交流接觸器虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)

何曉燕　許志紅

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院　福州　350116）

交流接觸器虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)

何曉燕許志紅

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院福州350116）

采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立全面反映交流接觸器動(dòng)態(tài)特性的三維虛擬樣機(jī)模型，模型包含完整觸頭系統(tǒng)、鐵心系統(tǒng)及連接部件，從而考慮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性的影響。引入Ansys/LS-DYNA動(dòng)力學(xué)分析軟件，采用基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的有限元法考慮機(jī)構(gòu)之間的非線性接觸、碰撞問(wèn)題及彈性材料的形變作用，計(jì)算接觸器動(dòng)作過(guò)程中的觸頭彈跳情況。通過(guò)三維可視化界面得到觸頭、鐵心等運(yùn)動(dòng)部件位移、速度隨時(shí)間變化情況，對(duì)接觸器動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行直觀地分析。通過(guò)交流接觸器虛擬樣機(jī)模型的仿真，從機(jī)械動(dòng)力學(xué)角度，分析觸頭系統(tǒng)閉合速度和觸頭彈簧初壓力、金屬簧片物理特性及觸頭表面摩擦系數(shù)對(duì)觸頭彈跳的影響。交流接觸器的三維虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有良好的理論依據(jù)和實(shí)用價(jià)值。

交流接觸器三維虛擬樣機(jī)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)彈跳特性

0　引言

傳統(tǒng)接觸器設(shè)計(jì)模式是經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、樣機(jī)制造、試驗(yàn)、改進(jìn)設(shè)計(jì)和批量生產(chǎn)的一個(gè)串行過(guò)程。往往需要反復(fù)試驗(yàn)多次才能發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷，加以改進(jìn)，產(chǎn)品研發(fā)周期長(zhǎng)，成本高。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件性能及數(shù)值分析計(jì)算準(zhǔn)確度的提高，虛擬樣機(jī)技術(shù)在汽車(chē)制造、航空航天、機(jī)械電子等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。虛擬樣機(jī)技術(shù)是在建造第一臺(tái)物理樣機(jī)之前，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立研究對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行仿真分析并以圖形方式顯示對(duì)象在真實(shí)工況下的各種特性，從而修改并得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)。

用虛擬樣機(jī)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)方法，可以縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，對(duì)提高生產(chǎn)水平具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)電器的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)和研究已逐漸展開(kāi)，由簡(jiǎn)單線性模型逐漸向復(fù)雜非線性三維模型發(fā)展，在虛擬環(huán)境中更為真實(shí)地模擬對(duì)象的工作狀態(tài)。文獻(xiàn)［1-5］采用“磁路”、“磁場(chǎng)”或者二者結(jié)合的方法計(jì)算接觸器電磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，沒(méi)有考慮觸頭系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)情況。文獻(xiàn)［6，7］在接觸器電磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型基礎(chǔ)上建立觸頭彈跳的數(shù)學(xué)模型，其接觸器機(jī)械運(yùn)動(dòng)模塊仍是采用集總質(zhì)量的二階微分動(dòng)力學(xué)方程表示，作了很多簡(jiǎn)化處理，具有計(jì)算效率方面優(yōu)勢(shì)，但不適用于三維多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)特性的研究。文獻(xiàn)［8-12］利用機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立接觸器、繼電器和斷路器的三維虛擬樣機(jī)模型，進(jìn)行了相關(guān)研究。

