■ 華北電力大學(xué)機(jī)械工程系 崔彥彬 車?yán)?/p>

0 前言

真空斷路器觸頭閉合時(shí)，為了縮短關(guān)合過程中的燃弧時(shí)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(huì)使觸頭之間產(chǎn)生拉弧，導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致能量損失，影響觸頭速度，使斷路器合閘特性變差。通過對(duì)碰撞阻尼的優(yōu)化，得到最佳阻尼值，從而實(shí)現(xiàn)觸頭材質(zhì)、結(jié)構(gòu)的最優(yōu)選取。[1]

虛擬樣機(jī)技術(shù)的顯著特點(diǎn)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?？梢栽贏DAMS軟件中，虛擬創(chuàng)建機(jī)構(gòu)的三維模型，仿真其運(yùn)動(dòng)、分析受力、優(yōu)化參數(shù)。我們應(yīng)用ADAMS軟件，創(chuàng)建開關(guān)觸頭三維模型，對(duì)其合閘過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)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(jī)構(gòu)簡介

真空斷路器滅弧室主要由動(dòng)、靜觸頭及其他輔助零件裝配而成。

文獻(xiàn)[2]提出了預(yù)振動(dòng)理論，并分析了預(yù)振動(dòng)產(chǎn)生的原因，指出預(yù)振動(dòng)不但使開距不按其預(yù)定規(guī)律減小，而且對(duì)合閘彈跳有直接的影響，對(duì)重燃也有一定的影響。為了消除預(yù)振動(dòng)，設(shè)計(jì)出一種新型結(jié)構(gòu)，即將緩沖彈簧安裝在靜端，動(dòng)端不加緩沖彈簧，這樣就減少了運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，自然消除了觸頭彈簧引起的預(yù)振動(dòng)。此結(jié)構(gòu)如圖1所示。

斷路器進(jìn)行合閘時(shí)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)動(dòng)導(dǎo)電桿運(yùn)動(dòng)，動(dòng)導(dǎo)電桿帶動(dòng)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)，動(dòng)觸頭與靜觸頭發(fā)生碰撞并貼合在一起。碰撞發(fā)生時(shí)，靜觸頭上的緩沖彈簧會(huì)吸收碰撞能量，減輕碰撞彈跳。

由于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)零件較多，且各零件運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同，直接對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析求解起來非常困難，為了能對(duì)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，需要將系統(tǒng)進(jìn)行等效轉(zhuǎn)化。斷路器動(dòng)靜觸頭發(fā)生碰撞時(shí)，其動(dòng)力學(xué)簡化模型可用下圖表示：

圖1 靜端安裝彈簧的結(jié)構(gòu)

圖2 碰撞模型示意圖

碰撞過程可描述為：在外來機(jī)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(yùn)動(dòng)。

根據(jù)動(dòng)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(dòng)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(shí)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(dá)到最佳的速度特性。

2 建立機(jī)構(gòu)三維模型

對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析首先要建立機(jī)械系統(tǒng)各零部件的三維實(shí)體模型，市面上的三維繪圖軟件種類很多，功能也很強(qiáng)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，導(dǎo)入ADAMS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(huì)導(dǎo)致圖形轉(zhuǎn)換時(shí)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(jī)即將定義完畢時(shí)，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(jìn)行重新定義[3]，所以導(dǎo)入工作非常繁瑣。由于斷路器觸頭的結(jié)構(gòu)不十分復(fù)雜，利用ADAMS軟件本身的三維建模功能也可實(shí)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(shè)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(yù)緊力。但是如果預(yù)緊力過小，將會(huì)增加觸頭合閘時(shí)的彈跳時(shí)間，影響斷路器長期工作溫升；如果預(yù)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(dòng)。彈簧預(yù)緊量的多少會(huì)影響預(yù)緊力的大小，本文通過設(shè)置緩沖彈簧預(yù)緊量的長度，來確定預(yù)緊力的大小。

結(jié)合斷路器實(shí)際結(jié)構(gòu)，對(duì)靜觸頭緩沖彈簧做如下設(shè)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(shè)置靜觸頭緩沖彈簧初始剛度為20N/mm.；對(duì)于碰撞阻尼我們?nèi)ハ到y(tǒng)默認(rèn)設(shè)置值10；測量的目標(biāo)曲線為動(dòng)靜觸頭標(biāo)記點(diǎn)間的相對(duì)位移。在此設(shè)置下對(duì)模型進(jìn)行仿真分析，得到如圖 4 所示曲線：

