李 蕊，章 程，沙新樂，孔凡良，徐 凱

應(yīng)用研究

基于ADAMS的雙斷點塑殼斷路器操作機構(gòu)的仿真

李 蕊1，章 程1，沙新樂1，孔凡良2，徐 凱1

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

為提高某型低壓塑殼斷路器分斷能力，基于creo 2.0輔助設(shè)計平臺建立雙斷點塑殼斷路器操作機構(gòu)的三維模型，通過ADMAS仿真平臺建立約束類型和運動副等運動關(guān)系，對其進行了動力學(xué)仿真。研究分斷彈簧剛度對斷路器分合閘動作時間的影響，為新一代塑殼斷路器操作機構(gòu)的優(yōu)化提供參考。

塑殼斷路器 雙斷點 分斷能力 動力學(xué)

0 引言

低壓斷路器是低壓配電線路的重要組成部分,對配電系統(tǒng)的安全運行起著至關(guān)重要的作用[1,2]。操作機構(gòu)是低壓斷路器的關(guān)鍵機械結(jié)構(gòu)，通過操作手柄和各種脫扣方式完成動靜觸頭間分、合閘動作，直接關(guān)系到斷路器的分斷能力。為提高斷路器短路分斷時的限流能力，需要保證短路分斷過程中短路電流未到達極限值時短路電弧能熄滅，需要提高動觸頭的分閘速度，縮短斥開時間[3]。提高低壓斷路器的分斷速度，能在動靜觸頭分開時使電弧電壓快速升高，有利于減小電弧停滯時間和減小觸頭燒蝕程度，能夠使電弧快速進入滅弧室熄滅[4]。

如今，虛擬樣機技術(shù)在低壓斷路器的設(shè)計領(lǐng)域被廣泛的運用。相比研究周期長，花費大的傳統(tǒng)設(shè)計方法，虛擬樣機技術(shù)設(shè)計方法能縮短開發(fā)周期，明顯降低前期成本并提高產(chǎn)品質(zhì)量。本文基于虛擬樣機技術(shù)ADAMS軟件平臺，創(chuàng)建了額定電流為100 A的雙斷點塑殼斷路器的操作機構(gòu)動力學(xué)模型，并進行仿真。在此基礎(chǔ)上，研究分斷彈簧剛度對斷路器分合閘動作時間的影響，為新一代塑殼斷路器操作機構(gòu)的優(yōu)化提供參考。

1 雙斷點斷路器操作機構(gòu)的動力學(xué)模型建立

操作機構(gòu)三維模型在creo 2.0三維輔助設(shè)計平臺上建立，主要由連桿機構(gòu)組成，因為接觸類型包括旋轉(zhuǎn)副、碰撞、固定等，故需要精準建模。模型尺寸要與實體幾何構(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)動慣量等基本與實際構(gòu)件一致，仿真測試結(jié)果可靠性可根據(jù)實際測試結(jié)果進行對比。

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

圖1(a) 動力學(xué)仿真三維模型

圖1(b) 操作機構(gòu)簡化模型

低壓塑殼斷路器的操作機構(gòu)是五連桿機構(gòu)。由橋型觸頭f、下連桿g、上連桿h、跳扣k、鎖扣m、操作手柄及分斷彈簧組成。如圖1(b)所示，操作機構(gòu)處于分閘位置，跳扣k被鎖扣m限位，C點固定不動。當(dāng)手柄繞著O2點逆時針轉(zhuǎn)動，分斷彈簧被拉長，水平方向彈簧力分量使上連桿h繞著C點轉(zhuǎn)動的同時，下連桿g帶著橋型觸頭f繞著O1點旋轉(zhuǎn)，上連桿h和下連桿g之間夾角開始增大，當(dāng)上下連桿呈直線處于死點位置時，動靜觸頭完全閉合，操作機構(gòu)處于穩(wěn)定靜止?fàn)顟B(tài)。隨著手動分閘，操作手柄繞著O2點順時針轉(zhuǎn)動，隨著分斷彈簧的彈簧力作用方向與上連桿位置錯開，在彈簧力水平分量的作用下，上下連桿脫離死點位置，下連桿帶動橋型觸頭繞O1點轉(zhuǎn)動，使其從合閘位置轉(zhuǎn)動至分閘位置。操作機構(gòu)短路分閘是因為，當(dāng)短路電流使鎖扣m順時針轉(zhuǎn)動，分斷彈簧釋放儲能，跳扣k繞O3逆時針轉(zhuǎn)動，此時C點為活動點，連桿脫離死點位，動靜觸頭分開，操作機構(gòu)再次成為五連桿機構(gòu)。由于五連桿機構(gòu)有2個自由度，觸頭繼續(xù)分斷與手柄位置無關(guān)，機構(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，形成沒有約束的幾何模型。在ADAMS操作頁面，對模型進行簡化并對所有零件賦予材料定義，根據(jù)樣機操作機構(gòu)運動情況，對模型的接觸、連接、約束等條件進行設(shè)置。本文建立的動力學(xué)仿真模型包含27個零件，定義28個約束（10個轉(zhuǎn)動副和18個固定副），15個作用力（9個接觸力，3個彈簧力，2個驅(qū)動力及1個重力）。

