基于ADAMS的雙斷點(diǎn)塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)的仿真

李 蕊，章 程，沙新樂(lè)，孔凡良，徐 凱

應(yīng)用研究

基于ADAMS的雙斷點(diǎn)塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)的仿真

李 蕊1，章 程1，沙新樂(lè)1，孔凡良2，徐 凱1

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢長(zhǎng)海電氣科技開(kāi)發(fā)有限公司，武漢 430064）

為提高某型低壓塑殼斷路器分?jǐn)嗄芰Γ赾reo 2.0輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)建立雙斷點(diǎn)塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)的三維模型，通過(guò)ADMAS仿真平臺(tái)建立約束類型和運(yùn)動(dòng)副等運(yùn)動(dòng)關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真。研究分?jǐn)鄰椈蓜偠葘?duì)斷路器分合閘動(dòng)作時(shí)間的影響，為新一代塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化提供參考。

塑殼斷路器 雙斷點(diǎn) 分?jǐn)嗄芰?動(dòng)力學(xué)

0 引言

低壓斷路器是低壓配電線路的重要組成部分,對(duì)配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[1,2]。操作機(jī)構(gòu)是低壓斷路器的關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)操作手柄和各種脫扣方式完成動(dòng)靜觸頭間分、合閘動(dòng)作，直接關(guān)系到斷路器的分?jǐn)嗄芰Α樘岣邤嗦菲鞫搪贩謹(jǐn)鄷r(shí)的限流能力，需要保證短路分?jǐn)噙^(guò)程中短路電流未到達(dá)極限值時(shí)短路電弧能熄滅，需要提高動(dòng)觸頭的分閘速度，縮短斥開(kāi)時(shí)間[3]。提高低壓斷路器的分?jǐn)嗨俣龋茉趧?dòng)靜觸頭分開(kāi)時(shí)使電弧電壓快速升高，有利于減小電弧停滯時(shí)間和減小觸頭燒蝕程度，能夠使電弧快速進(jìn)入滅弧室熄滅[4]。

如今，虛擬樣機(jī)技術(shù)在低壓斷路器的設(shè)計(jì)領(lǐng)域被廣泛的運(yùn)用。相比研究周期長(zhǎng)，花費(fèi)大的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)方法能縮短開(kāi)發(fā)周期，明顯降低前期成本并提高產(chǎn)品質(zhì)量。本文基于虛擬樣機(jī)技術(shù)ADAMS軟件平臺(tái)，創(chuàng)建了額定電流為100 A的雙斷點(diǎn)塑殼斷路器的操作機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行仿真。在此基礎(chǔ)上，研究分?jǐn)鄰椈蓜偠葘?duì)斷路器分合閘動(dòng)作時(shí)間的影響，為新一代塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化提供參考。

1 雙斷點(diǎn)斷路器操作機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型建立

操作機(jī)構(gòu)三維模型在creo 2.0三維輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)上建立，主要由連桿機(jī)構(gòu)組成，因?yàn)榻佑|類型包括旋轉(zhuǎn)副、碰撞、固定等，故需要精準(zhǔn)建模。模型尺寸要與實(shí)體幾何構(gòu)件一致，賦予材料等屬性后，模型的質(zhì)量、質(zhì)心、慣性矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等基本與實(shí)際構(gòu)件一致，仿真測(cè)試結(jié)果可靠性可根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

利用creo 2.0建立額定電流100A的雙斷點(diǎn)塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)分閘位的力學(xué)模型及簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1(a) 動(dòng)力學(xué)仿真三維模型

