基于ADAMS的塑殼斷路器機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)式觸頭系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

祝 聰，羅欣宇, 徐庭偉, 祝 敏

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2. 昆山佰奧軟件有限公司，江蘇昆山 215300）

0 引言

塑殼斷路器作為一種限流型開(kāi)關(guān)，操作機(jī)構(gòu)能否快速打開(kāi)觸頭系統(tǒng)，是決定斷路器極限分?jǐn)嗄芰Φ年P(guān)鍵[1-3]。目前塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)通常為傳統(tǒng)四連桿機(jī)構(gòu)[4-5]，斷路器合閘和分閘共用同一組主彈簧，如何通過(guò)連桿有效傳遞主彈簧的能量實(shí)現(xiàn)觸頭系統(tǒng)快速運(yùn)動(dòng)，是研發(fā)新型塑殼斷路器必須解決的問(wèn)題。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是通過(guò)各極限位置來(lái)計(jì)算機(jī)構(gòu)連桿的長(zhǎng)度，然后通過(guò)加工實(shí)物樣機(jī)來(lái)驗(yàn)證和優(yōu)化機(jī)構(gòu)各個(gè)零部件。此種設(shè)計(jì)方法是基于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的靜態(tài)過(guò)程來(lái)設(shè)計(jì)，能夠反映出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的某幾個(gè)特殊的狀態(tài)，但是無(wú)法反映整個(gè)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的所有特性，從而使得設(shè)計(jì)結(jié)果有一定的局限性；而通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程不僅增加了時(shí)間成本，也增大了財(cái)力成本。隨著軟件和硬件技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多高效的設(shè)計(jì)方法出現(xiàn)了[6-7]。本文基于ADAMS分析了一種雙斷口塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)式觸頭系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，包括斷路器合閘運(yùn)動(dòng)、分閘運(yùn)動(dòng)、自由脫扣運(yùn)動(dòng)和再扣運(yùn)動(dòng)，分析了斷路器在各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的動(dòng)作特性和性能，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該分析的有效性和可行性，為優(yōu)化斷路器觸頭系統(tǒng)和操作機(jī)構(gòu)，提高斷路器性能提供可靠依據(jù)。

1 工作原理

斷路器通過(guò)主彈簧釋放能量傳遞到連桿帶動(dòng)觸頭架運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)觸頭與靜觸頭的合閘和分閘，工作原理示意圖如圖1所示。觸頭系統(tǒng)由動(dòng)觸頭、觸頭架、上靜觸頭和下靜觸頭組成。動(dòng)觸頭安裝在觸頭架上，觸頭架?chē)@O2旋轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)觸頭可以同時(shí)與上、下靜觸頭合上或分開(kāi)。

操作機(jī)構(gòu)包括上連桿AB、下連桿BC，手柄，主彈簧、跳扣和鎖扣，其中下連桿與觸頭架之間通過(guò)鉸鏈連接。當(dāng)操作機(jī)構(gòu)處于鎖扣狀態(tài)時(shí)，即跳扣與鎖扣搭接，跳扣處于固定狀態(tài)，則上連桿AB、下連桿 BC、觸頭架 CO2形成四連桿機(jī)構(gòu)ABCO2，此時(shí)手柄往左運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)觸頭閉合，往右運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)觸頭斷開(kāi)。當(dāng)操作機(jī)構(gòu)處于脫扣狀態(tài)時(shí)，即跳扣與鎖扣分離，跳扣處于自由狀態(tài)，此時(shí)無(wú)論觸頭系統(tǒng)處于合閘狀態(tài)還是分閘狀態(tài)，在主彈簧作用力下跳扣將受到逆時(shí)針的轉(zhuǎn)矩發(fā)生逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，從而使得觸頭架受到順時(shí)針力矩發(fā)生順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，觸頭系統(tǒng)分閘，并可保持在分閘位置。自由脫扣狀態(tài)后需要先將機(jī)構(gòu)復(fù)位到再扣狀態(tài)，才能再次合閘或分閘。