ADAMS多用于剛體模型動(dòng)力學(xué)分析，在剛體與柔性體接觸問(wèn)題的處理上存在一定的局限性，同時(shí)進(jìn)行碰撞仿真時(shí)涉及很多參數(shù)的定義［13］，這些參數(shù)的選取對(duì)仿真結(jié)果準(zhǔn)確性有很大影響。本文接觸器樣機(jī)主回路通流容量大，主觸頭系統(tǒng)較為復(fù)雜，觸頭形狀不規(guī)則，而且存在抑制觸頭彈跳的金屬簧片及硅橡膠緩沖墊片，這些結(jié)構(gòu)的變形、振動(dòng)對(duì)于觸頭碰撞的影響不容忽視。通用顯式非線性動(dòng)力分析軟件 Ansys/LS-DYNA采用基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的有限元法［14］，由運(yùn)動(dòng)控制方程、材料的本構(gòu)方程描述多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，是一種接近真實(shí)情況的建模過(guò)程，廣泛用于求解高速碰撞、大變形、非線性接觸等復(fù)雜瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。而且，程序中存在40多種接觸類(lèi)型，包括剛體與剛體之間接觸、柔性體與柔性體之間接觸、剛體與柔性體之間接觸等，能夠克服ADAMS中剛性體與柔性體之間無(wú)法直接建立接觸的缺點(diǎn)。因此本文引入 Ansys/LS-DYNA對(duì)交流接觸器進(jìn)行三維虛擬樣機(jī)的建模研究。

首先采用Solidworks軟件對(duì)交流接觸器觸頭系統(tǒng)、鐵心系統(tǒng)及連接支架等進(jìn)行實(shí)體建模，然后通過(guò) Ansys/LS-DYNA軟件建立其三維機(jī)械動(dòng)力學(xué)有限元模型，考慮硅橡膠、彈簧鋼等彈性材料的形變、機(jī)構(gòu)之間接觸、碰撞等非線性問(wèn)題。在實(shí)體建模、機(jī)械運(yùn)動(dòng)有限元建模基礎(chǔ)上，耦合電磁系統(tǒng)電、磁方程，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流接觸器電氣、機(jī)械動(dòng)態(tài)特性的全面仿真與分析。在接觸器虛擬樣機(jī)模型上進(jìn)行仿真，從機(jī)械動(dòng)力學(xué)角度分析觸頭閉合速度和觸頭彈簧初壓力、金屬簧片物理特性及觸頭表面摩擦系數(shù)對(duì)觸頭彈跳特性的影響，為設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的接觸器奠定良好的基礎(chǔ)。

1　交流接觸器虛擬樣機(jī)模型

1.1接觸器三維實(shí)體模型

通過(guò)三維CAD設(shè)計(jì)軟件Solidworks對(duì)主回路通流容量為 630A的交流接觸器進(jìn)行實(shí)體建模，接觸器模型剖視圖如圖1所示。該接觸器主回路控制容量大，吸合沖擊力大。觸頭彈簧是通過(guò)彈簧架和金屬簧片間接作用到觸頭上。金屬簧片采用一種彈簧鋼，它通過(guò)自身的彈性變形來(lái)吸收系統(tǒng)的振動(dòng)和沖擊能量?？梢?jiàn)，動(dòng)鐵心、運(yùn)動(dòng)支架和動(dòng)觸頭之間實(shí)際是彈性連接。當(dāng)動(dòng)鐵心行程小于觸頭開(kāi)距時(shí)，三者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)基本同步；當(dāng)動(dòng)靜觸頭和動(dòng)靜鐵心發(fā)生接觸碰撞時(shí)，彈簧、緩沖墊和金屬簧片都會(huì)產(chǎn)生較大的彈性形變，三者之間為軟連接形式，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并不一致。因此接觸器吸合過(guò)程中動(dòng)靜觸頭、動(dòng)靜鐵心碰撞瞬間系統(tǒng)部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、彈跳情況較為復(fù)雜，是接觸器動(dòng)態(tài)計(jì)算和研究的難點(diǎn)。

圖1　接觸器模型剖視圖Fig.1　Cutaway view of prototype model

1.2接觸器機(jī)械運(yùn)動(dòng)有限元模型

接觸器動(dòng)作過(guò)程中存在動(dòng)靜觸頭、動(dòng)靜鐵心、運(yùn)動(dòng)支架與固定約束等之間的碰撞、摩擦，同時(shí)接觸器結(jié)構(gòu)中存在各向同性彈性材料（金屬）、可經(jīng)受大變形可恢復(fù)的非線性彈性材料（硅橡膠）等。綜合考慮這些非線性問(wèn)題，采用基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的有限元法，由運(yùn)動(dòng)控制方程、材料的本構(gòu)方程描述交流接觸器多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型［15］。

