低壓塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)

王少民，李志雄，陸佳琳，蘇杭，方舒，何濤

（1.云松電力技術(shù)有限公司，浙江 溫州 325604；2.俊郎電氣有限公司，浙江 溫州 325604；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 海淀 100083；4.溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325000）

塑殼斷路器是低壓配電網(wǎng)最常用的保護(hù)電器之一[1]，其性能直接關(guān)系到下游側(cè)供電回路中電氣設(shè)備的運(yùn)行安全。操作機(jī)構(gòu)[2]是塑殼斷路器的最核心部件，負(fù)責(zé)斷路器的合閘、分閘、自由脫扣及復(fù)位等功能。

低壓斷路器操作機(jī)構(gòu)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法復(fù)雜而煩瑣，通常需要4個(gè)方面的工作和流程才能完成。首先，需要計(jì)算和建立斷路器操作機(jī)構(gòu)各桿件的力學(xué)參數(shù)、尺寸、相互位置等技術(shù)數(shù)據(jù)。其次，需要圖解法作出每個(gè)時(shí)刻各機(jī)構(gòu)的空間運(yùn)動(dòng)軌跡及位置。再次，須要進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制作樣機(jī)。最后，須要通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性。這個(gè)過(guò)程往往須要反復(fù)進(jìn)行、多次優(yōu)化修正，這給斷路器操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)諸多不便。

將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）[3]應(yīng)用于低壓塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，對(duì)于提升我國(guó)低壓控制電器的自主設(shè)計(jì)和數(shù)字仿真水平具有非常重要的意義和作用：（1）通過(guò)取代人工，可以大大縮短設(shè)計(jì)周期和提高設(shè)計(jì)效率；（2）通過(guò)虛擬可視化操作，可以隨時(shí)調(diào)整產(chǎn)品參數(shù)和改善產(chǎn)品性能；（3）通過(guò)Pro/E軟件[4]的三維建模和動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真，可以取代常規(guī)的樣機(jī)制作和物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并節(jié)省大量人力、物力和財(cái)力。

本文首先分析塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)的工作原理，然后介紹塑殼斷路器的性能參數(shù)設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹塑殼斷路器的三維建模過(guò)程及仿真結(jié)果，主要包括斷路器零部件繪制、關(guān)鍵部件應(yīng)力分析、斷路器裝配和分解、操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作過(guò)程仿真。

1 塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)的工作原理

塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)由動(dòng)觸頭支架e、下連桿f、上連桿g、跳扣j、鎖扣m等部分組成。動(dòng)觸頭可繞支點(diǎn)O2轉(zhuǎn)動(dòng)，跳扣可繞支點(diǎn)A轉(zhuǎn)動(dòng)，手柄可繞支點(diǎn)O1轉(zhuǎn)動(dòng)。塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，可以分為分閘、合閘、自由脫扣和再扣4個(gè)動(dòng)作。下面將具體介紹4個(gè)動(dòng)作過(guò)程的工作原理。

1.1 分閘、合閘動(dòng)作

分閘和合閘動(dòng)作[5]過(guò)程如圖1所示。鎖扣m鎖定，使跳扣j固定不動(dòng)，手柄i在外力作用下繞支點(diǎn)O1逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)彈簧h越過(guò)支點(diǎn)B點(diǎn)時(shí)，通過(guò)彈簧拉力使連桿g、f脫離死區(qū)，牽動(dòng)觸頭分開(kāi)，完成分閘動(dòng)作。

圖1 分閘、合閘狀態(tài)示意圖

當(dāng)手柄反方向運(yùn)動(dòng)，并使彈簧越過(guò)B支點(diǎn)時(shí)，通過(guò)彈簧拉力拉動(dòng)連桿g、f運(yùn)動(dòng)，并牽引動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)，使動(dòng)觸頭和靜觸頭接觸，完成合閘動(dòng)作。