圖1 斷路器工作原理示意圖（合閘狀態(tài)）

2 仿真分析

2.1 建立多體動(dòng)力學(xué)模型

本文以自主研制的殼架電流等級(jí)為800 A的一種四極雙斷口斷路器為基礎(chǔ)，建立了斷路器操作機(jī)構(gòu)和觸頭系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)模型，如圖2所示。觸頭系統(tǒng)為旋轉(zhuǎn)式雙斷點(diǎn)觸頭，即每極觸頭系統(tǒng)有兩個(gè)分?jǐn)鄶嗫冢兄谠诜謹(jǐn)啻箅娏鲿r(shí)提高電弧電壓，同時(shí)還減小了斷路器的電動(dòng)力穩(wěn)定水平，進(jìn)而提高限流水平。該型斷路器的操作機(jī)構(gòu)有兩部分：主操作機(jī)構(gòu)和輔助操作機(jī)構(gòu)。主操作機(jī)構(gòu)安裝在第二極觸頭上，輔助機(jī)構(gòu)安裝在第四極觸頭上，第一、二、三和四極觸頭通過(guò)軸剛性連接在一起。根據(jù)斷路器實(shí)際工作狀況，在ADAMS軟件中對(duì)該多體動(dòng)力學(xué)模型添加相關(guān)約束，做好前處理分析。

圖2 斷路器多體動(dòng)力學(xué)模型

由于斷路器在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有許多不同零件之間的碰撞，因此需要修正模型中的碰撞參數(shù)。結(jié)合力學(xué)理論知識(shí)和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，本文計(jì)算時(shí)的接觸參數(shù)設(shè)置如表1和表2所示。

表1 接觸參數(shù)設(shè)置

2.2 合閘運(yùn)動(dòng)分析

當(dāng)機(jī)構(gòu)處于再扣狀態(tài)時(shí)，給手柄施加合閘力，此處輸入合閘操作力值為300 N，觸頭系統(tǒng)從斷開(kāi)狀態(tài)變成閉合狀態(tài)。此時(shí)，動(dòng)觸頭與靜觸頭之間的開(kāi)距從最大值減小到最小值，如圖3所示，由于圖中所取的參考點(diǎn)為觸頭片邊緣處的點(diǎn)，并非合閘后動(dòng)靜觸頭接觸點(diǎn)，所以在觸頭合閘完成后，開(kāi)距不為零。由圖可知觸頭開(kāi)距為17 mm，超程約為 4 mm，觸頭速度從觸頭合閘開(kāi)始逐漸增大，在合閘完成時(shí)減小為零，平均運(yùn)動(dòng)速度為1.5 m/s。從圖3中還可發(fā)現(xiàn)動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)速度在完成合閘前有個(gè)接近勻速的短暫時(shí)間，這是動(dòng)觸頭與靜觸頭剛接觸到完成超程的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，由于該時(shí)間段里觸頭壓力在增大，而參考點(diǎn)并非是合閘完成后動(dòng)靜觸頭的重合點(diǎn)，所以動(dòng)觸頭速度會(huì)先停止增大或有減小趨勢(shì)，然后減小為零。

表2 摩擦參數(shù)設(shè)置

圖3 觸頭閉合過(guò)程開(kāi)距與速度特性

圖4是觸頭合閘過(guò)程中開(kāi)距與觸頭壓力的分析結(jié)果，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)觸頭剛接觸時(shí)，動(dòng)靜觸頭之間有個(gè)瞬間碰撞壓力，然后壓力恢復(fù)穩(wěn)定，即觸頭的終壓力。該結(jié)果表明觸頭合閘瞬間雖然有沖擊反彈，但是觸頭并未發(fā)生分離，這對(duì)觸頭合閘穩(wěn)定性十分重要。