交流接觸器動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)控制方程包括：

（1）質(zhì)量守恒方程

式中，ρ 為當(dāng)前質(zhì)量密度；ρ0為初始質(zhì)量密度；V為形變體發(fā)生形變前后相對(duì)體積。

（2）動(dòng)量守恒方程

（3）能量守恒方程

根據(jù)控制方程，結(jié)合接觸器動(dòng)作的初始條件和邊界條件，采用Galerkin法（利用近似解的試探函數(shù)序列作為權(quán)函數(shù)）確定單元特性，建立有限元求解方程。經(jīng)單元計(jì)算并組集，考慮沙漏能和摩擦影響后，得到任意時(shí)刻t系統(tǒng)的平衡方程為

式中，x為位移；M為質(zhì)量矩陣；P為載荷矩陣，由節(jié)點(diǎn)載荷、面力、體力、接觸力及摩擦力等形成；F為單元應(yīng)力場(chǎng)的等效節(jié)點(diǎn)力矢量組集而成為應(yīng)變位移矩陣，σ為柯西應(yīng)力矢量；H為沙漏阻力（克服單點(diǎn)高斯積分引起的沙漏問(wèn)題而引入的粘性阻力）。

在單元計(jì)算 F時(shí)，應(yīng)力增量tΔ.σ由應(yīng)變率ε.根據(jù)材料本構(gòu)關(guān)系求出。接觸器中主要涉及的材料為金屬線彈性材料和橡膠非線性彈性材料。

（1）對(duì)于線彈性材料，在應(yīng)力不超過(guò)屈服極限時(shí)，由胡克定律形變得

（2）對(duì)于橡膠非線性彈性模型，使用第二類(lèi)Piola-Kirchhoff應(yīng)力，即

式中，G為剪切模量；ν為泊松比；Cij為右柯西-格林應(yīng)變張量；δij為克羅內(nèi)克函數(shù)。通過(guò)Sij可轉(zhuǎn)化計(jì)算得到σij。

為了描述在接觸器動(dòng)作過(guò)程中接觸碰撞體之間的相互作用，防止發(fā)生接觸面穿透，需要將鐵心、觸頭、運(yùn)動(dòng)支架及靜止支架等部件中可能相互接觸的面定義為接觸對(duì)，從而計(jì)算接觸面作用力。引入罰函數(shù)計(jì)算碰撞接觸問(wèn)題的過(guò)程如下。

設(shè)tn時(shí)刻摩擦力為Fn，則tn+1時(shí)刻可能產(chǎn)生的摩擦力（或稱(chēng)試探摩擦力）F*為

式中，k為界面剛度；Δe為節(jié)點(diǎn)的位移增量。則tn+1時(shí)刻的摩擦力Fn+1計(jì)算式為

式中，F(xiàn)y為最大摩擦力，F(xiàn)y=μ|fs|，μ 為摩擦系數(shù)；fs為接觸點(diǎn)之間引入的一個(gè)法向接觸力矢量，即罰函數(shù)，計(jì)算式為

式中，l為穿透深度；ni為接觸點(diǎn)處單元外向法線單位矢量為接觸單元的剛度因子為罰因子，Ki、Vi和Ai分別為接觸單元的體積模量、體積和面積。將接觸力矢量和摩擦力矢量投影到總體坐標(biāo)軸方向，得到節(jié)點(diǎn)力總體坐標(biāo)方向分量，組集到載荷矢量P中。

若靜摩擦系數(shù)為μs，動(dòng)摩擦系數(shù)為μd，用指數(shù)插值函數(shù)使二者平滑過(guò)渡，則μ 計(jì)算式為

式中，c為指數(shù)衰減系數(shù)；vrel為接觸面的相對(duì)速度，vrel=Δe/Δt。摩擦系數(shù)隨材料種類(lèi)、表面光滑度的不同而變化，對(duì)模型計(jì)算的準(zhǔn)確度產(chǎn)生一定的影響。對(duì)于容量較大的交流接觸器，相比彈簧反力而言，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與靜止支架間的摩擦力很小，對(duì)接觸器運(yùn)動(dòng)特性影響較小，因此參數(shù)選取采用材料手冊(cè)中提供的通用數(shù)據(jù)；而觸頭間的摩擦對(duì)于其碰撞彈跳特性會(huì)產(chǎn)生較大影響，觸頭間摩擦與材料、加工、觸頭使用情況都有關(guān)，仿真中采用企業(yè)提供的技術(shù)參數(shù)。