圖1(b) 操作機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型

低壓塑殼斷路器的操作機(jī)構(gòu)是五連桿機(jī)構(gòu)。由橋型觸頭f、下連桿g、上連桿h、跳扣k、鎖扣m、操作手柄及分?jǐn)鄰椈山M成。如圖1(b)所示，操作機(jī)構(gòu)處于分閘位置，跳扣k被鎖扣m限位，C點(diǎn)固定不動(dòng)。當(dāng)手柄繞著O2點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，分?jǐn)鄰椈杀焕L(zhǎng)，水平方向彈簧力分量使上連桿h繞著C點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，下連桿g帶著橋型觸頭f繞著O1點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，上連桿h和下連桿g之間夾角開(kāi)始增大，當(dāng)上下連桿呈直線處于死點(diǎn)位置時(shí)，動(dòng)靜觸頭完全閉合，操作機(jī)構(gòu)處于穩(wěn)定靜止?fàn)顟B(tài)。隨著手動(dòng)分閘，操作手柄繞著O2點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著分?jǐn)鄰椈傻膹椈闪ψ饔梅较蚺c上連桿位置錯(cuò)開(kāi)，在彈簧力水平分量的作用下，上下連桿脫離死點(diǎn)位置，下連桿帶動(dòng)橋型觸頭繞O1點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，使其從合閘位置轉(zhuǎn)動(dòng)至分閘位置。操作機(jī)構(gòu)短路分閘是因?yàn)椋?dāng)短路電流使鎖扣m順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，分?jǐn)鄰椈舍尫艃?chǔ)能，跳扣k繞O3逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)C點(diǎn)為活動(dòng)點(diǎn)，連桿脫離死點(diǎn)位，動(dòng)靜觸頭分開(kāi)，操作機(jī)構(gòu)再次成為五連桿機(jī)構(gòu)。由于五連桿機(jī)構(gòu)有2個(gè)自由度，觸頭繼續(xù)分?jǐn)嗯c手柄位置無(wú)關(guān)，機(jī)構(gòu)處于自由脫扣狀態(tài)。

利用creo2.0完成零件的建模與裝配，將裝配體文件以.x_t后綴名導(dǎo)出，利用ADAMS模塊將該文件導(dǎo)入，形成沒(méi)有約束的幾何模型。在ADAMS操作頁(yè)面，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化并對(duì)所有零件賦予材料定義，根據(jù)樣機(jī)操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)模型的接觸、連接、約束等條件進(jìn)行設(shè)置。本文建立的動(dòng)力學(xué)仿真模型包含27個(gè)零件，定義28個(gè)約束（10個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和18個(gè)固定副），15個(gè)作用力（9個(gè)接觸力，3個(gè)彈簧力，2個(gè)驅(qū)動(dòng)力及1個(gè)重力）。

2 分?jǐn)鄰椈蓜偠葘?duì)分?jǐn)嗄芰Φ挠绊憽?/h2>

2.1 模型驗(yàn)證

根據(jù)建立的動(dòng)力學(xué)仿真模型，初期分析了動(dòng)觸頭分合閘開(kāi)距與時(shí)間的關(guān)系，并與通過(guò)高速攝影機(jī)捕捉到的實(shí)際樣機(jī)分合閘時(shí)間進(jìn)行誤差分析。動(dòng)力學(xué)仿真模型中分?jǐn)鄰椈傻膹椈蓜偠扰c樣機(jī)中分?jǐn)鄰椈傻膹椈蓜偠认嗤?26.8 N/mm。

根據(jù)圖2觸頭分合閘開(kāi)距-時(shí)間仿真曲線來(lái)看，動(dòng)觸頭初始位置為分閘位，當(dāng)受力開(kāi)始合閘，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)a，直至到達(dá)拐點(diǎn)b時(shí)開(kāi)距為0，故a-b區(qū)間為合閘區(qū)間，同理c-d是分閘區(qū)間。根據(jù)仿真曲線測(cè)得分合閘時(shí)間，與實(shí)際樣機(jī)分合閘時(shí)間相比，誤差分別為2.5%和5.2%。這是因?yàn)榉抡婺Ｐ褪┘拥妮d荷是彈簧力、接觸力以及手動(dòng)合閘力，而實(shí)際樣機(jī)中斷路器主要載荷為彈簧力、電動(dòng)力、摩擦力、觸頭壓力、緩沖力等，故仿真分合閘時(shí)間測(cè)量值小于實(shí)際分合閘時(shí)間測(cè)量值。