圖4 觸頭閉合過(guò)程觸頭壓力與觸頭開(kāi)距特性

2.3 分閘運(yùn)動(dòng)分析

當(dāng)斷路器處于合閘狀態(tài)時(shí)，給手柄施加300 N分閘力，觸頭系統(tǒng)從閉合狀態(tài)變成斷開(kāi)狀態(tài)，結(jié)果如圖5所示。觸頭開(kāi)距變化與合閘運(yùn)動(dòng)時(shí)觸頭開(kāi)距變化相反，觸頭分閘平均速度達(dá)到 3.5 m/s，有利于快速建立弧壓，減少額定分?jǐn)鄷r(shí)的電磨損。從圖5還可以發(fā)現(xiàn)觸頭速度在觸頭剛打開(kāi)時(shí)上升很快，而在觸頭打開(kāi)大半開(kāi)距行程時(shí)有個(gè)波動(dòng)，這是由于剛開(kāi)始主操作機(jī)構(gòu)彈簧的能量釋放瞬間足夠大，并且迅速帶動(dòng)輔助機(jī)構(gòu)彈簧一起釋放能量，使得觸頭速度上升很快。而輔助機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行程較小，比主機(jī)構(gòu)先運(yùn)動(dòng)到極限位置，所以當(dāng)觸頭打開(kāi)到一定程度，輔助機(jī)構(gòu)反過(guò)來(lái)對(duì)動(dòng)觸頭有個(gè)緩沖，這樣可以減小甚至避免動(dòng)觸頭的分閘彈跳，還能保證動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)速度。

圖5 觸頭分閘過(guò)程開(kāi)距與速度特性

2.4 脫扣運(yùn)動(dòng)分析

通過(guò)操作手柄導(dǎo)致斷路器的分閘運(yùn)動(dòng)是斷路器在額定電流工況下的分?jǐn)嘈袨?，而自由脫扣?dǎo)致的分閘運(yùn)動(dòng)則是斷路器在特殊情況下保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生的分?jǐn)嘈袨?，因此脫扣運(yùn)動(dòng)顯得尤為重要。當(dāng)給機(jī)構(gòu)一個(gè)脫扣力時(shí)，機(jī)構(gòu)發(fā)生脫扣，觸頭進(jìn)行分閘運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)結(jié)果如圖6所示，觸頭開(kāi)距和觸頭速度隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程與觸頭分閘運(yùn)動(dòng)時(shí)相似，但是相對(duì)分閘運(yùn)動(dòng)，自由脫扣運(yùn)動(dòng)時(shí)觸頭系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度小，約為2.4 m/s，與通常工程經(jīng)驗(yàn)的2 m/s左右相近。

圖6 自由脫扣過(guò)程觸頭開(kāi)距與速度特性

圖7為斷路器自由脫扣運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，觸頭壓力與搭扣應(yīng)力隨時(shí)間變化的結(jié)果。當(dāng)施加脫扣力時(shí)，機(jī)構(gòu)鎖扣開(kāi)始解扣，鎖扣力變成0時(shí)，解扣完成，然后機(jī)構(gòu)帶動(dòng)觸頭開(kāi)始分閘運(yùn)動(dòng)，當(dāng)觸頭壓力減小為0時(shí)，動(dòng)靜觸頭開(kāi)始分離，該段時(shí)間為2.5 ms，即連桿機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動(dòng)所需要的時(shí)間。