1.3接觸器虛擬樣機(jī)建模

交流接觸器虛擬樣機(jī)的建模，除了三維機(jī)械運(yùn)動(dòng)模型，更重要的是耦合線圈電壓平衡方程和電磁系統(tǒng)電磁場(chǎng)方程，建立模擬交流接觸器實(shí)際工作狀態(tài)的虛擬樣機(jī)模型。交流接觸器虛擬樣機(jī)建模流程如圖2所示。

圖2　接觸器虛擬樣機(jī)建模流程Fig.2　Modeling flow chart of contactor virtual prototyping

首先完成交流接觸器實(shí)體建模及其有限元模型的建立，然后輸入不同線圈控制電壓，仿真不同控制條件下交流接觸器的電氣特性和機(jī)械特性，分析交流接觸器實(shí)際工作情況的各種特性。在接觸器動(dòng)態(tài)特性計(jì)算中，通過(guò)離散時(shí)間域?qū)崿F(xiàn)電、磁、機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程之間的相互耦合。

2　結(jié)果驗(yàn)證

仿真設(shè)計(jì)的一個(gè)顯著特點(diǎn)，就是可以方便地修改各種參數(shù)，包括工作電壓和電磁機(jī)構(gòu)的運(yùn)行模式。本文對(duì)象為 CJ20—630A交流接觸器，由于采用了課題組研制的智能控制方案［16］，其電磁系統(tǒng)已進(jìn)行了改造。將高頻閉環(huán)斬波控制得到的電壓輸入接觸器虛擬樣機(jī)模型，進(jìn)行仿真，得到如圖3所示的吸合特性仿真曲線。圖3中電壓、速度的縮放倍數(shù)分別為0.01、5；電壓、電流、磁鏈、位移和速度的單位分別為V、A、Wb、mm、m/s。

圖3　吸合特性仿真曲線Fig.3　Simulation curves of closing process characteristic

采用基恩士激光位移傳感器測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行位移測(cè)試［17］，激光測(cè)試點(diǎn)示意圖如圖 4a所示，仿真的位移曲線同樣提取模型相同位置處的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。測(cè)得多組電流控制的位移數(shù)據(jù)，圖4b為起動(dòng)控制電流為 4A時(shí)接觸器實(shí)測(cè)運(yùn)動(dòng)支架位移、觸頭位移曲線與仿真位移曲線對(duì)比。

圖4　測(cè)試點(diǎn)示意圖及實(shí)測(cè)與仿真位移曲線對(duì)比Fig.4　Schematic diagram of test point and contrast of test and simulation displacement curves

圖5為改變起動(dòng)控制電流時(shí)的觸頭彈跳實(shí)測(cè)與仿真波形。圖5中，高電平代表觸頭斷開(kāi)狀態(tài)，低電平代表觸頭閉合狀態(tài)。

圖5　觸頭彈跳實(shí)測(cè)與仿真對(duì)比Fig.5　Contrast of test and simulation bounce

對(duì)每一個(gè)起動(dòng)控制電流進(jìn)行了 20組接觸器觸頭彈跳實(shí)驗(yàn)，得到其彈跳時(shí)間平均值，并與仿真彈跳時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1。表 1中，Tsavg為實(shí)測(cè)平均值，Tsf為仿真值。

表1　實(shí)測(cè)觸頭彈跳時(shí)間平均值與仿真彈跳時(shí)間對(duì)比Tab.1　Contrast of test and simulation contact bounce time

由觸頭彈跳波形對(duì)比及彈跳時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì)比可見(jiàn)，觸頭彈跳區(qū)間基本一致。經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)支架位移、觸頭位移和觸頭彈跳的實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果的對(duì)比可見(jiàn)，接觸器三維虛擬樣機(jī)模型能真實(shí)地反映接觸器動(dòng)態(tài)過(guò)程情況。

