主斷路器結構分析與優(yōu)化研究

摘 要：中國經(jīng)濟快速發(fā)展，各大城市之間的人流物流交往日益密切，隨著高鐵技術的發(fā)展，時空已經(jīng)不再成為人們交流的主要障礙。中國目前是世界上高鐵運營時速最高的國家，高鐵已經(jīng)成為我國一到亮麗的風景線。主斷路器作為高鐵動車組的總開關，其工作性能至關重要。本文利用SolidWorks建立主斷路器模型，采用ADAMS軟件對主斷路器進行仿真分析，探究主斷路器彈簧的參數(shù)的最優(yōu)組合。

關鍵詞：動車組 主斷路器 仿真

1 緒論

中國地大物博，陸地面積約960萬平方千米，陸地面積是僅次于俄羅斯、加拿大的第三大國家。我國南北跨越約5500公里，東西跨越約5200公里。我國人口主要分布于中東部，大部分大城市位于沿海地帶，大城市與大城市直接的距離相對較遠。我國是世界上第二大經(jīng)濟體，城市間的人流物流非常大，鐵路作為中國國民經(jīng)濟的大動脈，我國經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著不可代替的作用。交通強國，鐵路先行。我國鐵路客運朝著快速化發(fā)展、鐵路貨運重載化發(fā)展。目前，我國鐵路最高運營時速最高達350km/h，是世界上高鐵運營時速最高的國家。動車組受電弓升弓后，電流經(jīng)受電弓流入動車組主斷路器。主斷路器作為動車組的電源的總開關，是動車組高壓電氣設備最重要的部分的之一，其性能影響著動車組的安全運行。因此，動車主斷路器性能優(yōu)化研究成為各個國家研究熱點。

2 主斷路器的組成及工作原理

2.1 主斷路器的組成

主斷路器作為動車組電源的總開關，承擔著動車組保護動車組高壓電路和低壓電路保護的作用，主要由分流電流部分和機械動作部分兩大部分組成；分流電流部分主要有滅弧室、靜觸頭和動觸頭三大部分組成。分流電流的主要作用是控制正常電流的閉合和斷開。由于動車組采用工頻單相25kv的高壓電，在主斷路閉合和斷開是會產生電弧，分流電流部分的另一功能是消除電弧。機械動作部分主要功能是通過機械操動部分控制主電路器觸頭合閘和分閘，控制正常電流的的開斷和發(fā)生電路故障短路時保護電路。操動部分主要有彈簧、液壓、氣動、電磁操動機構。其中彈簧操動機構具有穩(wěn)定性高、成本低和使用壽命長等優(yōu)點，因此應用得最廣泛。

2.2 主斷路器的工作原理

動車組主斷路器的動作是靠空氣來進行控制的，主斷路器動作時所需要的空氣是由動車組壓縮機組提供的，壓縮機組與主斷路器氣缸通過管路連接，壓縮機組產生的壓縮空氣通過連接管路到調壓閥，經(jīng)過調壓閥后進入氣缸，給轉換閥提供空氣，同時壓力開關檢測氣缸內的氣壓，控制著氣缸的進出氣。壓縮空氣到達調壓閥后，調壓閥將壓力調在483kPa～497kPa之間。調壓閥控制著主斷路器的電磁連接壓力開關，當調壓閥空氣壓力低于358kPa時，主斷路器開關會自動斷開。當壓力大于390Kpa時，主斷路器才能自動閉合。為了確保壓縮空氣經(jīng)轉換閥進入氣缸，保證主斷路器主觸頭保持閉合狀態(tài)，電磁閥要確保始終保持通電狀態(tài)。輔助觸頭組裝的凸輪板會隨著主斷路器氣缸活塞移動也相應移動，輔助觸點有 3 個常閉觸頭和3個常開觸頭。

2.3 主斷路器合閘過程

當動車組受電弓升起后，司機室乘務員閉合主斷路器開關，合閘指令傳遞到主斷路器，調壓閥氣壓滿足主斷路器閉合要求，轉換閥閥芯會由于壓縮空氣的推動而打開，壓縮空氣經(jīng)轉換閥進入氣缸內，推動活塞動作，活塞驅動傳動盤，壓縮復位彈簧使靜觸頭和動觸頭接觸，動車組上的電路連通，復位彈簧和超程彈簧由于活塞的運動壓縮，當壓緊塊與傳動盤相接觸時，活塞就會停止運動。

2.4 主斷路器分閘過程

當需要斷開主斷路器時，乘務員在司機按下主斷分按鈕，分閘指令經(jīng)列車總線傳遞到主斷路器，主斷路器收到分閘指令后電磁閥閥芯開始動作回到原位，截斷氣缸的供氣管路由于轉換閥芯回到原位被截斷，截斷氣缸中的空氣排出，活塞因復位彈簧恢復形變產生的推力推到底部位置，使動觸頭和靜觸頭分離，此時復位彈簧和超程彈簧也回到初始安裝位置，動車組主電路被斷開。

