黃克鵬，王發(fā)展，趙明基，李亞峰，區(qū)達(dá)銓

(1. 西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710055；2. ABB新會(huì)低壓開關(guān)有限公司，廣東 江門 529000)

交流接觸器是一種廣泛使用的低壓電氣開關(guān)，隨著電氣產(chǎn)品的發(fā)展，對(duì)接觸器的性能指標(biāo)要求也越高。接觸器通電時(shí)，動(dòng)靜觸頭產(chǎn)生的碰撞彈跳現(xiàn)象引起電弧對(duì)觸頭的燒蝕作用會(huì)降低接觸器的電壽命[1-2]。故準(zhǔn)確分析并掌握其動(dòng)態(tài)特性變化規(guī)律，有效減少和抑制觸頭彈跳，對(duì)于交流接觸器的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的意義[3-4]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)交流接觸器進(jìn)行了大量的研究和優(yōu)化工作。在文獻(xiàn)[5-8]中，作者通過可控電磁反力，對(duì)交流接觸器進(jìn)行了仿真分析，得到了部分有益結(jié)果。文獻(xiàn)[9-12]基于ANSYS有限元法，對(duì)合閘過程中的電磁力進(jìn)行了仿真分析，但并未考慮摩擦和碰撞阻尼的影響。文獻(xiàn)[13-14]的作者建立接觸器數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行合閘過程的動(dòng)態(tài)分析，但有關(guān)觸頭碰撞前后的彈跳研究較少。文獻(xiàn)[15]運(yùn)用遺傳算法對(duì)接觸器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，但該文采用了均勻磁場來模擬電磁吸力，對(duì)模型做了大量簡化，使得誤差偏大。文獻(xiàn)[16-18]利用ADAMS軟件建立交流接觸器的三維動(dòng)態(tài)仿真模型，分析了觸頭彈跳的相關(guān)影響因素，由于對(duì)電磁力進(jìn)行了大量線性化處理，使得仿真結(jié)果不能準(zhǔn)確反映觸頭彈跳過程。

綜上所述，國內(nèi)外少有結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)本身考慮的觸頭彈跳問題，由于觸頭彈跳也是觸頭系統(tǒng)的振動(dòng)過程，筆者通過接觸器觸頭彈跳行為規(guī)律，將ADAMS軟件與遺傳算法相結(jié)合，對(duì)觸頭系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 接觸器觸頭模型建立與規(guī)律分析

交流接觸器由觸頭系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)和觸頭支架3部分組成(見圖1)。接觸器工作時(shí)，先給電磁線圈通電，當(dāng)電磁力大于反力彈簧作用力時(shí)，動(dòng)鐵芯通過觸頭支架使動(dòng)觸頭向下運(yùn)動(dòng)，由于動(dòng)靜觸頭間距小于動(dòng)靜鐵芯間距，使得動(dòng)觸頭先于動(dòng)鐵芯發(fā)生撞擊和彈跳。此時(shí)動(dòng)鐵芯繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，直至動(dòng)靜鐵芯發(fā)生碰撞[19]。

圖1 交流接觸器結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Schematic diagram of the AC contactor

觸頭彈跳引起的機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象存在于交流接觸器整個(gè)工作過程中，由于動(dòng)、靜觸頭以及動(dòng)、靜鐵芯間的碰撞接觸均具有間斷特征，使交流接觸器的動(dòng)力學(xué)特性出現(xiàn)不連續(xù)性現(xiàn)象。其運(yùn)動(dòng)模型如圖2所示。

圖2 交流接觸器運(yùn)動(dòng)模型Fig. 2 Motion model of AC contactor

設(shè)m1、m2分別為動(dòng)鐵芯和動(dòng)觸頭質(zhì)量；x1、x2分別為動(dòng)鐵芯和動(dòng)觸頭位移；c1、c2分別為電磁機(jī)構(gòu)和觸頭系統(tǒng)等效阻尼；k1、k2分別為反力彈簧和觸頭彈簧剛度系數(shù)；Fx為電磁力；pi、pc分別為觸頭以及鐵芯碰撞時(shí)的接觸力。

