船用低壓斷路器動力系統優化設計

紀寧毅

（中國船級社質量認證公司南京分公司，南京 210011）

0 引言

低壓斷路器常被作為低壓配電支路或終端的開關。然而在現代的船用低壓配電系統中，斷路器并不僅僅只是實現電路系統的通斷控制和簡單的過載、短路保護，而且還要保證提供隔離和安全保護功能。長期以來傳統低壓斷路器產品的設計開發憑借經驗，通過反復的概念設計、詳細設計、樣機制造、樣機測試和試驗數據分析，直至產品定型生產。該過程是一個大循環過程，不僅難以提高產品質量，而且耗費了大量的時間和資金。

虛擬樣機（Virtual Prototype）技術是一項新生的工程技術，它是計算機輔助工程（CAE）的一個重要分支。電器工程師在新產品概念研發階段，通過虛擬樣機技術，對產品進行虛擬性能測試，幫助設計者發現設計缺陷，并提出改進方案，以達到提高設計性能、降低設計成本、縮短產品研發周期的目的。

機械系統動力學仿真分析軟件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）是美國MSC公司的虛擬樣機分析軟件。文章以某型號船用框架式斷路器為研究對象，應用ADAMS軟件建立系統仿真模型，對其進行運動特性仿真計算，獲得其分、合閘過程的動態特性。針對帶載合閘過程中存在的觸頭間易產生拉弧現象，對動力系統中各彈簧參數進行設計研究分析，獲得各參數對斷路器系統的影響靈敏度。針對各參數靈敏度高低不同，以動觸頭轉動角速度為最終優化目標，完成該斷路器動力系統的優化設計分析。該分析可用于指導產品的優化和創新開發，為產品進一步的優化設計提供平臺。

1 斷路器操縱機構模型建立

某型號船用低壓框架式斷路器機構的動力學簡化模型如圖1所示。

圖1 斷路器機構簡圖

該型號船用框架式斷路器機構系統主要由動力機構、操縱機構和觸頭機構組成。動力機構主要由儲能彈簧（3根）、分閘彈簧、復位彈簧、儲能杠桿、儲能杠桿限位桿及其附屬部件組成，動力機構部分構件在圖1中未標出。斷路器的工作過程主要包括分閘和合閘兩個過程。在合閘過程中，動力機構驅動桿AB完成合閘運動，該過程是一個四連桿機構系統，由圖1中的AB－BC－CO4－O4A組成。分閘過程是一個五連桿機構系統，由圖1中的HO1A－AB－BC－CO4－O4A組成。無論是合閘還是分閘過程，觸頭機構都是一個四連桿機構系統，由圖1中的O4D－DE－EO3－O3O4組成。

斷路器系統分、合閘過程包含高速的碰撞，涉及因素較多，是一個接近瞬間的動作過程，因此要精確建模。針對該型號的框架式斷路器系統的復雜機構，采用三維造型軟件UG完成幾何模型的建模，利用ADAMS集成的專用接口模塊ADAMS/Exchange建立在ADAMS/View環境下的機構動力學模型。為了仿真需要建模過程中簡化了模型某些工況,不考慮構件鏈接之間的間隙和系統的一些輔助機構。從程序的求解原理來看，只要仿真軟件中構件幾何形體的質量、質心位置、慣性矩和慣性積與實際構件相同，則仿真結果是等價的。在完成了對系統模型的簡化、捆綁合并以及添加正確的約束、負載和碰撞邊界條件后，利用ADAMS 軟件建立的該低壓框架式斷路器動力學模型如圖2所示。

圖2 斷路器動力學模型

2 運動特性仿真分析

根據該型號船用斷路器實際模型及工況條件，把仿真分析分為合閘和分閘兩個過程。分、合閘過程仿真分析的結果包含了組成機構系統的所有構件的運動特性參數。利用ADAMS/Postprocessor后處理模塊可以精確輸出并繪制各分析數據曲線。

合閘過程中動觸頭運動特性仿真分析輸出曲線如圖3所示。

圖3 合閘過程動觸頭動態仿真分析輸出曲線圖

由圖3中的動觸頭開距隨角位移變化曲線(Position vs. Angular Displacement)可知，動觸頭仿真開距距離為34.372mm，與試驗開距距離的34.45mm相差0.078mm。這是由于系統構件被定義成剛性，同時工況設置不精確以及機構簡化也導致仿真不夠準確。動觸頭系統的最大線速度為2.274m/s，動靜觸頭碰撞后，動觸頭系統的速度由2.274m/s變為2.266m/s。

從動觸頭角速度隨角位移變化曲線(Angular Velocity vs. Angular Displacement)可知，仿真模型動觸頭系統轉角20.1692deg，動觸頭系統的最大速度為1.798deg/ms，當動觸頭系統繞其旋轉軸轉過16.3791deg時動靜觸頭碰撞。碰撞前后，動觸頭系統的速度由1.798deg/ms變為1.513deg/ms。從動觸頭角加速度曲線(Angular Acceleration vs. Angular Displacement)可知，動觸頭系統角加速度曲線上峰值出現時刻分別是:1）轉角δ=16.5331deg，動觸頭開始碰撞時刻；2）轉角δ=20.043deg，驅動桿AB與連桿HO1A上限位軸碰撞時刻；3）δ=20.1321deg，連桿HO1A與脫扣杠桿上滾珠軸承碰撞。

