斷路器操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真*

徐曉東

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

0 引 言

低壓斷路器是配電網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)非常重要的保護(hù)電器，其機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性直接影響著產(chǎn)品的性能以及安全可靠性。斷路器的操作機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度、受力、時(shí)間等參數(shù)對(duì)斷路器的開(kāi)合及分?jǐn)嘈阅苡兄匾挠绊慬1]。采用高速度相機(jī)拍攝運(yùn)動(dòng)過(guò)程時(shí)，受限于機(jī)構(gòu)的殼體遮擋以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)各部件遮擋，只能拍攝機(jī)構(gòu)分合閘時(shí)間。而使用傳感器獲取相關(guān)參數(shù)較為繁瑣，傳感器的安裝可能會(huì)影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性。因此利用動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，并利用實(shí)測(cè)已經(jīng)獲取的數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)修正仿真模型，最終獲取現(xiàn)有產(chǎn)品的完整運(yùn)動(dòng)過(guò)程數(shù)據(jù)，為產(chǎn)品進(jìn)一步優(yōu)化打下基礎(chǔ)。

筆者用Adams進(jìn)行斷路器操作機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析，仿真斷路器操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。獲取操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的各個(gè)參數(shù)且為在實(shí)際中的產(chǎn)品進(jìn)一步優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 操作機(jī)構(gòu)工作原理

斷路器的操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以看做是四、五連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。操作機(jī)構(gòu)處于正常合/分閘狀態(tài)時(shí)，可以看做是標(biāo)準(zhǔn)的四連桿機(jī)構(gòu)；在處于脫扣的狀態(tài)時(shí)，則轉(zhuǎn)變?yōu)槲暹B桿機(jī)構(gòu)。處于五連桿機(jī)構(gòu)時(shí)，手柄的分合閘不能使動(dòng)觸頭進(jìn)行閉合或斷開(kāi)動(dòng)作，只能進(jìn)行復(fù)位使機(jī)構(gòu)重新變?yōu)樗倪B桿機(jī)構(gòu)。斷路器的操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)工作原理如圖1所示。

圖1 操作機(jī)構(gòu)工作原理

其中手柄處使用彈簧與B點(diǎn)軸進(jìn)行連接，使操作機(jī)構(gòu)受力運(yùn)動(dòng)。O、E為固定旋轉(zhuǎn)中心，轉(zhuǎn)軸(OA)帶動(dòng)動(dòng)觸頭進(jìn)行分合閘。

在正常分合閘過(guò)程中，跳扣(DE)被鎖扣限位，D點(diǎn)為固定點(diǎn)。因此在正常分合閘過(guò)程中操作機(jī)構(gòu)為四連桿機(jī)構(gòu)，分別是轉(zhuǎn)軸(OA)、下連桿(AB)、上連桿(BC)、機(jī)構(gòu)(OC)。在脫扣過(guò)程中，跳扣被鎖扣釋放，D點(diǎn)為自由端，操作機(jī)構(gòu)變?yōu)槲暹B桿機(jī)構(gòu)，分別是轉(zhuǎn)軸(OA)、下連桿(AB)、上連桿(BC)、跳扣(DE)、機(jī)構(gòu)(OE)。

2 Adams仿真

Adams具有強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)仿真和分析功能，它可以分析復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)模型，但是它的幾何建模功能卻有很多不足之處。由于三維軟件建立好的模型可以很方便的導(dǎo)入Adams軟件，本文用三維建模軟件建立開(kāi)關(guān)的三維實(shí)體機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，并導(dǎo)入Adams中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真[2]。獲得操作機(jī)構(gòu)在不同運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的時(shí)間、受力、速度等參數(shù)。

2.1 簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)建模

用Adams仿真時(shí)，由程序的求解原理來(lái)看，只要仿真構(gòu)件的質(zhì)量、質(zhì)心位置、慣性矩、慣性積同實(shí)際構(gòu)件相同，就可以保證仿真結(jié)果的真實(shí)性[3]。將經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的斷路器三維模型通過(guò)中間格式導(dǎo)入Adams軟件中，設(shè)置支架(Ground)、手柄、上連桿(BC)、下連桿(AB)、跳扣(ED)、鎖扣、轉(zhuǎn)軸(OA)、動(dòng)觸頭、靜觸頭九個(gè)基本運(yùn)動(dòng)部件，忽略其他對(duì)操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不構(gòu)成影響的部件。

圖2 操作機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型

2.2 操作機(jī)構(gòu)約束關(guān)系

根據(jù)斷路器的實(shí)際工作運(yùn)動(dòng)情況，在機(jī)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件之間添加約束關(guān)系，添加的約束關(guān)系如表1所列。

表1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真模型設(shè)置

同時(shí)對(duì)機(jī)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件之間碰撞添加碰撞力約束，實(shí)際位置的彈簧添加實(shí)測(cè)的彈簧作用力，將各個(gè)構(gòu)件組成斷路器機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

2.3 操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

操作機(jī)構(gòu)的初始狀態(tài)為合閘，因此添加驅(qū)動(dòng)力使機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)順序?yàn)椋悍珠l-合閘-脫口-復(fù)位四個(gè)狀態(tài)，按照合分閘力為50N對(duì)手柄進(jìn)行操作。對(duì)手柄施加的受力力函數(shù)為：step(time,0,0,0.5,50)+step(time,0.5,0,1,-100)+step(time,1,0,1.01,+50)+step(time,1.01,0,1.5,0)+step(time,1.5,0,2,50)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析如下：

