng)作，分閘過程連桿e為原動(dòng)件，帶動(dòng)從動(dòng)件d、a完成分閘動(dòng)作。

2 基于Adams的多剛體動(dòng)力學(xué)模型的建立

由于Adams在3D建模方面功能比傳統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)軟件相差很大，因此本文先在UG中建立簡化后的模型，然后轉(zhuǎn)化為parasolid格式導(dǎo)入Adams中，并在Adams中對(duì)模型進(jìn)行必要的簡化、約束、合并、施加載荷等操作。如圖2為所建立的動(dòng)力學(xué)仿真模型。

圖2 機(jī)構(gòu)與動(dòng)觸頭系統(tǒng)adams動(dòng)力學(xué)模型

2.1 動(dòng)力學(xué)仿真條件設(shè)定

①Adams在計(jì)算有碰撞問題的仿真模型時(shí)其結(jié)果的準(zhǔn)確性對(duì)于碰撞參數(shù)和計(jì)算方法的選擇比較敏感。Adams中有兩種定義碰撞接觸力的方法，一種是補(bǔ)償法(Restitution)，另一種是沖擊函數(shù)法(Impact)。沖擊函數(shù)法是根據(jù)Impact函數(shù)來計(jì)算兩個(gè)構(gòu)件之間的接觸力，接觸力由兩個(gè)部分組成，一是由于兩碰撞構(gòu)件之間的相互切入而產(chǎn)生的彈性力，二是由于相對(duì)速度產(chǎn)生的阻尼力。本文通過沖擊函數(shù)法處理碰撞問題，且碰撞之間的摩擦力忽略不計(jì)。②各個(gè)運(yùn)動(dòng)副及連桿為剛性連接，運(yùn)動(dòng)副之間間隙忽略不計(jì)。③考慮部分運(yùn)動(dòng)副(如主軸轉(zhuǎn)動(dòng)、動(dòng)觸頭片轉(zhuǎn)動(dòng)等)的摩擦力，個(gè)別運(yùn)動(dòng)副摩擦力忽略不計(jì)。④各彈簧剛度、原長為理論計(jì)算值且彈簧質(zhì)量忽略不計(jì)。⑤在本文系統(tǒng)中主要約束有固定約束36個(gè)、轉(zhuǎn)動(dòng)約束17個(gè)、碰撞約束10個(gè)。文中機(jī)構(gòu)及觸頭系統(tǒng)3D模型在導(dǎo)入Adams中做了部分簡化，如下兩種情況做了固定約束：一種情況是系統(tǒng)中零部件在機(jī)構(gòu)合閘過程中雖然受力但是靜止不動(dòng)的；一種是在運(yùn)動(dòng)過程中，同步運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)及兩個(gè)以上的零部件之間用固定約束，用以實(shí)現(xiàn)一起運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)約束是在機(jī)構(gòu)合閘過程中發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的部件，如連桿 a、 連桿 b、 連桿 c、 連桿 m、 分閘扣片、 分閘半軸、連桿 e、連桿 d、 觸頭片 P等。碰撞約束主要是在機(jī)構(gòu)合閘完成后機(jī)構(gòu)及觸頭系統(tǒng)中相關(guān)的運(yùn)動(dòng)零部件，與靜止零部件之間會(huì)發(fā)生碰撞的兩兩約束關(guān)系，在Adams參數(shù)設(shè)置時(shí)忽略碰撞摩擦力的影響。其中對(duì)于鋼材與鋼材之間的碰撞主要參數(shù)為stiffness 100000，force exponent 1.5，damping 50，penetration depth 0.1。

2.2 動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果輸出及分析

如圖3所示為機(jī)構(gòu)主軸在機(jī)構(gòu)主簧、分閘拉簧、動(dòng)觸頭彈簧的力值作用下，主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與時(shí)間的關(guān)系。經(jīng)過仿真分析計(jì)算在經(jīng)過10.8 ms后，即機(jī)構(gòu)的動(dòng)作的固有時(shí)間為10.8 ms左右，機(jī)構(gòu)主軸旋轉(zhuǎn)55.4°完成合閘動(dòng)作。通過上述仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)主軸在達(dá)到最大角度后動(dòng)觸頭會(huì)產(chǎn)生微小彈跳[9]，后平衡在一個(gè)53.8°左右。

圖3 主軸旋轉(zhuǎn)角度

圖4為主軸旋轉(zhuǎn)角速度仿真結(jié)果，根據(jù)圖4所示可以發(fā)現(xiàn)，在前0.7 ms期間，主軸并沒有發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，此段時(shí)間為儲(chǔ)能杠桿在主簧力作用下，儲(chǔ)能杠桿與機(jī)構(gòu)下連桿從分離位置到開始碰撞這一過程所消耗的時(shí)間，此時(shí)機(jī)構(gòu)主軸并沒有發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。在儲(chǔ)能杠桿與機(jī)構(gòu)下連桿碰撞后主軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)動(dòng)觸頭完成合閘動(dòng)作。圖4所示在0.01 s后主軸速度發(fā)生較大變化是因?yàn)樵诤祥l過程中有合閘彈跳現(xiàn)象發(fā)生。

