基于ADAMS的萬能式斷路器操作機(jī)構(gòu)緩沖裝置動(dòng)力學(xué)仿真及研究

張 晨, 吳偉玉, 劉萬里, 馬雙彪

(北京人民電器廠有限公司, 北京 102627)

0 引 言

隨著發(fā)電容量和電能需求量的日益增長,當(dāng)今社會對電力配電網(wǎng)也提出了更高的要求。萬能式斷路器作為低壓配電網(wǎng)重要的組成部分之一,其在提升性能參數(shù)的基礎(chǔ)上必須進(jìn)一步提升安全性和可靠性。機(jī)械壽命參數(shù)是萬能式斷路器可靠性的重要指標(biāo)之一,為了使產(chǎn)品更有競爭力,提高萬能式斷路器機(jī)械壽命成了亟待解決的問題。目前大多數(shù)廠家通過加強(qiáng)操作機(jī)構(gòu)零件的材料強(qiáng)度來增加萬能式斷路器的機(jī)械壽命,但是在萬能式斷路器合閘、分閘過程中運(yùn)動(dòng)零部件多余的能量仍會對操作機(jī)構(gòu)內(nèi)下連桿、鳥型杠桿、儲能杠桿軸以及觸頭系統(tǒng)中動(dòng)、靜觸頭銀點(diǎn)等造成沖擊和損傷,從而影響萬能式斷路器整體的機(jī)械壽命。本文通過分析操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作特性和以往壽命試驗(yàn)報(bào)告所反映的問題,設(shè)計(jì)了一種操作機(jī)構(gòu)緩沖裝置以提高萬能式斷路器機(jī)械壽命,結(jié)合動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS對緩沖裝置進(jìn)行仿真分析,通過高速相機(jī)拍攝和機(jī)械壽命試驗(yàn)進(jìn)行充分驗(yàn)證。

1 萬能式斷路器操作機(jī)構(gòu)緩沖裝置模型分析

萬能式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、失壓等情況時(shí)能夠迅速切斷電源,保證電路中其他用電設(shè)備的安全。萬能式斷路器主要是通過操作機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)正常工作開斷電路、異常時(shí)迅速切斷電路的功能[1]。

1.1 萬能式斷路器操作機(jī)構(gòu)工作原理和失效現(xiàn)象

萬能式斷路器正常操作以及機(jī)械壽命試驗(yàn)時(shí)的動(dòng)作過程分為:觸頭合閘動(dòng)作、儲能彈簧釋能動(dòng)作——觸頭合閘保持、儲能彈簧儲能動(dòng)作——觸頭分閘動(dòng)作、儲能彈簧儲能保持[2],萬能式斷路器操作機(jī)構(gòu)主要運(yùn)動(dòng)零件標(biāo)引圖如圖1所示;萬能式斷路器合閘、儲能、分閘狀態(tài)分別如圖2～圖4所示。

圖1 萬能式斷路器操作機(jī)構(gòu)主要運(yùn)動(dòng)零件標(biāo)引圖

萬能式斷路器合閘時(shí),由合閘半軸轉(zhuǎn)動(dòng)釋放馬型合閘跳扣,凸輪同時(shí)解扣轉(zhuǎn)動(dòng),儲能杠桿在壓縮彈簧的作用下推動(dòng)下連桿,下連桿轉(zhuǎn)動(dòng)也推動(dòng)上連桿帶動(dòng)主軸懸臂轉(zhuǎn)動(dòng),在儲能彈簧釋能作用下,實(shí)現(xiàn)萬能式斷路器的合閘。在此過程中,鳥型杠桿被分閘扣片鎖住,因此形成了:上連桿、下連桿、主軸懸臂、主軸中心-下連桿軸心連線的四連桿系統(tǒng)。

圖2 萬能式斷路器合閘狀態(tài)

圖3 萬能式斷路器儲能狀態(tài)

圖4 萬能式斷路器分閘狀態(tài)

萬能式斷路器的儲能過程主要是圖1中的凸輪在電機(jī)和多級減速齒輪或者手動(dòng)操作手柄的驅(qū)動(dòng)下,按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),凸輪推動(dòng)儲能杠桿轉(zhuǎn)動(dòng),儲能杠桿在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中壓縮儲能彈簧,直至凸輪上的滾子抵住馬型合閘跳扣,再通過合閘半軸,使操作機(jī)構(gòu)達(dá)到儲能的穩(wěn)定狀態(tài)。