3　觸頭三維動(dòng)態(tài)特性

圖6為觸頭z方向運(yùn)動(dòng)云圖，圖6中色標(biāo)代表速度。圖6中①為觸頭初始狀態(tài)；②為26.2ms時(shí)刻；③為31.7ms時(shí)刻，此時(shí)為觸頭碰撞前瞬間，觸頭整體速度約為-1.76m/s（閉合方向速度為負(fù)）；④為31.8ms時(shí)刻，右端觸點(diǎn)速度方向迅速變化，說(shuō)明其先碰撞到靜觸點(diǎn)；⑤為33.4ms時(shí)刻，觸頭處于彈開(kāi)狀態(tài)，左端觸點(diǎn)在逐漸改變方向，重新進(jìn)入閉合過(guò)程；⑥為35.1ms時(shí)刻，觸頭再次閉合，振動(dòng)強(qiáng)度減弱?？梢?jiàn)，模型中可以直觀得到觸頭 z方向的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，掌握觸頭的碰撞速度瞬時(shí)變化和觸頭彈跳狀況。

圖6　觸頭z方向運(yùn)動(dòng)云圖Fig.6　Motion graphs of contact in z direction

由于建立了含觸頭運(yùn)動(dòng)的三維立體模型，可以清楚了解到觸頭在x、y方向上的運(yùn)行情況，如圖7所示。圖中色標(biāo)代表位移，①、②為x方向位移云圖，③、④為 y方向位移云圖；①～④分別對(duì)應(yīng)36.0ms、41.9ms、35.7ms、41.7ms。根據(jù)云圖提取觸頭節(jié)點(diǎn)4（見(jiàn)圖8中標(biāo)記）x、y方向的位移隨時(shí)間變化曲線，如圖9所示。圖9中①～④與圖7在時(shí)間上一一對(duì)應(yīng)；t0對(duì)應(yīng)觸頭碰撞時(shí)刻，t1對(duì)應(yīng)鐵心碰撞時(shí)刻，此時(shí)觸頭產(chǎn)生較大振動(dòng)，直到t2時(shí)刻觸頭逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7　觸頭x、y方向運(yùn)動(dòng)云圖Fig.7　Motion graphs of contact in x and y directions

圖8　節(jié)點(diǎn)位置示意圖Fig.8　Node position program

圖9　觸頭x、y方向位移曲線Fig.9　Displacement curves of contact in x and y directions

可見(jiàn)，該樣機(jī)吸合過(guò)程中，隨著動(dòng)觸頭z方向的運(yùn)動(dòng)，x、y方向上起先是接近勻速的微小移動(dòng)，在觸頭碰撞和鐵心碰撞時(shí)刻產(chǎn)生明顯位移變化，其中x方向最大相對(duì)位移為0.408mm（圖9中標(biāo)記②），y方向最大相對(duì)位移為0.507mm（圖9中標(biāo)記④）。由前面仿真數(shù)據(jù)可得觸頭 z方向二次彈跳振幅為0.085mm，相對(duì) x、y方向位移變化小。結(jié)合圖 10觸頭各方向加速度隨時(shí)間變化曲線所示，在 t1～t2區(qū)間觸頭 x、 y方向加速度變化趨勢(shì)明顯大于 z方向，反映了在動(dòng)靜鐵心碰撞過(guò)程中，觸頭x、y方向受到的碰撞沖擊力更大，從而呈現(xiàn)出三個(gè)方向的位移變化情況。

圖10　觸頭三方向加速度曲線Fig.10　Acceleration curves of contact in three directions

通過(guò)接觸器三維虛擬樣機(jī)的仿真可查看到觸頭三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)軌跡，分析觸頭碰撞、鐵心碰撞對(duì)其振動(dòng)彈跳的影響，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