接觸器合閘運(yùn)動(dòng)過程中，考慮動(dòng)靜觸頭碰撞接觸力pi，動(dòng)靜鐵芯碰撞接觸力pc。其運(yùn)動(dòng)微分方程分別為

(1)

電磁力作為整個(gè)電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)力來源，計(jì)算的準(zhǔn)確程度會(huì)對(duì)整個(gè)裝置的運(yùn)動(dòng)過程產(chǎn)生很大影響，為了確保電磁力計(jì)算的準(zhǔn)確性，本文中采用的電磁鐵動(dòng)態(tài)吸力公式為

(2)

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率，S為磁路截面積，k為漏磁系數(shù)，δ為氣息長度，N為線圈匝數(shù)，i為電流。

為進(jìn)一步分析接觸器二自由度分段耦合系統(tǒng)中影響因素，假定系統(tǒng)的激勵(lì)為簡諧形式，即Fx=F0sinωt(其中，F(xiàn)0為幅值，ω為頻率)。由于碰撞接觸力較小，在求解過程中可忽略不計(jì)，故將接觸器的實(shí)際運(yùn)行過程可以等效為如圖3所示的兩階段。

圖3 分段簡化模型Fig. 3 Piecewise simplified model

階段1，當(dāng)動(dòng)靜觸頭和動(dòng)靜鐵芯均未發(fā)生接觸時(shí)，動(dòng)觸頭與動(dòng)鐵芯由于通過觸頭支架相連，所以共同向下運(yùn)動(dòng)。如圖3(a)所示，其方程可表示為

(3)

假設(shè)其解的形式為xj(t)=Xjeiωt,j=1,2；帶入式(3)后可求得穩(wěn)態(tài)解的振幅為

(4)

(5)

階段2，當(dāng)動(dòng)靜觸頭接觸，動(dòng)靜鐵芯未接觸時(shí)，此時(shí)動(dòng)觸頭和動(dòng)鐵芯分離，只有動(dòng)鐵芯向下運(yùn)動(dòng)，如圖3(b)所示，假設(shè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)是簡諧的，即x1(t)=F0sinωt；通過定義相對(duì)位移x：x=x2-x1；其方程可表示為

(6)

由此可以得出穩(wěn)態(tài)解的振幅為

(7)

以ABB公司A9-30-10型電磁接觸器為例，將各項(xiàng)參數(shù)帶入到上述方程中求解，表1給出了各項(xiàng)參數(shù)值。

表1 接觸器結(jié)構(gòu)參數(shù)表

求解結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，動(dòng)觸頭從開始移動(dòng)到發(fā)生初次碰撞的時(shí)間為0.019 0 s，其碰撞瞬間速度為1.293 m/s，在0.021 9 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定合閘狀態(tài)；動(dòng)鐵芯在0.019 7 s發(fā)生初次碰撞，其碰撞瞬間速度為1.687 mm/s，在0.021 1 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定接觸。對(duì)比可知：動(dòng)觸頭開始彈跳時(shí)間早于動(dòng)鐵芯，這是由于動(dòng)靜觸頭距離小于動(dòng)靜鐵芯距離，導(dǎo)致動(dòng)觸頭先于動(dòng)鐵芯發(fā)生撞擊和彈跳。

圖4 觸頭和鐵芯彈跳響應(yīng)曲線Fig. 4 Bounce response curve of contact and core

由動(dòng)鐵芯位移曲線可知，動(dòng)鐵芯的彈跳次數(shù)和最大位移均小于動(dòng)觸頭，這是由于動(dòng)鐵芯撞擊時(shí)接觸面積較大，在彈跳過程中受到電磁力作用，且動(dòng)鐵芯質(zhì)量較大，進(jìn)一步阻止了動(dòng)鐵芯的彈跳，使得其彈跳次數(shù)和時(shí)間遠(yuǎn)小于動(dòng)觸頭。分析可知，觸頭初次碰撞時(shí)的最大位移較小，其碰撞時(shí)的最大位移出現(xiàn)于動(dòng)鐵芯初次撞擊時(shí)刻，這是由于動(dòng)靜鐵芯的碰撞進(jìn)一步加劇了觸頭彈跳，使得其彈跳最大位移增加。