2.5 再扣運(yùn)動(dòng)分析

再扣運(yùn)動(dòng)是機(jī)構(gòu)發(fā)生自由脫扣后，再次進(jìn)行合分閘操作前必須進(jìn)行的復(fù)位工作，即讓機(jī)構(gòu)跳扣和鎖扣零件從脫離狀態(tài)變成搭扣狀態(tài)，機(jī)構(gòu)從五連桿多自由度變成四連桿單自由度。再扣操作是通過(guò)給操作手柄分閘方向一個(gè)再扣力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通常再扣力大于分閘力。分析結(jié)果如圖8所示。再扣過(guò)程中，跳扣與鎖扣之間集中受到較大的應(yīng)力，再扣結(jié)束后，跳扣與鎖扣之間受力變成零，即兩零件處于分離狀態(tài)。這說(shuō)明該機(jī)構(gòu)再扣狀態(tài)，即正常的分閘狀態(tài)無(wú)法脫扣，只有合閘狀態(tài)才能進(jìn)行自由脫扣運(yùn)動(dòng)，而斷路器實(shí)際工作狀況下也只有合閘狀態(tài)才需要脫扣分閘；同時(shí)也說(shuō)明跳扣與鎖扣兩個(gè)零件受力較大，需要進(jìn)行一定的剛度和表面硬度。

圖7 自由脫扣過(guò)程機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間

圖8 再扣運(yùn)動(dòng)時(shí)搭扣受力特性

3 實(shí)驗(yàn)研究

按照前面的分析結(jié)果，加工物理樣機(jī)如圖 9所示，樣機(jī)共有四極，每極觸頭系統(tǒng)安裝在滅弧室中，主操作機(jī)構(gòu)和輔助操作機(jī)構(gòu)安裝在相應(yīng)的觸頭上。手動(dòng)進(jìn)行和閘操作、分閘操作、脫扣操作和再扣操作，結(jié)果顯示斷路器能實(shí)現(xiàn)合閘、分閘、脫扣和再扣功能。

圖9 樣機(jī)照片

3.1 一般功能特性測(cè)試

用測(cè)力計(jì)（儀器：溫州山度儀器有限公司生產(chǎn)，指針式推拉測(cè)力計(jì)SN-500、SN-20）測(cè)量斷路器合分閘操作力和脫扣力，結(jié)果如表3所示，與現(xiàn)有斷路器操作力接近。測(cè)量斷路器觸頭系統(tǒng)的開(kāi)距和超程，分別為16.8 mm和3.6 mm，與分析結(jié)果小了0.2 mm和0.4 mm，分析結(jié)果由于加工誤差和測(cè)量誤差導(dǎo)致。

表3 操作力測(cè)試結(jié)果

3.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性

用高速攝像儀儀器：（儀器：美國(guó)派力肯公司生產(chǎn)，Pelican 1610）測(cè)量觸頭系統(tǒng)和操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性，結(jié)果如表4所示，從表4可知觸頭系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度與分析結(jié)果相近，分析引起試驗(yàn)結(jié)果偏小的原因是分析時(shí)各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件之間相互摩擦力設(shè)置誤差和零件之間的加工裝配誤差導(dǎo)致，經(jīng)驗(yàn)表明該誤差可以通過(guò)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償系數(shù)來(lái)減小，實(shí)際測(cè)量結(jié)果與分析結(jié)果相近，能夠滿足使用要求。同時(shí)本文還測(cè)量了自由脫扣運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)構(gòu)從開(kāi)始脫扣到動(dòng)觸頭開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，結(jié)果顯示機(jī)構(gòu)連桿運(yùn)動(dòng)時(shí)間約為2.6 ms左右，與分析結(jié)果基本一致。

表4 觸頭系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文結(jié)合仿真分析和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，分析了 800 A雙斷口塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)和觸頭系統(tǒng)在各種工作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，結(jié)論如下：

1）仿真計(jì)算可以準(zhǔn)確分析斷路器操作機(jī)構(gòu)與觸頭系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，從而對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化獲得所需要的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性和觸頭參數(shù)，為新型斷路器設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

2）設(shè)計(jì)合適的輔助機(jī)構(gòu)，配合主操作機(jī)構(gòu)不僅有利于提高斷路器觸頭系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度，還可以減小分閘時(shí)的觸頭彈跳。