這條信息讓徐藝猶豫了一下，他還是把沙子里面的五十萬拿出來，飛快下樓，但他的腳步聲驚動了剛剛往樓上爬的兩個黑衣人，他們對視一下，以為是左達，返身向樓下追去。

從上述仿真分析中驗證了該型號船用框架式斷路器滿足設計要求，機構系統的運行規律也是正確的，進而為該斷路器動力系統的優化分析提供了支持。

3 動力系統優化設計

在以多體動力學為理論基礎的機械產品虛擬樣機開發專用軟件ADAMS中，剛體的運動狀態是根據構件質心在計算坐標系的位置，采用修正的Newton—Raphson迭代算法進行分析求解。雖然不同型號的低壓斷路器操作機構原理相同，但提供動力來源的動力系統卻有很大不同[9]。為了縮短動靜觸頭運動過程中的燃弧時間，保證動靜觸頭一經關合就可靠接觸，否則在帶載工作情況下觸頭反復回彈跳動將會持續產生拉弧，觸頭溫度急劇上升，使觸頭發生嚴重的動熔焊，降低斷路器使用壽命。

文章針對帶載合閘過程中存在的觸頭間易產生拉弧問題，對動力系統中各彈簧參數分別進行設計研究分析，獲得各參數對斷路器系統的影響靈敏度。針對各參數靈敏度高低不同，以動觸頭轉動角速度最大為最終優化目標，完成該船用斷路器動力系統的優化設計分析。在符合斷路器系統運動規律的前提下，根據分析計算數據獲得各彈簧技術參數的最優。

3.1 設計研究分析

設計研究過程中，設計變量按一定的規則在一定的范圍內進行取值。根據設計參數在一定范圍內的若干取值，自動進行一系列仿真分析。每次取不同的設計參數值，完成設計研究分析后，系統即輸出各次分析結果，并研究設計參數對機構系統的影響。通過各次分析結果的對比分析，得到設計變量對樣機性能的影響、設計變量的最佳取值以及設計變量的靈敏度。

靈敏度即是樣機性能對設計變量值變化的靈敏程度。前后兩次迭代運算目標函數增量與設計變量增量比值的平均值，既是該設計變量此次迭代運算的靈敏度。靈敏度的數學表達式為:

式（1）中:Q為目標函數值；V為設計變量值；i為迭代次數。

靈敏度為正值，表示目標函數在迭代運算過程中逐漸增大；靈敏度為負值，則目標函數值在迭代過程中逐漸減小。目標函數值變化愈大，則靈敏度的絕對值愈大。靈敏度愈高，表明該設計變量與目標函數的相關性愈高，對系統的影響愈明顯。通過對比設計變量的靈敏度數值大小就可獲知選定的設計變量對目標函數的影響程度。

表1 設計研究分析結果

表1的設計研究分析結果可知:在上述12個設計變量的中，設計變量“DV_fzth_damp”、“DV_fwth_damp”、“DV_cnth1_damp”、“DV_cnth2_damp”、“DV_cnth3_damp” 和“DV_ chutouth _damp” 的初始值靈敏度最高，即“分閘彈簧阻尼”、“復位彈簧阻尼”、“儲能彈簧1阻尼”、“儲能彈簧2阻尼”、“儲能彈簧3阻尼”、“觸頭彈簧阻尼”的變化對機構系統的合閘運動過程中的動觸頭平均角速度影響最大，即是對系統的合閘時間影響最大。

3.2 優化設計分析

優化設計分析是ADAMS/View提供的一種復雜的高級分析工具。在滿足各種設計條件和在指定的變量變化范圍內，通過程序自動選擇設計變量，由分析求取目標函數的最優值。

通過對影響系統動作靈敏度最高的6個設計變量進行優化設計分析，獲得該型號船用斷路器系統動觸頭的最大平均角速度。以達到在滿足機構功能的前提下合閘時間最短，減短觸頭間燃弧時間，提高產品質量和工作性能。在優化設計過程中，根據設計研究分析的最優值結果，合理設定設計變量的變化范圍，施加一定的限制以保證最優化設計處于合理的取值范圍。程序自動調整設計變量，獲得目標函數的最優值以及設計變量最優解組合。考慮上述6個以彈簧技術參數為設計變量的參數化優化設計結果如表2所示（平均角速度單位:deg/sec；阻尼單位:Newton-sec/mm）。

表2 優化設計結果

由表2可知，在同時考慮對斷路器系統運動特性影響最大的6個設計變量情況下，完成系統的優化迭代運算分析。經過優化設計不僅獲得設計變量的最優解組合，而且可以整體優化目標函數，最終實現了把動觸頭的平均角速度從原來的308.4deg/sec提升到384.43deg/sec，合閘工作時間縮短了25%，減短合閘過程中動靜觸頭間燃弧時間，經過優化后程序自動生成新的樣機模型。以上分析結果可以為該型號船用低壓框架式斷路器以后的生產設計改進提供技術參考。

4 結論

1）通過機械系統動態仿真技術研究某型號船用低壓框架式斷路器系統的方法，突破了傳統制造物理樣機的瓶頸。建立動力學仿真模型，驗證了模型的正確性并獲得了系統機械運動特性。

2）為了縮短合閘過程動靜觸頭間燃弧時間，以動觸頭轉動平均角速度為優化目標函數，完成了斷路器動力系統的動態設計研究和優化分析，通過優化把該斷路器動觸頭的合閘平均角速度從308.4deg/sec提升到384.43deg/sec，縮短了合閘時間，進而提高產品的安全性、可靠性和使用壽命。

3）本論文為以后該產品的強度、剛度以及疲勞分析研究提供了技術支持，優化后生成的樣機模型為以后該產品的改進設計提供參考，同時也為虛擬樣機技術在電器產品研發中的應用提供了一種可行有效的方法與經驗。

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