2 仿真模型的建立

2.1 電磁力ANSYS仿真

在實(shí)際電磁力計(jì)算中，由于線圈中的交變電流產(chǎn)生磁場，動(dòng)鐵芯的運(yùn)動(dòng)又會(huì)在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，使得線圈中磁場分布變得非常復(fù)雜，以往研究者多采用簡化算法，通過公式直接計(jì)算電磁力，使得計(jì)算量較大且精度偏低。

利用多物理場分析軟件ANSYS，對(duì)動(dòng)靜鐵芯間的電磁力進(jìn)行仿真計(jì)算。有限元仿真分析遵循靜態(tài)電磁場原理，不存在時(shí)變效應(yīng)。通過對(duì)物體表面的麥克斯韋電磁應(yīng)力張量進(jìn)行表面積分，可獲得靜態(tài)場條件下作用在物體上的電磁力。ANSYS有限元分析軟件建立了交流接觸器有限元模型，然后利用SOURC36單元?jiǎng)?chuàng)建了3D跑道型線圈，線圈匝數(shù)設(shè)置為1 600閘，施加了磁力線邊界條件，仿真得到的電磁力曲線如圖5所示。

圖5 電磁力仿真Fig. 5 Electromagnetic force simulation

由圖5可知交流接觸器的電磁吸力隨著動(dòng)鐵芯位移的增大而增大。當(dāng)電磁系統(tǒng)中其他參數(shù)一定時(shí)，由式(2)可知，線圈匝數(shù)N的增大使得電磁吸力Fx增大，過大的電磁吸力使得鐵芯碰撞速度快，導(dǎo)致碰撞加劇。當(dāng)線圈匝數(shù)較小時(shí)，電磁力又不能保證接觸器快速合閘、穩(wěn)定吸合，電磁吸力大小與線圈匝數(shù)N的圈數(shù)成正比關(guān)系。

2.2 接觸器ADAMS模型建立

根據(jù)ABB公司A9-30-10型電磁接觸器為參考，采用ADAMS動(dòng)力學(xué)分析軟件對(duì)交流接觸器合閘全過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。運(yùn)用二元函數(shù)插值法，將上述ANSYS仿真得到離散的磁鏈和電磁吸力數(shù)據(jù)用樣條函數(shù)的方法輸入到ADAMS中。通過插值法迭代的方式對(duì)函數(shù)值進(jìn)行求解，并將求解結(jié)果作為交流接觸器機(jī)械模型的驅(qū)動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)交流接觸器動(dòng)態(tài)合閘過程的仿真。

為了提高計(jì)算精度，仿真過程中還考慮了碰撞阻尼和摩擦力等因素的影響。對(duì)靜鐵芯和靜觸頭施加固定副，動(dòng)鐵芯和動(dòng)觸頭施加移動(dòng)副，對(duì)動(dòng)靜觸頭以及動(dòng)靜鐵芯接觸面均施加接觸副，設(shè)置模型中各個(gè)部件的結(jié)合參數(shù)與材料屬性，仿真時(shí)長為0.035 s，以步長500步進(jìn)行動(dòng)態(tài)合閘仿真。ADMAS中的仿真模型如圖6所示。

圖6 接觸器仿真模型Fig. 6 Contactor simulation model

3 改進(jìn)型遺傳算法

3.1 遺傳算法

遺傳算法(genetic algorithm，GA)是一種仿照生物遺傳和進(jìn)化的算法，其本質(zhì)是根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)值來評(píng)價(jià)問題解的優(yōu)劣，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)解空間的搜索。GA具有強(qiáng)魯棒性和高效的全局搜索能力，目前已被成功運(yùn)用于解決多峰值、非線性、高復(fù)雜度等工程實(shí)際。GA可以用一個(gè)五維向量組來描述，即

XGA=[Npop,Ngen,P,feval,fset]，

(8)

式中：Npop為種群規(guī)模，Ngen為迭代次數(shù)，p為遺傳算子(交叉pk和變異pz)，feval為適應(yīng)度函數(shù)，fsel表示再生選擇規(guī)則。