2 分斷彈簧剛度對分斷能力的影響·

2.1 模型驗證

根據(jù)建立的動力學(xué)仿真模型，初期分析了動觸頭分合閘開距與時間的關(guān)系，并與通過高速攝影機捕捉到的實際樣機分合閘時間進行誤差分析。動力學(xué)仿真模型中分斷彈簧的彈簧剛度與樣機中分斷彈簧的彈簧剛度相同，=26.8 N/mm。

根據(jù)圖2觸頭分合閘開距-時間仿真曲線來看，動觸頭初始位置為分閘位，當(dāng)受力開始合閘，曲線出現(xiàn)拐點a，直至到達拐點b時開距為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)仿真曲線測得分合閘時間，與實際樣機分合閘時間相比，誤差分別為2.5%和5.2%。這是因為仿真模型施加的載荷是彈簧力、接觸力以及手動合閘力，而實際樣機中斷路器主要載荷為彈簧力、電動力、摩擦力、觸頭壓力、緩沖力等，故仿真分合閘時間測量值小于實際分合閘時間測量值。

表1 仿真分合閘時間與實際分合閘時間分析

2.2 分斷彈簧剛度對分合閘速度的影響

分斷彈簧剛度是影響短路分斷速度的主要因素之一，在統(tǒng)一的動力學(xué)模型仿真條件下，通過修改彈簧剛度系數(shù)研究分合閘時間及動觸頭角速度變化。如圖2所示，隨著彈簧剛度系數(shù)增大，動觸頭的角速度也隨之增大，速度-時間仿真曲線出現(xiàn)后移現(xiàn)象，說明手動合閘力也隨彈簧剛度增加而增加。仿真結(jié)果表明，分斷彈簧剛度系數(shù)為30、35和40 N/mm時，動觸頭完全合閘所用時間分別為5.1、4.7和4.5 ms，動觸頭到達最小開距時間減小了7.3%、14.5%和18.2%。在分斷彈簧剛度系數(shù)為26.8 N/mm時，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，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 塑殼斷路器開距-時間關(guān)系圖

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

圖3（a） 斷路器動觸頭合閘角速度

圖3（b） 斷路器動觸頭分閘角速度

3 結(jié)語

利用ADAMS軟件建立塑殼斷路器的動力學(xué)仿真模型，對斷路器操作機構(gòu)進行分閘合閘仿真，通過定義不同的彈簧剛度系數(shù)，分析其對操作機構(gòu)分合閘的影響。分析結(jié)果表明，增大彈簧剛度系數(shù)，雖然能減小分閘時間，但相應(yīng)的合閘時間和手動合閘力都會增大，故單純通過提高彈簧剛度而增強斷路器的分斷能力是不可取的，應(yīng)該兼顧手動合閘力的變化情況。通過ADAMS軟件進行仿真優(yōu)化，能夠減少產(chǎn)品研發(fā)周期，對產(chǎn)品所涉及的重要參數(shù)有指導(dǎo)性意義。

[1] 王澤濤, 遲長春, 張夢成, 等. 基于ADAMS的低壓塑殼斷路器操作機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J]. 電工電氣, 2019(8).

[2] 王澤濤, 遲長春, 張夢成, 等. 塑殼斷路器操作機構(gòu)關(guān)鍵部件應(yīng)力仿真與優(yōu)化[J]. 上海電機學(xué)院學(xué)報, 2019.

[3] 王澤濤, 遲長春, 張夢成, 等. 基于ADAMS的低壓塑殼斷路器操作機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J]. 電工電氣, 2019(8).

[4] 張波, 陳德桂. 旋轉(zhuǎn)雙斷點塑殼斷路器機構(gòu)的動態(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：空氣式直流開斷技術(shù)研究。E-mail: 527495209@qq.com