3 主斷路器計算理論基礎

3.1 氣壓傳動技術

氣動控制型彈簧操動式真空斷路器因其成本低，工作性能穩(wěn)定，使用壽命長等優(yōu)點，因而使用得最廣泛。動控制型彈簧操動式真空斷路器是利用壓縮機提供的壓縮空氣推動主斷路器的操動機構實現(xiàn)主斷路器合閘，利用彈簧機構的復位實現(xiàn)主斷路器的分閘。氣動傳動主要用于搬運、輸送和加工等機械設備。氣動控制技術可以實現(xiàn)自動化和降低成本，因其還具有安全、可靠、防火、高效等優(yōu)點，近年來發(fā)展越來越迅速，應用得越來越廣泛。

氣動系統(tǒng)主要有氣源裝置、執(zhí)行元件、控制元件、氣動輔件和工作介質五部分組成。氣源裝置是指產生壓縮空氣的設備（動車組空氣壓縮機），承擔著壓縮空氣的產生、輸送和儲存的功能，為氣動系統(tǒng)管路提供合格的壓縮空氣；執(zhí)行元件是將一般指氣缸和氣馬達等設備，他們的功能是將氣源系統(tǒng)提供的壓縮空氣產生的空氣能轉換為機械能；控制元件是參與控制管路氣體的元件，如單相閥和節(jié)流閥等，控制氣體的流向、流量等。氣動輔件是管路等輔助元件；工作介質是指壓縮空氣，為氣動系統(tǒng)提供動力和能量。

在氣動系統(tǒng)中，氣缸是儲存壓縮空氣的裝置，同時也是氣動系統(tǒng)將空氣能轉換為機械能的裝置，使氣動系統(tǒng)實現(xiàn)旋轉、擺動和往復直線運動。通過控制壓縮空氣的流量、大小來控制氣動系統(tǒng)的運動。氣動系統(tǒng)的氣缸工作參數(shù)可以通過職工空氣的流量和方向來控制。我國動車組主斷路器合閘是利用氣缸的往復直線活塞運動。通過控制進入氣缸的壓縮空氣，增大氣缸內壓強，壓縮空氣推動操動機構運動合閘，當排出氣缸內空氣時，壓強減少，利用彈簧的復位裝置恢復彈性形變實現(xiàn)主斷路器的分閘

當機車乘務員按下主斷分按鍵后，分閘指令傳遞到主斷路器，斷路器電磁閥工作，壓縮空氣從壓縮機組產生后經(jīng)管路進入到氣缸，活塞的推力 F 和運動速度 V 可以分別表示為

F=P·A

（3-1）

V=Q/A

式中 P——作用在氣缸內的氣體壓強

A——氣缸無桿腔活塞的面積

Q——氣缸內氣體的流量

3.2 虛擬樣機技術

虛擬樣機技術可以解決傳統(tǒng)的機械設計方法研發(fā)周期長、方案反復修改、試驗周期長等缺點。相較于傳統(tǒng)機械設計必須經(jīng)過設計方案、樣機研制、樣機測試、樣機方案修改、重新進行樣機試制和試驗，得到最終滿意結果，最后再大批量生產上市虛擬樣機技術只有數(shù)字化物理樣機、功能虛擬樣機和虛擬工廠仿真三個部分，基于仿真技術面向系統(tǒng)級設計。通過軟件物理樣機取代實體物理樣機，從而減少虛擬樣機的開發(fā)設計時間。解決產產品研發(fā)周期長，降低設計成本，提升產品的性能。在計算機相應軟件上建立產品的虛擬樣機模型，通過仿真分析評估測試產品的工作性能，在評估測試產品的工作性能中及時發(fā)現(xiàn)產品的問題，并通過修改設計方案解決產品的問題。

利用虛擬樣機技術設計動車組主斷路器，可以解決傳統(tǒng)主斷路器研發(fā)周期長，研發(fā)成本高等問題。傳統(tǒng)設計主斷路器的方法，首先第一步是確定主斷路器的一組參數(shù)，建立生產主斷路器的第一臺樣機，然后測試其工作性能是否滿足需求，在測試中發(fā)現(xiàn)問題后，歸納整理問題再繼續(xù)修改設計方案，然后再生產制造物理樣機再進行測試，不斷重復試驗發(fā)現(xiàn)問題修改方案直至得到滿足要求的結果為止。而利用樣機虛擬技術，在計算機軟件上建立主斷路器的虛擬樣機模型，然后通過仿真測試主斷路器性能，發(fā)現(xiàn)問題就不斷優(yōu)化設計方案，并在軟件上不斷測試，直到符合要求，然后再制造第一臺物理樣機加以實物驗證，這樣不僅可以縮短設計成本，同時極大縮短時間，提升了設計主斷路器的設計效率。