由于GA早熟收斂和算法參數(shù)敏感，使得算法進(jìn)化后期搜索效率較低，并且GA需要人為設(shè)定3個(gè)遺傳參數(shù)，即所選群體的大小n、交叉概率pk與變異概率pz)。Sriniva等因此首次提出AGA算法，該算法可使得交叉變異概率實(shí)現(xiàn)適應(yīng)度值動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而獲取適合當(dāng)前個(gè)體的最佳交叉變異概率，使搜索能力和效率大幅提高。

3.2 改進(jìn)的自適應(yīng)遺傳算法

3.2.1 群體生成與子代產(chǎn)生機(jī)制

采用解空間的均勻采樣法，先在解空間中隨機(jī)均勻生成一定數(shù)目的個(gè)體，按照適應(yīng)度值的大小進(jìn)行排序，挑選出優(yōu)秀個(gè)體組成初始群體。

遺傳算法主要通過選擇、交叉和變異等操作來產(chǎn)生子代個(gè)體，但經(jīng)過這些操作產(chǎn)生的子代并不一定優(yōu)于父代中的個(gè)體，會(huì)造成父代中優(yōu)良個(gè)體的丟失。因此，對(duì)子代產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，將子代群體的產(chǎn)生分成3部分：首先采用精英保持策略，將父代群體中前10%的優(yōu)良個(gè)體直接保持到子代，使得父代中的最優(yōu)解可不被交叉和變異破壞；其次采用隨機(jī)生成方式，產(chǎn)生10%的子代個(gè)體，補(bǔ)充種群中基因型的多樣性；第三部分采用選擇、交叉、變異產(chǎn)生剩余子代的80%；最后采用該方法可使群體中優(yōu)良個(gè)體得以保存，同時(shí)增加和維持了群體的多樣性。

3.2.2 算子改進(jìn)機(jī)制

AGA對(duì)傳統(tǒng)GA中的交叉變異概率進(jìn)行了改進(jìn)，使交叉變異概率不再是人為設(shè)定的固定值，而是可以隨著種群中個(gè)體的相似度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。當(dāng)種群中父代個(gè)體相似度較高時(shí)，執(zhí)行交叉操作就很難產(chǎn)生新的個(gè)體，可以有效避免局部最優(yōu)的情況，抑制早熟收斂現(xiàn)象的發(fā)生；當(dāng)種群中個(gè)體的相似度較低時(shí)，說明此時(shí)種群多樣性較高，可以防止種群中的優(yōu)良基因結(jié)構(gòu)遭到破壞。

AGA算法中交叉變異概率的值是個(gè)體適應(yīng)度和最大適應(yīng)度的差值成正比關(guān)系，最大適應(yīng)度與平均適應(yīng)度的差值成反比關(guān)系，當(dāng)群體中某個(gè)體適應(yīng)度值與該代中個(gè)體最大適應(yīng)度值相等時(shí)，將導(dǎo)致交叉變異概率為零，使優(yōu)化問題早熟[20]。AGA算法使得交叉概率和變異概率可以根據(jù)個(gè)體適應(yīng)度取到合理的值。具體計(jì)算公式為

(9)

(10)

式中：f為個(gè)體的適應(yīng)度值，fmax為群體中最大適應(yīng)度值，fmin為群體中最小適應(yīng)度值，favg為群體平均適應(yīng)度值，其中pk1>pk2>pk3∈(0,1)，pz1>pz2>pz3∈(0,1)。

3.3 設(shè)計(jì)變量及約束條件

影響觸頭彈跳的主要因素包括動(dòng)觸頭m1、動(dòng)鐵芯m2、動(dòng)鐵芯位移x1、動(dòng)觸頭位移x2、觸頭彈簧剛度系數(shù)k1、反力彈簧剛度系數(shù)k2、觸頭系統(tǒng)等效阻尼c1、電磁機(jī)構(gòu)等效阻尼c2、電磁力Fx(可用線圈匝數(shù)N代替)。

因此選取對(duì)觸頭彈跳影響的9個(gè)參數(shù)作為此次接觸器的優(yōu)化變量，具體公式為

X=[m1,m2,x1,x2,c1,c2,k1,k2,N]T，

(11)

為了保證算法能得到可靠合理的解，必須對(duì)交流接觸器模型各設(shè)計(jì)變量施加約束條件。具體數(shù)值及變化范圍如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)變量原始值及其變化范圍