4　影響觸頭彈跳的因素

在接觸器觸頭閉合過(guò)程中，觸頭彈跳引起的燃弧會(huì)加重材料的電侵蝕，減少觸頭電壽命，嚴(yán)重時(shí)可能引起熔焊現(xiàn)象，對(duì)于AC-3、AC-4使用類(lèi)別的交流接觸器而言，危害更為嚴(yán)峻。為了分析影響觸頭彈跳的特性因素，對(duì)觸頭系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立建模，模型包括動(dòng)觸頭、靜觸頭、彈簧架和金屬簧片等結(jié)構(gòu)。以下從觸頭閉合速度和觸頭彈簧初壓力、金屬簧片物理特性及觸頭表面光滑度等幾個(gè)因素對(duì)觸頭彈跳情況的影響進(jìn)行分析。

圖 11為觸頭彈跳參數(shù) Ts、Uzm示意圖，圖 11中曲線1～4分別對(duì)應(yīng)圖8中左、右觸點(diǎn)上四個(gè)節(jié)點(diǎn)z方向位移曲線，Uzm為四個(gè)節(jié)點(diǎn)中z方向彈跳最大位移，Ts為觸頭彈跳時(shí)間。

圖11　觸頭彈跳參數(shù)Fig.11　Bounce parameters of contact

4.1閉合速度與觸頭彈簧初壓力

在觸頭系統(tǒng)物理特性不變時(shí)，閉合速度決定了觸頭碰撞瞬間受到的沖擊作用大小，觸頭彈簧作用力決定了觸頭克服碰撞沖擊，恢復(fù)到穩(wěn)定吸合狀態(tài)的過(guò)程。同時(shí)考慮閉合速度和觸頭彈簧初壓力對(duì)觸頭彈跳的影響，進(jìn)行了一系列的仿真，得到不同閉合速度、觸頭彈跳參數(shù)Ts和Uzm隨彈簧初壓力變化曲線，如圖12所示。

圖12　不同閉合速度下觸頭彈跳參數(shù)隨初壓力變化曲線Fig.12　Bounce parameters of contact changing with the pre force of contact spring in different closure speed

由圖12可知，同一彈簧初壓力時(shí)，閉合速度越大，Ts和 Uzm均增大，即觸頭碰撞能量越大，彈跳越嚴(yán)重；同一閉合速度下，Ts和 Uzm隨觸頭彈簧初壓力增加而減小，當(dāng)觸頭彈簧初壓力大于某一臨界力時(shí)，出現(xiàn)零彈跳。以圖12中觸頭閉合速度為1m/s的曲線為例，此臨界力約為250N，當(dāng)觸頭彈簧初壓力為 250N及以上時(shí)，觸頭為零彈跳。反過(guò)來(lái)，當(dāng)觸頭彈簧初壓力一定時(shí)，存在觸頭不出現(xiàn)一次彈跳的臨界速度，當(dāng)觸頭閉合速度小于此臨界值時(shí)，則可以有效消除觸頭的一次彈跳現(xiàn)象。樣機(jī)觸頭彈簧初壓力為 88N（實(shí)測(cè)），仿真得到其臨界速度為0.85m/s。采用智能控制模塊對(duì)接觸器起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制，使觸頭閉合速度約為0.85m/s，得到表2中實(shí)測(cè)的8組觸頭彈跳數(shù)據(jù)。

表2　實(shí)測(cè)閉合速度為0.85m/s時(shí)觸頭彈跳時(shí)間Tab.2　Contact bounce time of test with closing velocity of 0.85m/s

觸頭出現(xiàn)零彈跳概率為25%，其最大彈跳時(shí)間為1.3ms，平均值約為0.78m/s?？梢?jiàn)，控制觸頭閉合速度為0.85m/s時(shí)能有效抑制觸頭的彈跳。但是，此時(shí)接觸器總動(dòng)作時(shí)間約為71.4ms，動(dòng)作過(guò)程較為緩慢。為了統(tǒng)籌考慮同時(shí)減小接觸器動(dòng)作時(shí)間和觸頭彈跳這對(duì)矛盾，一方面在觸頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)提高觸頭彈簧的初壓力；另一方面在接觸器吸合過(guò)程智能控制方案中，可融入更加合理的控制策略。