1.2 自由脫扣動(dòng)作

自由脫扣動(dòng)作[6]是操作機(jī)構(gòu)最為復(fù)雜的一個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，可以抽象為一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)變成一個(gè)五桿機(jī)構(gòu)的過(guò)程。在電路過(guò)載或短路等情況下，自由脫扣機(jī)m脫扣。如圖2所示，m脫扣瞬間，整個(gè)系統(tǒng)受彈簧h的拉力、觸頭斥力和重力的作用。跳扣j與手柄i在彈簧h的拉力下分別沿順、逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)C點(diǎn)受跳扣j限制（C點(diǎn)與跳扣j存在限位關(guān)系）使A、B、C三個(gè)點(diǎn)相對(duì)靜止，此時(shí)桿g與桿AB（跳扣j上兩點(diǎn)）可看作一個(gè)整體，即整個(gè)機(jī)構(gòu)為e、f、AB、AO2的四桿機(jī)構(gòu)。其驅(qū)動(dòng)力為彈簧h的拉力。

圖2 脫扣瞬間運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

如圖3所示，當(dāng)跳扣j與手柄i運(yùn)動(dòng)到一定位置，即彈簧h越過(guò)B點(diǎn)。彈簧h的拉力使桿g脫離鎖扣j的限位，桿g相對(duì)于鎖扣j順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，此時(shí)A、B、C三點(diǎn)不再相對(duì)靜止，系統(tǒng)又四桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛蒭、f、AB、AO2組成的五桿機(jī)構(gòu)。

圖3 四桿-五桿機(jī)構(gòu)臨界狀態(tài)簡(jiǎn)圖

如圖4所示，當(dāng)達(dá)到四桿、五桿臨界狀態(tài)后，機(jī)構(gòu)在彈簧h的拉力下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)分?jǐn)酄顟B(tài)。在由e、f、AB、AO2組成的五桿機(jī)構(gòu)中存在兩個(gè)自由度，而整個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)力（彈簧h的拉力）。因此，觸頭分?jǐn)嗯c手柄無(wú)關(guān)，同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)與初始條件（四桿、五桿臨界狀態(tài)）時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律關(guān)系很大。

圖4 自由脫扣分?jǐn)酄顟B(tài)簡(jiǎn)圖

1.3 操作系統(tǒng)的再扣

操作系統(tǒng)的再扣[7]就是使m重新鎖定鎖扣，鎖扣j再次被固定（C、O2兩點(diǎn)固定不動(dòng)）。此時(shí)，系統(tǒng)為e、f、g、CO組成的反四桿機(jī)構(gòu)，觸頭的運(yùn)動(dòng)再次與手柄i聯(lián)系，在合閘時(shí)彈簧h為反四桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力。此時(shí)機(jī)構(gòu)為分閘狀態(tài)，可以通過(guò)搬動(dòng)手柄i完成手動(dòng)合閘，如圖5所示。

圖5 操作系統(tǒng)再扣狀態(tài)

2 塑殼斷路器性能參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 塑殼斷路器主要性能指標(biāo)

2.1.1 觸頭開(kāi)距

觸頭開(kāi)距是指動(dòng)靜觸頭之間的最長(zhǎng)距離，即分閘狀態(tài)時(shí)動(dòng)靜觸頭之間的距離。開(kāi)距的作用是，在一定的短路電流下動(dòng)靜觸頭斷開(kāi)，觸頭之間有一定的間隙空間，能把電弧拉長(zhǎng)拉細(xì)，增加其自然滅弧能力；也為了在規(guī)定的試驗(yàn)電壓下不被擊穿而引起電弧重燃。原則上觸頭開(kāi)距越大，電弧越容易被拉長(zhǎng)，也就越容易熄滅，但考慮到塑殼斷路器的總體高度已經(jīng)確定，給下觸頭和附件腔留出合適的空間后，確定開(kāi)距取21 cm較為合適[8,9]。

2.1.2 觸頭超行程

超程的實(shí)際測(cè)量方法是，在合閘位置時(shí)，移去靜觸頭，測(cè)量此時(shí)動(dòng)觸頭繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的距離即為超程。塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要保證在斷路器電壽命結(jié)束前，動(dòng)靜觸頭仍能可靠的接觸。一般規(guī)定，超程設(shè)計(jì)范圍為2～4 mm。