分閘時(shí),由分閘半軸解鎖分閘扣片,分閘扣片解扣后繞自身軸轉(zhuǎn)動(dòng),鳥型連桿隨即解扣并繞其軸轉(zhuǎn)動(dòng),上、下連桿過“死點(diǎn)”,在觸頭反力和復(fù)位彈簧的雙重作用下,萬能式斷路器分閘。在分閘過程中,鳥型杠桿被解鎖,由四連桿系統(tǒng)變?yōu)槲暹B桿系統(tǒng):上連桿、下連桿、主軸懸臂、操作機(jī)構(gòu)主軸-下連桿連線、操作機(jī)構(gòu)軸-主軸中心連線。

通過萬能式斷路器大量的壽命試驗(yàn)來看,合閘過程中各零件高速動(dòng)作并碰撞產(chǎn)生巨大的沖擊力,會對操作機(jī)構(gòu)內(nèi)零件造成極大的損壞,甚至導(dǎo)致整體操作機(jī)構(gòu)失效。另外萬能式斷路器操作機(jī)構(gòu)也會因?yàn)閮δ軓椈闪χ挡蛔?、操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作零件損壞、操作機(jī)構(gòu)零件動(dòng)作配合不到位等原因而產(chǎn)生失效現(xiàn)象,其中假合閘是萬能式斷路器常見的失效現(xiàn)象之一[3]。在正常合閘過程中,凸輪和儲能杠桿的狀態(tài)如圖2,其上、下連桿是過“死點(diǎn)”的狀態(tài),當(dāng)操作機(jī)構(gòu)出現(xiàn)假合閘現(xiàn)象時(shí),上、下連桿無法達(dá)到過“死點(diǎn)”的狀態(tài)。導(dǎo)致假合閘的因素有幾種,其中一種就是因?yàn)橥馆喸诤祥l過程中轉(zhuǎn)動(dòng)過快,在儲能杠桿還未完全推動(dòng)下連桿和上連桿過“死點(diǎn)”時(shí),凸輪提前反向推動(dòng)儲能杠桿,導(dǎo)致下連桿受到的推力不足,使得上、下連桿無法過“死點(diǎn)”,從而造成假合閘現(xiàn)象。操作機(jī)構(gòu)假合閘現(xiàn)象示意圖如圖5所示。產(chǎn)生假合閘現(xiàn)象后,動(dòng)觸頭沒有走完設(shè)計(jì)超程,觸頭壓力比正常合閘的觸頭壓力大幅降低,無法滿足萬能式斷路器的短時(shí)耐受指標(biāo),且此時(shí)直接二次儲能,即如圖5中凸輪繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),由于儲能杠桿在凸輪的作用下轉(zhuǎn)動(dòng),下連桿失去了儲能杠桿的支持,從而導(dǎo)致上連桿以及動(dòng)觸頭直接拉回,即前端的儲能命令導(dǎo)致萬能式斷路器進(jìn)行分閘動(dòng)作,如果萬能式斷路器接入配電網(wǎng)中出現(xiàn)上述現(xiàn)象,就會產(chǎn)生電弧,燒毀萬能式斷路器,使配電網(wǎng)造成極大損失。

圖5 操作機(jī)構(gòu)假合閘現(xiàn)象示意圖

1.2 操作機(jī)構(gòu)緩沖裝置的模型和工作原理

為提升萬能式斷路器機(jī)械壽命,在分析操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作特性的基礎(chǔ)上,優(yōu)化設(shè)計(jì)操作機(jī)構(gòu)緩沖裝置示意圖如圖6所示。主要包括緩沖三角架、上緩沖拐臂、下緩沖拐臂以及緩沖彈簧。其中緩沖三角架鉚接在操作機(jī)構(gòu)側(cè)板上,給整體緩沖裝置提供可靠的支點(diǎn)。三角架本體鉚接有上、下滾輪,分別與上、下緩沖拐臂作用給操作機(jī)構(gòu)提供緩沖力。上緩沖拐臂焊接在主軸上,主要在操作機(jī)構(gòu)上、下連桿即將過“死點(diǎn)”時(shí),吸收多余沖量;下緩沖拐臂裝配在操作機(jī)構(gòu)軸的V型槽上,主要防止凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)過快而造成假合閘現(xiàn)象。

圖6 優(yōu)化設(shè)計(jì)操作機(jī)構(gòu)緩沖裝置示意圖

在合閘初始狀態(tài),凸輪解扣轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)操作機(jī)構(gòu)軸轉(zhuǎn)動(dòng),裝配在操作機(jī)構(gòu)軸上的下緩沖拐臂隨操作機(jī)構(gòu)軸轉(zhuǎn)動(dòng),在凸輪完全讓開儲能杠桿滾子時(shí),下緩沖拐臂與緩沖三角架的下滾輪接觸碰撞,減緩操作機(jī)構(gòu)軸和凸輪的轉(zhuǎn)速,保證儲能杠桿運(yùn)動(dòng)到位前不與凸輪接觸,從而減少乃至避免假合閘現(xiàn)象的發(fā)生。