4.2金屬簧片

金屬簧片在大部分中大容量交流接觸器的觸頭系統(tǒng)中均有使用，它通過(guò)自身的彈性變形來(lái)吸收系統(tǒng)的振動(dòng)和沖擊能量。對(duì)觸頭彈跳產(chǎn)生影響的主要是金屬簧片的密度和彈性模量。在模型中同時(shí)考慮了這兩個(gè)變量的影響，得到不同金屬簧片密度、觸頭Uzm隨其彈性模量的變化曲線，如圖13所示。

圖13　不同金屬簧片密度Uzm隨彈性模量變化曲線Fig.13　Uzmchanging curves with elastic modulus of reed in different density

由圖13可見(jiàn)，不同金屬簧片密度下，Uzm隨其彈性模量的變化趨勢(shì)基本一樣；同一金屬簧片密度，Uzm隨其彈性模量的變化并非單調(diào)變化：彈性模量在0.45×1011～1.57×1011Pa區(qū)間變化時(shí)，Uzm隨其增大而減?。ǔ藗€(gè)別突變點(diǎn)），彈性模量在 1.57× 1011～2.07×1011Pa區(qū)間變化時(shí)，Uzm隨其增大而增大；同一金屬簧片彈性模量下，Uzm隨其密度變化不大，密度每增加 1 000kg/m3，Uzm最大變化量約為0.044mm。

樣機(jī)中金屬簧片材料為錳鋼，其密度和彈性模量分別是7 900kg/m3、1.965×1011Pa，由圖13中曲線可知，并不是抑制觸頭彈跳的最佳材料。由于觸頭彈跳受金屬簧片的密度影響相對(duì)較小，因此在觸頭設(shè)計(jì)中可根據(jù)材料的彈性模量，選擇合適的金屬簧片。

4.3觸頭表面摩擦系數(shù)

低壓電器觸頭多采用銀基材料，如 AgCdO、AgSnO2和AgNi，提高觸頭耐侵蝕、抗熔焊等性能。根據(jù)觸頭使用場(chǎng)合的具體要求，CdO、SnO2和 Ni所占百分比不同，從而得到不同物理性能的觸頭材料。同時(shí)，加工方法和工藝也會(huì)影響觸頭表面。電器投入使用后，觸頭通斷電流過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生燃弧現(xiàn)象，導(dǎo)致觸頭金屬材料熔融、汽化，當(dāng)溫度下降后金屬又重新固化，同樣導(dǎo)致觸頭表面的變化。

根據(jù)廠家提供資料，純銀的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)數(shù)量級(jí)約為 10-1，在仿真中觸頭接觸面靜摩擦系數(shù)變化范圍為 0.12～1，動(dòng)摩擦系數(shù)變化范圍為 0.1～0.9。得到如圖 14所示的不同靜摩擦系數(shù)時(shí)，觸頭彈跳參數(shù)隨其表面動(dòng)摩擦系數(shù)變化情況。

圖14　不同靜摩擦系數(shù)時(shí)，觸頭彈跳參數(shù)隨其表面摩擦系數(shù)變化曲線Fig.14　Bounce parameters of contact changing along friction coefficient of contact with different static friction coefficient

可見(jiàn)，對(duì)于同一靜摩擦系數(shù)，當(dāng)動(dòng)摩擦系數(shù)在0.1～0.3區(qū)間內(nèi)增大時(shí)，觸頭彈跳時(shí)間明顯下降；當(dāng)動(dòng)摩擦系數(shù)在0.3～0.9區(qū)間內(nèi)增大時(shí)，觸頭彈跳時(shí)間變化趨于平穩(wěn)；當(dāng)動(dòng)摩擦系數(shù)在0.1～0.9區(qū)間內(nèi)增大時(shí)，Uzm近似呈線性減小。對(duì)于同一動(dòng)摩擦系數(shù)，靜摩擦系數(shù)小于1時(shí)，觸頭彈跳參數(shù)基本不受其影響，曲線基本處于重合狀態(tài)；當(dāng)靜摩擦系數(shù)為 1時(shí)，動(dòng)摩擦系數(shù)在 0.5范圍內(nèi)時(shí)，Ts和 Uzm隨其靜摩擦系數(shù)的增加明顯減??；動(dòng)摩擦系數(shù)大于0.5范圍時(shí)，觸頭彈跳參數(shù)隨靜摩擦系數(shù)的變化不大。