2.1.3 觸頭終壓力

斷路器的觸頭終壓力主要取決于觸頭通過(guò)較大電流時(shí)，不至于因電動(dòng)斥力產(chǎn)生跳動(dòng)而引起熔焊。但它有別于采用短路電流產(chǎn)生的很大電動(dòng)斥力，使得短路電流尚未達(dá)到最大值時(shí)，觸頭在瞬動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作之前被斥開(kāi)，以取得限流的效果。因此，觸頭終壓力是個(gè)限定范圍內(nèi)的值。脫扣器設(shè)計(jì)值是在12倍額定電流（100 A）即1200 A時(shí)開(kāi)始動(dòng)作，在電流1200 A時(shí)，得電動(dòng)斥力為5 N，而當(dāng)電流增大到2400 A（短路電流）時(shí)電動(dòng)斥力為10 N左右。因此，設(shè)定觸頭終壓力為每相大約10 N。

2.2 塑殼斷路器相關(guān)參數(shù)及空間尺寸計(jì)算

斷路器手柄處于合閘位置，彈簧力作用線KC與上連桿BC有一定的夾角ALF，稱為合閘安全角，這時(shí)下連桿CD上的分力就是觸頭系統(tǒng)的合閘力，該力相對(duì)與主軸回轉(zhuǎn)中心O2的轉(zhuǎn)矩就是合閘力矩，如圖6所示。

圖6 合閘力及力矩計(jì)算圖

合閘力矩，即下連桿CD受力對(duì)O2的轉(zhuǎn)矩，設(shè)合閘時(shí)觸頭反力（給定的觸頭初壓力）為Fw，則求出相應(yīng)的反力矩和安全合閘條件。

根據(jù)圖6建立的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系，如圖7所示。

圖7 操作機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系

主軸回轉(zhuǎn)中心O2為坐標(biāo)系原點(diǎn)，給出下列參數(shù)。

點(diǎn)坐標(biāo)：A、O1、E坐標(biāo)；B相對(duì)于A的坐標(biāo)（兩種狀態(tài)：再扣和自由脫扣）、F相對(duì)于E的坐標(biāo)。

各杠桿長(zhǎng)度：Lab、Lbc、Lcd、Ldo2、Lko1、Lw1o2、Llo1。

結(jié)構(gòu)角度：手柄LO1與垂直方向（Y軸）夾角BTA；觸頭支架DO2與X軸負(fù)方向夾角GMA。

彈簧原長(zhǎng)L，剛度K=Gd4/(8D32n)，G剪切彈性模量，中徑D2，簧絲直徑d，有效工作圈數(shù)n。

通過(guò)受力分析，可以進(jìn)行合閘力計(jì)算，計(jì)算出開(kāi)閘力、脫扣力、再扣操作力等相關(guān)力和力矩。最終，在開(kāi)距、超程、觸頭壓力確定后，初步確定機(jī)構(gòu)各桿件的長(zhǎng)度和位置尺寸：Lab=21 mm、Lbc=19.5 mm、Lcd=15 mm、Lo2a=18 mm。

3 塑殼斷路器的三維建模

3.1 斷路器零部件繪制

塑殼斷路器動(dòng)觸頭支架的實(shí)體模型如圖7所示，可以通過(guò)Pro/E的建模命令完成繪制。

3.2 斷路器關(guān)鍵部件應(yīng)力分析

采用Pro/E軟件，可以對(duì)塑殼斷路器的各個(gè)部件進(jìn)行應(yīng)力分析。本文以斷路器脫扣器的一個(gè)面的反射命令為例，展示其應(yīng)力的空間分布，如圖8所示。如果顯示的條紋間隔較為均勻且沒(méi)有突然的跳動(dòng)，說(shuō)明不存在應(yīng)力集中問(wèn)題。否則，如果存在應(yīng)力集中的問(wèn)題，就必須結(jié)合設(shè)計(jì)要求，在不影響產(chǎn)品性能的前提下對(duì)零件參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

