斷路器合閘特性仿真與優(yōu)化

華北電力大學 機械工程系 崔彥彬 車磊

0 前言

真空斷路器觸頭閉合時，為了縮短關(guān)合過程中的燃弧時間以及保證合閘的可靠性，通常其沖擊速度和沖擊力都是比較大的。這必然就容易引起觸頭碰撞后發(fā)生彈跳。彈跳將會使觸頭之間產(chǎn)生拉弧，導致觸頭熔焊，從而影響斷路器的使用。在觸頭上加裝緩沖彈簧可以有效地緩解觸頭之間的沖擊和彈跳，緩沖彈簧的作用主要體現(xiàn)在剛度上，因此彈簧剛度的選擇就顯得極為重要。由于觸頭之間的碰撞會產(chǎn)生塑性變形，導致能量損失，影響觸頭速度，使斷路器合閘特性變差。通過對碰撞阻尼的優(yōu)化，得到最佳阻尼值，從而實現(xiàn)觸頭材質(zhì)、結(jié)構(gòu)的最優(yōu)選取[1]

虛擬樣機技術(shù)的顯著特點使其受到了企業(yè)、高校及科研部門等的關(guān)注，其中尤其以美國MDI公司開發(fā)的ADAMS軟件使用最為廣泛。可以在ADAMS軟件中，虛擬創(chuàng)建機構(gòu)的三維模型，仿真其運動、分析受力、優(yōu)化參數(shù)。我們應用ADAMS軟件，創(chuàng)建開關(guān)觸頭三維模型，對其合閘過程進行動力學分析，優(yōu)化緩沖彈簧剛度和碰撞阻尼，從而得到比較理想的合閘特性。

1 機構(gòu)簡介

真空斷路器滅弧室主要由動、靜觸頭及其他輔助零件裝配而成。

文獻[2]提出了預振動理論，并分析了預振動產(chǎn)生的原因，指出預振動不但使開距不按其預定規(guī)律減小，而且對合閘彈跳有直接的影響，對重燃也有一定的影響。為了消除預振動，設計出一種新型結(jié)構(gòu)，即將緩沖彈簧安裝在靜端，動端不加緩沖彈簧，這樣就減少了運動質(zhì)量，自然消除了觸頭彈簧引起的預振動。此結(jié)構(gòu)如圖1 所示：

圖1 靜端安裝彈簧的結(jié)構(gòu)

斷路器進行合閘時，操動機構(gòu)驅(qū)動動導電桿運動，動導電桿帶動動觸頭運動，動觸頭與靜觸頭發(fā)生碰撞并貼合在一起。碰撞發(fā)生時，靜觸頭上的緩沖彈簧會吸收碰撞能量，減輕碰撞彈跳。

由于運動機構(gòu)零件較多，且各零件運動規(guī)律不同，直接對其進行動力學分析求解起來非常困難，為了能對復雜的運動系統(tǒng)進行動力學分析，需要將系統(tǒng)進行等效轉(zhuǎn)化。斷路器動靜觸頭發(fā)生碰撞時，其動力學簡化模型可用下圖表示：

圖2 碰撞模型示意圖

碰撞過程可描述為：在外來機械功的作用下，質(zhì)量為m的物體以速度V0碰撞到靜止的且質(zhì)量為M的物體上。兩物體碰撞后以共同速度V1一起運動。

根據(jù)動量守恒和能量守恒原理，我們可得到如下方程：

式中：A 系統(tǒng)初始動能

Af碰撞過程中的能量損失

由公式（1），（2），（3）可得到下面關(guān)系式：

公式（4）可以看出，碰撞后的共同速度V1與能量損耗Af有關(guān)。Af主要包括觸頭塑性變形能、接觸表面摩擦力做功、以及觸頭表面接觸反彈時抗粘合的能量等。而我們知道，影響能量損耗Af最主要的參數(shù)便是碰撞阻尼系數(shù)。因此，我們可以通過優(yōu)化碰撞阻尼系數(shù)，選擇合理系數(shù)值，使觸頭達到最佳的速度特性。

2 建立機構(gòu)三維模型

對機構(gòu)進行仿真分析首先要建立機械系統(tǒng)各零部件的三維實體模型，市面上的三維繪圖軟件種類很多，功能也很強大，如PRO/E、UG、Solidworks等。我們可以通過此類的繪圖軟件建立模型，然后利用這些軟件和ADAMS軟件之間的接口程序?qū)階DAMS中。但接口程序與ADAMS分別來自不同公司，兩者之間屬于“有縫連接”，兩者之間不同的圖形格式會導致圖形轉(zhuǎn)換時一些圖形元素的丟失，如圓變成了多面體，旋轉(zhuǎn)體軸線丟失等。如果在樣機即將定義完畢時，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)尺寸有誤，則必須返回到繪圖軟件環(huán)境下修改，而后再進行重新定義[3]，所以導入工作非常繁瑣。由于斷路器觸頭的結(jié)構(gòu)不十分復雜，利用ADAMS軟件本身的三維建模功能也可實現(xiàn)，因此本文采用在ADAMS中直接建模。模型如圖 3 所示：

圖3 ADAMS中觸頭的三維模型

3 仿真分析及優(yōu)化[4][5]

3.1 參數(shù)設置

為了得到良好的合閘特性，一般要求觸頭彈簧具有一定的預緊力。但是如果預緊力過小，將會增加觸頭合閘時的彈跳時間，影響斷路器長期工作溫升；如果預緊力過大，就要增加觸頭彈簧力，造成合閘功增加，從而增大了沖擊和振動。彈簧預緊量的多少會影響預緊力的大小，本文通過設置緩沖彈簧預緊量的長度，來確定預緊力的大小。

結(jié)合斷路器實際結(jié)構(gòu)，對靜觸頭緩沖彈簧做如下設置：彈簧放置長度為75mm,彈簧自然長度為95mm，則彈簧壓縮量為20mm.