4 主斷路器仿真模型

4.1 主斷路器三維仿真模型

SolidWorks是當今應用得最廣泛的三維建模軟件，它具有易于學習，易于操作和功能強大等特點，可以解決復雜實體的三維建模、裝配和生成實體產品的二維圖紙。雖然ADAMS也可以建立一些比如圓柱體、球體和圓柱體等一些簡單的圖形，ADAMS相較于專業(yè)的三維繪圖軟件在建模功能上相對較弱，對于主斷路器這種結構復雜的實體模型建立模型十分困難，利用ADAMS對模型參數(shù)化分析比如彈簧要求自帶的模型庫進行建模。利用SolidWorks建立主斷路器模型過于復雜，為了減少計算量和建模的難度，在不影響仿真結果的情況下，需要對模型進行簡化處理，保留主要的零部件刪除多余零部件，合并具有相同運動狀態(tài)的零部件。簡化后的動車組主斷路器模型如圖1所示。

4.2 動車組主斷路器虛擬樣機模型

利用ADAMS 軟件迅速準確搭建動車組主斷路器虛擬樣機計算模型，運用 ADAMS 與 AMESim 軟件聯(lián)合仿真數(shù)學計算模型，首先第一步先利用動車組主斷路器現(xiàn)有的參數(shù)數(shù)據(jù)進行仿真分析，然后主斷路器實體試驗結果分析比較，驗證主斷路器仿真分析結果的正確性，確保后續(xù)的優(yōu)化分析結果的準確性。

ADAMS不能直接使用利用SolidWorks 軟件建立的主斷路器三維圖形，因此先將主斷路器三維模型另存文件格式，文件格式為.Parasolid，然后從ADAMS 文件導入窗口導入主斷路器三維模型。導入模型后，定義主斷路器操動機構各零部件的材料，從ADAMS文件庫中創(chuàng)建超程彈簧和復位彈簧。再對主斷路器施加約束和施加載荷。動車組主斷路器虛擬樣機模型如圖2所示。

5 主斷路器參數(shù)優(yōu)化設計

根據(jù)經(jīng)驗和試驗結果可知，彈跳和合閘成正比例關系，合閘速度越快，彈跳也越大，反之，合閘速度越慢，跳彈也越小。合閘速度同時也會影響著主斷路器的使用壽命，當合閘速度變大時，合閘觸頭觸頭的彈跳力會變大，過大的會影響合閘觸頭的使用壽命，從而影響主斷路器的使用壽命。合閘彈片的大小、氣缸的物理參數(shù)和工作氣壓是影響著合閘速度的主要因素，改變它們的參數(shù)就可以改變合閘速度。目前，主斷路器的合閘速度及彈力大小均處于一個合理期間，滿足使用要求，因此通過改變氣動回路改變減少彈跳的沒有多大意義。

經(jīng)受電弓引入動車組的電壓達25KV，因此在主電路器合閘期間，動、靜觸頭在接觸后會由于高電壓產生強大的沖擊力引起彈跳，為了減少彈跳，主斷路器增加設置彈簧機構減少振動起到緩沖的作用。彈簧屬于操動機構的一部分，因此操動部分的結構參數(shù)對彈跳有很大影響，因此，研究彈簧操動機構優(yōu)化減少主斷路器合閘時彈跳有重要意義。實踐證明對合閘彈跳起到重要影響的是預載荷和彈簧的剛度，彈簧操動機構的主要部件為超程彈簧和復位彈簧。如果通過傳統(tǒng)的機械設計方法進行優(yōu)化設計主斷路器，就得事先生產制造多個不同組合的彈簧剛度組合，這樣就會延長研發(fā)時間和成本。利用虛擬樣機技術，可以直接在軟件仿真分析彈簧剛度參數(shù)變化對彈跳的影響，尋找最佳的彈簧剛度組合。通過仿真分析可得：超程彈簧剛度為12361.7 N/m，超程彈簧預載荷80.6N，復位彈簧剛度11535.5N/m，復位彈簧預載荷 90.5 N。

基金項目：廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目《基于虛擬樣機技術的動車組主斷路器開閉特性分析及優(yōu)化》項目資助，項目編號：2024KY1467。

參考文獻：

[1]鄧文明.動車組主斷路器分析優(yōu)化與試驗研究[D].成都：西南交通大學，2020.

[2]張超.動車組主斷路器轉換閥噪聲分析與降噪研究[D].成都：西南交通大學，2024.

[3]夏尚文.軌道交通車主斷路器電磁操動機構小型化研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學，2019.