圖8 動(dòng)觸頭支架實(shí)體模型圖

3.3 塑殼斷路器Pro/E動(dòng)態(tài)仿真

3.3.1 斷路器的裝配和分解

Pro/E為我們提供了裝配和分解，所有零件裝配起來(lái)了如圖9所示。裝配圖可以給人直觀的產(chǎn)品效果，可以更好地發(fā)現(xiàn)裝配時(shí)各個(gè)零件的安裝關(guān)系。

圖9 條紋狀應(yīng)力空間分布分析圖

3.3.2 操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作過(guò)程仿真、分析及應(yīng)用

動(dòng)作過(guò)程仿真：三維模型的動(dòng)態(tài)仿真能讓設(shè)計(jì)者看清操作機(jī)構(gòu)的整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，各零件間的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系，是否有干涉，而Pro/E的測(cè)量分析為產(chǎn)品提供了良好的性能驗(yàn)證途徑。

首先，生產(chǎn)分析的測(cè)量結(jié)果，彈出測(cè)量結(jié)果對(duì)話框。其次，創(chuàng)建測(cè)量目標(biāo)，系統(tǒng)提供了速度、加速度、沖力、沖量等一系列相關(guān)測(cè)量目標(biāo)。最后，獲得分析測(cè)量結(jié)果，如圖10所示。

圖10 模型分解與裝配

圖11 分析測(cè)量結(jié)果圖

仿真結(jié)果分析及應(yīng)用：由圖10可知，曲線表示搖臂和跳扣之間的相互作用力，是在塑殼斷路器合閘的過(guò)程中測(cè)得的。由測(cè)量結(jié)果可以獲得下列參數(shù)變化規(guī)律和設(shè)計(jì)成果：

由于彈簧一開(kāi)始處于拉伸狀態(tài)，隨著搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧長(zhǎng)度開(kāi)始縮短，彈簧力開(kāi)始逐漸減??；

在t=1.4 s時(shí)，相互作用力急劇上升，其原因是跳扣處存在一個(gè)曲率較大的圓弧。當(dāng)圓弧曲率越大時(shí)，相互作用力就越大；相互作用力越大，所需要的合閘力也就越大。

根據(jù)上述仿真過(guò)程及結(jié)果，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整跳扣中曲率較大圓弧的曲率大小，并調(diào)整合閘力的大小，對(duì)低壓塑殼斷路器的跳扣進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)測(cè)和工程驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)跳扣能在合閘力作用下平順、可靠地被鎖扣鎖住，確保低壓供用電系統(tǒng)中塑殼斷路器的靈敏可靠動(dòng)作。

4 結(jié)束語(yǔ)

塑殼斷路器的操作機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)其功能和性能的關(guān)鍵。本文利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)專業(yè)軟件和仿真工具開(kāi)展塑殼斷路器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要工作與結(jié)論如下：

低壓塑殼斷路器的工作原理及動(dòng)作過(guò)程須要根據(jù)新型配電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展的實(shí)際不斷進(jìn)行更新；

采用Pro/E專業(yè)軟件，可以有效進(jìn)行斷路器的三維建模、尺寸優(yōu)化和動(dòng)作機(jī)構(gòu)應(yīng)力分析；

再進(jìn)行計(jì)算機(jī)三維動(dòng)態(tài)建模和仿真之前，須要預(yù)先建立斷路器操作機(jī)構(gòu)及關(guān)鍵零件的幾何關(guān)系和受力分析數(shù)學(xué)模型；

通過(guò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真，可以獲得操作機(jī)構(gòu)及零件的最優(yōu)尺寸、結(jié)構(gòu)關(guān)系和整體運(yùn)動(dòng)特性，進(jìn)而對(duì)跳扣裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證低壓塑殼斷路器的靈敏和可靠動(dòng)作；

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和仿真，可以取代常規(guī)的樣機(jī)制作和物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，顯著減少設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)效率、并節(jié)省大量人力、物力和財(cái)力。