圖4 動(dòng)、靜觸頭相對(duì)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(yán)重。如果此時(shí)開關(guān)帶載，必然會(huì)產(chǎn)生高壓拉弧，損壞觸頭。說明此系數(shù)值的設(shè)置不太合理，需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。

3.2 設(shè)計(jì)分析

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

(2)設(shè)置目標(biāo)函數(shù) 由于我們測量的是動(dòng)靜觸頭之間的相對(duì)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(biāo)。即，目標(biāo)曲線平均值為最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的彈簧剛度為最佳剛度。

（3）設(shè)計(jì)分析結(jié)果

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

從設(shè)計(jì)報(bào)告中我們可以看出，當(dāng)彈簧剛度在87.143時(shí)，動(dòng)、靜觸頭平均位移最小，即彈簧剛度在此時(shí)比較接近最佳剛度值。

同理，我們對(duì)碰撞阻尼進(jìn)行設(shè)置。將碰撞阻尼系數(shù)設(shè)置為變量（DV_2）。以0為初始值，絕對(duì)值變化方式，變化范圍為0～100。在此設(shè)置下對(duì)變量DV_2進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 剛度設(shè)計(jì)分析報(bào)告

圖6 碰撞阻尼設(shè)計(jì)分析報(bào)告

從圖6 的碰撞阻尼分析報(bào)告我們可以看出，當(dāng) 阻尼值為42.857時(shí)，目標(biāo)曲線平均位移值為最小。

彈簧剛度設(shè)計(jì)分析報(bào)告是在碰撞阻尼為一定值的情況下取得的，碰撞阻尼設(shè)計(jì)分析報(bào)告是在彈簧剛度不變的情況下得到的。而實(shí)際情況是彈簧剛度和碰撞阻尼同時(shí)作用，因此我們要對(duì)兩變量同時(shí)變化的情況進(jìn)行試驗(yàn)分析。

3.3 細(xì)化模型

根據(jù)彈簧剛度和碰撞阻尼的分析報(bào)告，對(duì)剛度值和阻尼系數(shù)值進(jìn)行細(xì)化，以便得到更加精確的剛度值。首先改變設(shè)計(jì)變量的取值范圍，彈簧剛度87.143為基準(zhǔn)點(diǎn)，阻尼系數(shù)以42.857為基準(zhǔn)點(diǎn)，選百分比的變化方式，變化范圍取±10%。按照以上設(shè)置進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)分析，得到的分析報(bào)告如圖7所示：

圖7 兩變量試驗(yàn)分析報(bào)告

由試驗(yàn)分析結(jié)果可以看出：當(dāng)彈簧剛度和碰撞阻尼兩變量同時(shí)變化時(shí)，彈簧剛度為95.867；碰撞阻尼為38.575時(shí)，目標(biāo)函數(shù)值最小，將這兩個(gè)值代入樣機(jī)模型，進(jìn)行仿真分析，得到合閘特性曲線，如圖8所示：

圖8 細(xì)化后的合閘曲線

圖8 曲線的結(jié)果表明，動(dòng)、靜觸頭只在剛合位置時(shí)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(gè)變量值是比較合適的。

4 結(jié)語

動(dòng)端不加緩沖彈簧，機(jī)構(gòu)為剛性，這樣可以有效地消除預(yù)振動(dòng)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(jī)構(gòu)的振動(dòng)，增強(qiáng)機(jī)構(gòu)可靠性。對(duì)機(jī)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)作用。

傳統(tǒng)的試驗(yàn)法不僅費(fèi)時(shí)，還要消耗大量的財(cái)力和物力，所得結(jié)果一般也不會(huì)為最佳值。運(yùn)用虛擬樣機(jī)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(jìn)行多次的分析和試驗(yàn)，根據(jù)結(jié)果優(yōu)化機(jī)構(gòu)參數(shù)，高效快速地實(shí)現(xiàn)理想方案。

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

[2]苑舜.真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的仿真模型[J].機(jī)械，2002（29）：153-154.

[4]李軍，邢俊文，覃文浩等.ADAMS實(shí)例教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002

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