表1 仿真分合閘時(shí)間與實(shí)際分合閘時(shí)間分析

2.2 分?jǐn)鄰椈蓜偠葘?duì)分合閘速度的影響

分?jǐn)鄰椈蓜偠仁怯绊懚搪贩謹(jǐn)嗨俣鹊闹饕蛩刂唬诮y(tǒng)一的動(dòng)力學(xué)模型仿真條件下，通過(guò)修改彈簧剛度系數(shù)研究分合閘時(shí)間及動(dòng)觸頭角速度變化。如圖2所示，隨著彈簧剛度系數(shù)增大，動(dòng)觸頭的角速度也隨之增大，速度-時(shí)間仿真曲線出現(xiàn)后移現(xiàn)象，說(shuō)明手動(dòng)合閘力也隨彈簧剛度增加而增加。仿真結(jié)果表明，分?jǐn)鄰椈蓜偠认禂?shù)為30、35和40 N/mm時(shí)，動(dòng)觸頭完全合閘所用時(shí)間分別為5.1、4.7和4.5 ms，動(dòng)觸頭到達(dá)最小開(kāi)距時(shí)間減小了7.3%、14.5%和18.2%。在分?jǐn)鄰椈蓜偠认禂?shù)為26.8 N/mm時(shí)，合閘力為53 N，隨著彈簧剛度系數(shù)增加至30、35和40 N/mm時(shí)，合閘力也增加到58、65和74 N，增幅分別為9.4%、22.6%和39.6%。

圖2 塑殼斷路器開(kāi)距-時(shí)間關(guān)系圖

通過(guò)仿真，獲得不同彈簧剛度系數(shù)條件下斷路器分閘時(shí)動(dòng)觸頭角速度-時(shí)間曲線，如圖3所示。隨著彈簧剛度系數(shù)增大，動(dòng)觸頭分閘時(shí)角速度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，相應(yīng)的分閘時(shí)間呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。仿真結(jié)果表明，彈簧剛度系數(shù)為30、35和40 N/mm時(shí)，動(dòng)觸頭達(dá)到最大開(kāi)距時(shí)間分別為3.6、3.4和3.1 ms，分別減少7.7%、12.8%和20.5%。

圖3（a） 斷路器動(dòng)觸頭合閘角速度

圖3（b） 斷路器動(dòng)觸頭分閘角速度

3 結(jié)語(yǔ)

利用ADAMS軟件建立塑殼斷路器的動(dòng)力學(xué)仿真模型，對(duì)斷路器操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行分閘合閘仿真，通過(guò)定義不同的彈簧剛度系數(shù)，分析其對(duì)操作機(jī)構(gòu)分合閘的影響。分析結(jié)果表明，增大彈簧剛度系數(shù)，雖然能減小分閘時(shí)間，但相應(yīng)的合閘時(shí)間和手動(dòng)合閘力都會(huì)增大，故單純通過(guò)提高彈簧剛度而增強(qiáng)斷路器的分?jǐn)嗄芰κ遣豢扇〉模瑧?yīng)該兼顧手動(dòng)合閘力的變化情況。通過(guò)ADAMS軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化，能夠減少產(chǎn)品研發(fā)周期，對(duì)產(chǎn)品所涉及的重要參數(shù)有指導(dǎo)性意義。

[1] 王澤濤, 遲長(zhǎng)春, 張夢(mèng)成, 等. 基于ADAMS的低壓塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 電工電氣, 2019(8).

[2] 王澤濤, 遲長(zhǎng)春, 張夢(mèng)成, 等. 塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件應(yīng)力仿真與優(yōu)化[J]. 上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào), 2019.

[3] 王澤濤, 遲長(zhǎng)春, 張夢(mèng)成, 等. 基于ADAMS的低壓塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 電工電氣, 2019(8).

[4] 張波, 陳德桂. 旋轉(zhuǎn)雙斷點(diǎn)塑殼斷路器機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)仿真與優(yōu)化[J]. 電器與能效管理技術(shù), 2007(13): 5-7.

Simulation of Operating Mechanism of Double-break Molded Case Circuit Breaker Based on ADAMS

Li Rui, Zhang Cheng, Sha Xingle, Kong Fanliang, Xu Kai

（1. Wuhan Institute of Marine Electrical Propulsion, Wuhan 4300064, China; 2. Wuhan Changhai Electrical Technology Development Co., Ltd., Wuhan 430064, China）

TM561

A

1003-4862(2021)04-0036-03

2020-09-22

李蕊（1993-），女，助理工程師。研究方向：空氣式直流開(kāi)斷技術(shù)研究。E-mail: 527495209@qq.com