圖4 主軸旋轉(zhuǎn)角速度

如圖5所示為機(jī)構(gòu)上下連桿結(jié)構(gòu)簡圖，當(dāng)機(jī)構(gòu)發(fā)出合閘信號(hào)時(shí)，儲(chǔ)能杠桿在機(jī)構(gòu)主簧的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)并撞擊連桿c上滾針軸承，在此撞擊力作用下，連桿c、連桿b、連桿m發(fā)生運(yùn)動(dòng)，其中連桿c與連桿b之間的最終角度大小會(huì)影響機(jī)構(gòu)能否正常合閘。在機(jī)構(gòu)正常合閘時(shí)，機(jī)構(gòu)上連桿b與下連桿c在合閘過程中角度將逐漸增大，如圖6所示為仿真過程，上連桿b與下連桿c之間角度變化過程，首先儲(chǔ)能杠桿帶動(dòng)下連桿運(yùn)動(dòng)，下連桿帶動(dòng)上連桿運(yùn)動(dòng)，兩者角度逐漸增大，直到180°，之后再運(yùn)動(dòng)上下連桿兩者的角度將由銳角變?yōu)殁g角，機(jī)構(gòu)如果不能正常合閘機(jī)構(gòu)的上下連桿將不能達(dá)到180°并不能過“死點(diǎn)”。

圖5 機(jī)構(gòu)上下連桿結(jié)構(gòu)簡圖

圖6 上下連桿轉(zhuǎn)角

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖7為所測試的某型號(hào)框架斷路器。圖8為所用到的測試儀器。如圖7，通過機(jī)構(gòu)主軸右側(cè)端部連接角位移傳感器，然后通過手動(dòng)觸發(fā)機(jī)構(gòu)，完成合閘動(dòng)作，合閘時(shí)間和主軸旋轉(zhuǎn)角度會(huì)通過圖8示波器輸出信號(hào)的電壓信號(hào)與時(shí)間關(guān)系進(jìn)行測量。其中可以間接測量出主軸轉(zhuǎn)角大小，直接測量出機(jī)構(gòu)合閘時(shí)間。輸出結(jié)果如圖9所示，測量合閘時(shí)間為11.778 ms，可以發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)合閘時(shí)間同仿真結(jié)果10.8 ms基本吻合。將示波器電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為角度值，可得實(shí)測主軸轉(zhuǎn)角大小為54.3°，此值也與仿真結(jié)果53.8基本一致。

圖7 某型號(hào)框架斷路器

圖8 實(shí)驗(yàn)用到的示波器

圖9 示波器數(shù)據(jù)采集

4 斷路器主要彈簧參數(shù)優(yōu)化

Adams的參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)是分別建立設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)、約束函數(shù)。設(shè)計(jì)變量作為參數(shù)，目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)之間將建立一種函數(shù)關(guān)系，每一設(shè)計(jì)變量在一定取值范圍內(nèi)取值，在滿足約束函數(shù)的情況下，使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最大或者最小值。

為了研究方便，并根據(jù)公司產(chǎn)品關(guān)鍵參數(shù)的保密要求，特將機(jī)構(gòu)的三根主簧等效為一根主簧，并將主簧在儲(chǔ)能狀態(tài)下的壓力及等效剛度為設(shè)計(jì)變量；將所有動(dòng)觸頭彈簧等效為一根彈簧，并將初始?jí)毫皠偠仍O(shè)為設(shè)計(jì)變量；兩根分閘拉簧的初始拉力及剛度也為設(shè)計(jì)變量。將連桿a，連桿b在合閘過程中角度的最大值必須大于180°為約束函數(shù)。將主軸合閘過程中在轉(zhuǎn)到52.8°時(shí)的角速度的最小值為目標(biāo)函數(shù)。并設(shè)定各個(gè)設(shè)計(jì)變量的取值范圍一般在±10%[10]內(nèi)即可，仿真結(jié)束后在Adams中通過Tools-Table Editor可以查看最后的優(yōu)化值，如表1所示，為最終仿真優(yōu)化的各設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化結(jié)果。

表1 系統(tǒng)仿真優(yōu)化結(jié)果

通過仿真的結(jié)果完成樣機(jī)試制，在合閘過程中發(fā)現(xiàn)偶爾前幾次會(huì)不能合閘，之后能夠正常合閘。造成這樣的結(jié)果主要有以下4個(gè)原因：

(1)仿真優(yōu)化值為機(jī)構(gòu)能夠合閘的最優(yōu)解，并沒有給與適當(dāng)?shù)挠嗔?，三者之間的參數(shù)處在臨界狀態(tài)；(2)樣機(jī)零部件在制作及安裝過程中由于存在制造及安裝誤差，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)存在多余的摩擦及阻尼；(3)文中的動(dòng)力學(xué)模型建立的剛體動(dòng)力學(xué)模型，而機(jī)構(gòu)在合閘過程中由于系統(tǒng)內(nèi)力比較大，會(huì)對(duì)零部件造成幾何形狀的變化，造成系統(tǒng)內(nèi)多余的阻尼及摩擦力；(4)雖然在仿真過程中考慮了部分摩擦阻尼，由于有些參數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的，也會(huì)對(duì)仿真結(jié)果造成影響。

5 結(jié)論

在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用仿真技術(shù)與以往通過先加工實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的傳統(tǒng)方法相比具有周期短、成本低、關(guān)鍵參數(shù)直觀方便、系統(tǒng)全面、能實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)及優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)。本文通過以某型號(hào)框架斷路器為例，建立了其Adams動(dòng)力學(xué)模型，并通過試驗(yàn)測量了主軸轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化情況與仿真模型基本一致，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。最后對(duì)影響斷路器壽命的機(jī)構(gòu)主簧、動(dòng)觸頭彈簧、分閘拉簧三者之間的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并將仿真優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)樣機(jī)試制，然后對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行合閘測試。通過理論與試驗(yàn)結(jié)合的方法，驗(yàn)證了仿真模型的正確性，為后續(xù)同類型系列產(chǎn)品的相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化提供了參考及依據(jù)。