設置靜觸頭緩沖彈簧初始剛度為20N/mm.；對于碰撞阻尼我們?nèi)ハ到y(tǒng)默認設置值10；測量的目標曲線為動靜觸頭標記點間的相對位移。在此設置下對模型進行仿真分析，得到如圖 4 所示曲線：

圖4 動、靜觸頭相對位移曲線

從圖4 中的曲線我們可以看出，觸頭合閘過程中發(fā)生了兩次較為明顯的彈跳，且第一次彈跳尤為嚴重。如果此時開關(guān)帶載，必然會產(chǎn)生高壓拉弧，損壞觸頭。說明此系數(shù)值的設置不太合理，需要對其進行調(diào)整。

3.2 設計分析

（1）創(chuàng)建設計變量 在ADAMS軟件中，將觸頭緩沖彈簧的剛度值設置為變量（DV_1）。以20N/mm為初始值，以絕對值方式變化，變化范圍為20～100N/mm.

(2) 設置目標函數(shù) 由于我們測量的是動靜觸頭之間的相對位移，彈跳越小，曲線越平滑，平均位移就越小，因此我們將位移曲線平均值最小為優(yōu)化目標。即，目標曲線平均值為最小時所對應的彈簧剛度為最佳剛度。

（3）設計分析結(jié)果

使用ADAMS軟件的設計研究功能（Design Study），使設計變量按照一定的規(guī)則在一定范圍內(nèi)進行取值。根據(jù)設計變量的不同，進行一系列仿真，并輸出各次仿真分析的結(jié)果。通過分析報告我們可以觀察到以下內(nèi)容：設計變量的變化對樣機性能的影響；設計變量的最佳取值；設計變量對樣機性能的敏感程度。本次設計研究報告如圖5 所示：

圖5 剛度設計分析報告

從設計報告中我們可以看出，當彈簧剛度在87.143時，動、靜觸頭平均位移最小，即彈簧剛度在此時比較接近最佳剛度值。

同理，我們對碰撞阻尼進行設置。將碰撞阻尼系數(shù)設置為變量（DV_2）。以0為初始值，絕對值變化方式，變化范圍為0～100。在此設置下對變量DV_2進行設計研究，結(jié)果如圖5 所示：

圖6 碰撞阻尼設計分析報告

從圖6 的碰撞阻尼分析報告我們可以看出，當 阻尼值為42.857時，目標曲線平均位移值為最小。

彈簧剛度設計分析報告是在碰撞阻尼為一定值的情況下取得的，碰撞阻尼設計分析報告是在彈簧剛度不變的情況下得到的。而實際情況是彈簧剛度和碰撞阻尼同時作用，因此我們要對兩變量同時變化的情況進行試驗分析。

3.3 細化模型

根據(jù)彈簧剛度和碰撞阻尼的分析報告，對剛度值和阻尼系數(shù)值進行細化，以便得到更加精確的剛度值。首先改變設計變量的取值范圍，彈簧剛度87.143為基準點，阻尼系數(shù)以42.857為基準點，選百分比的變化方式，變化范圍取±10%。按照以上設置進行一次實驗分析，得到的分析報告如圖7所示：

圖7 兩變量試驗分析報告

由試驗分析結(jié)果可以看出：當彈簧剛度和碰撞阻尼兩變量同時變化時，彈簧剛度為95.867；碰撞阻尼為38.575時，目標函數(shù)值最小，將這兩個值代入樣機模型，進行仿真分析，得到合閘特性曲線，如圖8所示：

圖8 細化后的合閘曲線

圖8曲線的結(jié)果表明，動、靜觸頭只在剛合位置時發(fā)生了微小的位移變化，而沒有出現(xiàn)較大的彈跳，合閘特性得到明顯的改善，說明這兩個變量值是比較合適的。

4 結(jié)語

動端不加緩沖彈簧，機構(gòu)為剛性，這樣可以有效地消除預振動帶來的影響。靜端安裝緩沖彈簧，選擇合適的彈簧剛度以及修正碰撞阻尼系數(shù)，就可以盡可能地減少觸頭彈跳和機構(gòu)的振動，增強機構(gòu)可靠性。對機構(gòu)的最優(yōu)化設計具有重要的指導作用。

傳統(tǒng)的試驗法不僅費時，還要消耗大量的財力和物力，所得結(jié)果一般也不會為最佳值。運用虛擬樣機技術(shù)，不僅避免了傳統(tǒng)方法的先天不足，還可以在虛擬環(huán)境下進行多次的分析和試驗，根據(jù)結(jié)果優(yōu)化機構(gòu)參數(shù)，高效快速地實現(xiàn)理想方案。

[1] 馬偉強.碰撞過程中高壓開關(guān)觸頭分析及優(yōu)化[J].機電工程技術(shù)，2008（6），90-92

[2] 苑舜.真空斷路器操動機構(gòu)的設計與優(yōu)化[M].北京：中國電力出版社，1997.

[3] 杜中華，王興貴，狄長春.用PRO/E和ADAMS聯(lián)合建立復雜機械系統(tǒng)的仿真模型[J].機械，2002（29）：153-154.

[4]李軍，邢俊文，覃文浩等.ADAMS實例教程[M].北京：北京理工大學出版社，2002

[5]陳德民，槐創(chuàng)鋒，張克濤等.精通ADAMS2005/2007虛擬樣機技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社,2010