在一定范圍內(nèi)，隨著觸頭表面動(dòng)摩擦系數(shù)的增加，觸頭彈跳時(shí)間受到明顯抑制作用；觸頭表面摩擦系數(shù)增加，明顯減小觸頭z方向最大彈跳位移。因此對(duì)觸頭進(jìn)行加工時(shí)，可適當(dāng)增加觸頭表面摩擦系數(shù)，提高觸頭機(jī)械運(yùn)動(dòng)特性。

5　結(jié)論

本文采用非線性動(dòng)力學(xué)分析軟件Ansys/ LS-DYNA建立包括觸頭系統(tǒng)、鐵心系統(tǒng)及連接支架等的交流接觸器的三維虛擬樣機(jī)模型，對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并分析了觸頭閉合速度和觸頭彈簧初壓力、金屬簧片物理特性及觸頭表面摩擦系數(shù)對(duì)觸頭彈跳特性的影響。得出以下結(jié)論：

1）采用基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的有限元法，由運(yùn)動(dòng)控制方程和材料本構(gòu)方程描述接觸器動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)接觸罰函數(shù)法處理剛體與剛體、剛體與柔性體之間的碰撞接觸問(wèn)題，能夠考慮到簧片、緩沖墊片、機(jī)構(gòu)間的摩擦、彈性材料形變等因素對(duì)接觸器動(dòng)作特性的影響。

2）動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果可直觀得到反映接觸器觸頭系統(tǒng)、鐵心系統(tǒng)三維運(yùn)動(dòng)狀況，尤其是觸頭碰撞和鐵心碰撞過(guò)程中動(dòng)觸頭速度瞬時(shí)變化和位移變化情況。

3）觸頭彈跳受金屬簧片的密度影響小、受材料彈性模量影響大，若要減少觸頭閉合過(guò)程的彈跳，可以在適當(dāng)增加觸頭表面摩擦系數(shù)、加大觸頭彈簧初壓力的同時(shí)，控制好接觸器吸合過(guò)程的運(yùn)動(dòng)速度。

4）通過(guò)仿真模型，能夠方便地設(shè)定電磁機(jī)構(gòu)的控制電壓，進(jìn)行直流控制、交流控制及智能斬波控制的過(guò)程控制方案分析，實(shí)現(xiàn)交流接觸器本體和控制模塊的一體化仿真設(shè)計(jì)，該工作正在進(jìn)行中。

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Virtual Prototyping Technology of AC Contactor

He XiaoyanXu Zhihong
（College of Electrical Engineering and AutomationFuzhou University Fuzhou350116China）

With virtual prototyping technology， this paper establishes the 3D virtual prototyping model of AC contactor including the whole contact system， core system and connecting parts. It reflects the real dynamic characteristics of AC contactor affected by the structure. Based on the finite method of continuum mechanics， the nonlinear contact， collision problem and elastic material deformation have been taken into account in the dynamic analysis software Ansys/LS-DYNA. Contact bounce in the process of contactor action is simulated. Moreover， by 3D visualization window， the displacement and velocity of movable contact and core changing over time are obtained and the dynamic characteristics of contactor are analyzed visually. In addition， the influence of closure speed， pre force of spring，properties of reed and friction coefficient of contact on contact bounce has been analyzed from the view of mechanical dynamics. The 3D virtual prototype design of AC contactor provides theoretical basis for its structure optimization design and has high practical value.

AC contactor， 3D virtual prototype， continuum mechanics， bounce characteristics

TM571

何曉燕女，1990年生，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄茈娖骷捌湓诰€監(jiān)測(cè)。

E-mail： 511312590@qq.com

許志紅女，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄茈娖骷捌湓诰€監(jiān)測(cè)。

E-mail： 641936593@qq.com（通信作者）

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51277031）。

2014-06-19改稿日期 2014-07-29