在合閘過程中,從初始狀態(tài)到合閘動(dòng)作完成,主軸轉(zhuǎn)動(dòng)53°,主軸前期通過儲能杠桿獲得較高的加速度,在“死點(diǎn)”附近上緩沖拐臂與緩沖三角架接觸碰撞,吸收操作機(jī)構(gòu)過剩的沖量,降低運(yùn)動(dòng)部件的限位碰撞,從而顯著提高萬能式斷路器操作機(jī)構(gòu)的壽命。

2 基于ADAMS的多剛體動(dòng)力學(xué)簡化建模和仿真

ADAMS軟件具有強(qiáng)大的前處理和后處理模塊,廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天、汽車、電器機(jī)械設(shè)計(jì)等領(lǐng)域,但其在復(fù)雜三維模型建模方面相對比較薄弱,因此本文選擇在UG中建立三維模型,并將非關(guān)鍵部件全部簡化,然后轉(zhuǎn)化為PARASOLID格式導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行約束、合并、施加載荷、添加分合閘命令的驅(qū)動(dòng)等操作[4-8]。建立簡化動(dòng)力學(xué)仿真模型,仿真模型如圖7所示。

圖7 仿真模型

2.1 仿真分析模型建立

不考慮運(yùn)動(dòng)副之間的間隙,簡化各個(gè)運(yùn)動(dòng)副及連桿為剛性連接,設(shè)置的運(yùn)動(dòng)副包括固定副、轉(zhuǎn)動(dòng)副等;設(shè)置包括操作機(jī)構(gòu)中上連桿—下連桿之間、下連桿—儲能杠桿之間、儲能杠桿—凸輪之間等主要運(yùn)動(dòng)部件之間的碰撞力參數(shù)和摩擦力參數(shù);為盡量模擬真實(shí)情況,動(dòng)、靜觸頭部分不采取簡化等效為單一觸頭的模型,并根據(jù)實(shí)際的觸頭彈簧P1、P2值設(shè)置彈簧參數(shù);根據(jù)萬能式斷路器實(shí)際零件材料進(jìn)行材料賦值和參數(shù)設(shè)置。

鋼材和鋼材之間碰撞力以及在有潤滑情況下摩擦力參數(shù)設(shè)置如圖8所示。而個(gè)別摩擦力對運(yùn)動(dòng)影響不大的部件,可在摩擦力選項(xiàng)設(shè)置為“無”;動(dòng)觸頭銀點(diǎn)和靜觸頭銀點(diǎn)之間碰撞力以及在無潤滑情況下摩擦力參數(shù)設(shè)置如圖9所示。

2.2 仿真結(jié)果對比分析

根據(jù)萬能式斷路器機(jī)械壽命試驗(yàn)的報(bào)告,薄弱零件包括鳥型杠桿、下連桿、儲能杠桿軸等。本文主要從上述易損零件的受力情況入手,研究緩沖裝置對操作機(jī)構(gòu)機(jī)械壽命的優(yōu)化。

2.2.1 下連桿-鳥型杠桿碰撞

在合閘過程中,上、下連桿過“死點(diǎn)”后,下連桿仍具有較大沖量,會對鳥型杠桿軸產(chǎn)生沖擊力,在壽命試驗(yàn)過程中出現(xiàn)鳥型杠桿軸嚴(yán)重變形以及下連桿變形甚至斷裂的現(xiàn)象。鳥型杠桿及上、下連桿機(jī)械壽命試驗(yàn)后實(shí)物如圖10所示。

圖10 鳥型杠桿及上、下連桿機(jī)械壽命試驗(yàn)后實(shí)物

通過ADAMS軟件對下連桿和鳥型杠桿軸之間碰撞力進(jìn)行仿真。下連桿和鳥型杠桿軸之間碰撞力仿真如圖11所示。在不加緩沖裝置的情況下,碰撞力峰值達(dá)到7 761 N,而合閘動(dòng)作完成后,穩(wěn)態(tài)的力值僅為295 N。加緩沖裝置后,該處碰撞力峰值減小到1 694 N,是不加緩沖裝置時(shí)峰值力值的21.8%,顯著降低鳥型杠桿軸和下連桿在壽命試驗(yàn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)。

圖11 下連桿和鳥型杠桿軸之間碰撞力仿真

2.2.2 儲能杠桿軸

儲能杠桿直接與儲能彈簧連接,儲能彈簧在操作機(jī)構(gòu)內(nèi)長期處于壓縮狀態(tài),導(dǎo)致儲能杠桿軸長期受力,特別在合閘過程中,儲能彈簧釋能,推動(dòng)整體操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),在上、下連桿過“死點(diǎn)”以及動(dòng)觸頭走超程時(shí),儲能杠桿軸受力陡增。在壽命試驗(yàn)過程中,出現(xiàn)過儲能杠桿軸斷裂的情況。儲能杠桿軸斷裂如圖12所示。