(1) 分閘：初始仿真模型為合閘狀態(tài)，對(duì)手柄施加向右的力，機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，最終處于分閘狀態(tài)，操作機(jī)構(gòu)分閘后為四連桿機(jī)構(gòu)，分別是轉(zhuǎn)軸(OA)、下連桿(AB)、上連桿(BC)、機(jī)構(gòu)(OC)。從操作手柄與支架運(yùn)動(dòng)角度曲線(xiàn)(如圖3)可以測(cè)得手柄轉(zhuǎn)過(guò)角度對(duì)應(yīng)的分閘開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)為0.298 s，測(cè)得開(kāi)距為36.4 mm。從動(dòng)觸頭位移時(shí)間曲線(xiàn)(如圖4)可以測(cè)得動(dòng)觸頭完全打開(kāi)時(shí)間點(diǎn)為0.308 s,計(jì)算得出分閘時(shí)間為10 ms。

圖3 手柄與支架運(yùn)動(dòng)角度-時(shí)間曲線(xiàn)

圖4 觸頭運(yùn)動(dòng)位移-時(shí)間曲線(xiàn)

(2) 合閘：對(duì)手柄施加向左的力，機(jī)構(gòu)開(kāi)始合閘。機(jī)構(gòu)處于合閘狀態(tài)時(shí)，仍然為四連桿機(jī)構(gòu)，分別是轉(zhuǎn)軸(OA)、下連桿(AB)、上連桿(BC)、機(jī)構(gòu)(OC)。從操作手柄與支架運(yùn)動(dòng)角度曲線(xiàn)(如圖3)可以測(cè)得手柄轉(zhuǎn)過(guò)角度對(duì)應(yīng)的分閘開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)為0.852 s，從動(dòng)觸頭位移時(shí)間曲線(xiàn)(如圖4)可以測(cè)得動(dòng)觸頭完全打開(kāi)時(shí)間點(diǎn)為0.860 s,計(jì)算得出分閘時(shí)間為8 ms。合閘后動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)閉合，通過(guò)測(cè)量動(dòng)靜觸頭接觸力可得觸頭終壓力約為16.6 N。為了計(jì)算觸頭超程，取消動(dòng)靜觸頭接觸設(shè)置重新計(jì)算合閘，測(cè)量合閘后動(dòng)觸頭相對(duì)靜觸頭表面距離，得出動(dòng)觸頭超程為5.2 mm。

(3) 脫扣：操作機(jī)構(gòu)合閘后，合閘狀態(tài)為四連桿，機(jī)構(gòu)處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)觸頭完全閉合。合閘、分閘狀態(tài)時(shí)，主彈簧被拉伸有儲(chǔ)能，但跳扣(ED)被鎖扣進(jìn)行限位，使機(jī)構(gòu)保持四連桿狀態(tài)。在鎖扣受到外力(手動(dòng)脫扣、電磁脫扣、電熱脫扣)時(shí)，使鎖扣運(yùn)動(dòng)。對(duì)鎖扣施加受力函數(shù):step(time,0,0,1.1,0)+step(time,1.1,0,1.2,5)+step(time,1.2,0,1.3,-5)。鎖扣受力后，D點(diǎn)恢復(fù)自由狀態(tài)，跳扣(ED)脫離限位狀態(tài)，操作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槲暹B桿機(jī)構(gòu)，五連桿分別是轉(zhuǎn)軸(OA)、下連桿(AB)、上連桿(BC)、跳扣(ED)、機(jī)構(gòu)(OE)。在跳扣(ED)脫扣后，操作機(jī)構(gòu)在彈簧作用下動(dòng)作，使動(dòng)觸頭與靜觸頭快速分離。

(4) 再扣:操作機(jī)構(gòu)脫扣后，需要手動(dòng)操作手柄進(jìn)行復(fù)位。對(duì)手柄施加一個(gè)向分閘方向的力，E端為只有旋轉(zhuǎn)的固定端，手柄對(duì)跳扣(ED)通過(guò)其限位進(jìn)行推動(dòng)，跳扣(ED)到達(dá)位置后鎖扣重新對(duì)跳扣(ED)進(jìn)行限位,此時(shí)D點(diǎn)固定，跳扣(ED)成為固定桿，機(jī)構(gòu)重新變成四連桿機(jī)構(gòu)。

3 仿真值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

利用高速攝像機(jī)可以拍攝操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并且測(cè)量其分合閘時(shí)間。將仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)仿真的準(zhǔn)確性，使得仿真結(jié)果可靠有效，仿真值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如表2所列。

表2 仿真值與實(shí)測(cè)值對(duì)比表

通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)值對(duì)比，誤差最大為5%，仿真結(jié)果可靠。誤差來(lái)源可能為摩擦力參數(shù)設(shè)置以及碰撞力系數(shù)設(shè)置造成的誤差累加。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)仿真分析計(jì)算斷路器機(jī)構(gòu)的全運(yùn)動(dòng)過(guò)程，進(jìn)而得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間、位移、速度、加速度、受力等數(shù)據(jù)。并將仿真分析數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)標(biāo)，驗(yàn)證仿真的可靠性。由此可以將仿真結(jié)果作為理論依據(jù)提取其中的數(shù)據(jù)，不僅為機(jī)構(gòu)優(yōu)化打下基礎(chǔ)，也提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，縮短研發(fā)周期。