圖12 儲能杠桿軸斷裂

通過ADAMS軟件進(jìn)行仿真,儲能杠桿軸受力仿真如圖13所示。在不加緩沖操作機(jī)構(gòu)的情況下,儲能杠桿軸受到的力值峰值為24 946 N,合閘動(dòng)作完成后力值為675 N,而加緩沖裝置后,儲能杠桿軸受到的力值峰值為10 296 N,是不加緩沖裝置時(shí)力值峰值的41.3%,有效降低沖擊力,從而保證其機(jī)械壽命。

2.2.3 動(dòng)、靜觸頭銀點(diǎn)碰撞

在萬能式斷路器機(jī)械壽命試驗(yàn)后,動(dòng)、靜觸頭銀點(diǎn)均有較大的磨損和變形,往往導(dǎo)致壽命試驗(yàn)后的回路電阻和溫升數(shù)值大幅上升,甚至導(dǎo)致萬能式斷路器的短時(shí)耐受指標(biāo)下降,降低萬能式斷路器整機(jī)可靠性。

圖13 儲能杠桿軸受力仿真

因三極動(dòng)觸頭均與主軸懸臂連接,每極動(dòng)觸頭的觸指也可靠安裝在動(dòng)觸頭中,每片觸指的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力情況相對一致,故本文主要研究單片觸指上的銀點(diǎn)與靜觸頭銀點(diǎn)碰撞的情況。動(dòng)、靜觸頭銀點(diǎn)間碰撞力仿真如圖14所示。在不加緩沖裝置的情況下,動(dòng)、靜觸頭銀點(diǎn)間碰撞的力值峰值達(dá)到6 237 N,加緩沖裝置后,動(dòng)、靜觸頭銀點(diǎn)間碰撞的力值峰值為942 N,是不加緩沖裝置時(shí)峰值力值的15.1%,有效降低動(dòng)、靜觸頭銀點(diǎn)間的沖擊力值,從而減小銀點(diǎn)的磨損,提高萬能式斷路器的可靠性和安全性。

圖14 動(dòng)、靜觸頭銀點(diǎn)間碰撞力仿真

另外從動(dòng)、靜觸頭銀點(diǎn)間力值波形圖分析,加緩沖裝置后,銀點(diǎn)剛接觸時(shí)間和沖擊力消除后的穩(wěn)定接觸時(shí)間,與不加緩沖裝置相比,僅慢了0.5 ms,幾乎可以忽略不計(jì)。以此判斷緩沖裝置對萬能式斷路器的合閘動(dòng)作不會產(chǎn)生影響,操作機(jī)構(gòu)緩沖裝置也不會對萬能式斷路器帶來新的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

加緩沖裝置后,使用高速相機(jī)對整體操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行拍攝,上緩沖拐臂與上滾輪剛接觸如圖15所示。操作機(jī)構(gòu)儲能杠桿及凸輪如圖16所示。

圖15 上緩沖拐臂與上滾輪剛接觸

圖16 操作機(jī)構(gòu)儲能杠桿及凸輪

觀察操作機(jī)構(gòu)及緩沖裝置的動(dòng)作過程,加載緩沖裝置后,操作機(jī)構(gòu)凸輪轉(zhuǎn)速明顯降低并被限位,保證凸輪不提前與儲能杠桿接觸碰撞,從而避免假合閘現(xiàn)象。另外通過觀察馬型合閘跳扣開始動(dòng)作到上、下連桿過“死點(diǎn)”穩(wěn)定的時(shí)間,整體操作機(jī)構(gòu)的合閘動(dòng)作時(shí)間相差在1 ms以內(nèi),與仿真結(jié)果基本一致。

在驗(yàn)證操作機(jī)構(gòu)瞬態(tài)合閘動(dòng)作正常的基礎(chǔ)上,繼續(xù)進(jìn)行機(jī)械壽命測試,經(jīng)試驗(yàn)認(rèn)證,加緩沖裝置后機(jī)械壽命均可提升30%～50%。

4 結(jié) 語

本文主要對萬能式斷路器機(jī)械壽命中易損零件進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)操作機(jī)構(gòu)緩沖裝置,建立了ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真模型,并仿真實(shí)現(xiàn)萬能式斷路器合閘—儲能—分閘的運(yùn)動(dòng)全過程,著重分析了加緩沖裝置后減緩?fù)馆唲?dòng)作避免假合閘,以及操作機(jī)構(gòu)中易損零件的受力優(yōu)化情況。通過高速相機(jī)和機(jī)械壽命試驗(yàn),驗(yàn)證了仿真模型的正確性和緩沖裝置的有效性,為后續(xù)同類型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和參數(shù)提升提供了參考和依據(jù)。