3.4 目標(biāo)函數(shù)及適應(yīng)度函數(shù)

在保證交流接觸器正常工作的前提下，以觸頭合閘和觸頭彈跳時(shí)間作為優(yōu)化目標(biāo)，則此次接觸器優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為

minf(X)=[T(X),ΔT(X)]T，

(12)

式中：T(X)為觸頭合閘時(shí)間，ΔT(X)為觸頭彈跳時(shí)間。

當(dāng)接觸器運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行函數(shù)為f(X)，具體表達(dá)式為

f(X)=step(x,x0,h0,x1,h1)，

(13)

式中step為ADAMS自帶函數(shù)。

將以上各個(gè)單項(xiàng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)按照線性加權(quán)的方法，統(tǒng)一成如下綜合目標(biāo)的適應(yīng)度函數(shù)

(14)

式中，w1+w2=1。其中w1、w2為目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)因子，T0、ΔT0為優(yōu)化前的各目標(biāo)函數(shù)的值。

3.5 算法優(yōu)化流程

針對(duì)交流接觸器中的觸頭質(zhì)量、鐵芯質(zhì)量、觸頭彈簧以及電磁線圈匝數(shù)等參數(shù)優(yōu)化，算法流程如圖7所示。

圖7 改進(jìn)遺傳算法流程圖Fig. 7 AGA algorithm flow chart

STEP1：設(shè)定改進(jìn)自適應(yīng)遺傳算法的初始參數(shù)，包括編碼類型、初始種群大小、遺傳迭代數(shù)和交叉變異概率等初始參量。

STEP2：采用解空間均勻采樣法，均勻隨機(jī)生成初始種群池，挑選初始種群。

STEP3：對(duì)初始種群進(jìn)行適應(yīng)度計(jì)算，首先采用精英保持策略，將初始種群中前10%優(yōu)秀個(gè)體直接保持到子代。其次判斷種群是否滿足收斂條件。若滿足，輸出結(jié)果，否則執(zhí)行STEP4。

STEP4：進(jìn)行遺傳操作，選擇80%的父代個(gè)體，根據(jù)群體中個(gè)體適應(yīng)度值，計(jì)算個(gè)體的交叉變異概率，進(jìn)行交叉和變異操作。

STEP5：將采用精英保持策略，隨機(jī)生成機(jī)制，運(yùn)用選擇、交叉和變異操作產(chǎn)生的個(gè)體構(gòu)成新的子代種群。

STEP6：判斷種群遺傳代數(shù)是否超過設(shè)定值，若是，輸出結(jié)果，否則遺傳代數(shù)加1，返回STEP3。

4 基于AGA算法的接觸器優(yōu)化

4.1 遺傳算法程序在ADAMS中的動(dòng)態(tài)鏈接

使用C語言編寫遺傳算法代碼，利用VC++6.0調(diào)試器編譯添加程序生成動(dòng)態(tài)鏈接庫文件，實(shí)現(xiàn)對(duì)自編譯的算法的注冊(cè)。通過設(shè)置“USER1”接口，將遺傳算法添加到ADAMS中。經(jīng)過算法優(yōu)化后，將新獲得的參數(shù)供ADAMS/View調(diào)用。

4.2 優(yōu)化結(jié)果及分析

在ADAMS/View的菜單欄中，選擇“Simulate”中的“Design Evaluation Tools”選項(xiàng)，然后選擇“Optimizer”，進(jìn)入到“求解器設(shè)置”對(duì)話框中的“Algorithm”選擇用戶自定義的“USER1”接口，對(duì)樣機(jī)模型進(jìn)行優(yōu)化。

圖8為遺傳算法優(yōu)化前觸頭彈跳曲線。從圖8可以看出優(yōu)化前接觸器動(dòng)觸頭從通電到初次合閘所需時(shí)間為19.71 ms，其彈跳過程中的最大位移為0.284 1 mm，碰撞瞬間速度為1.293 m/s，彈跳的總時(shí)間為2.9 ms，動(dòng)觸頭彈跳4次后慢慢趨于穩(wěn)定，由于動(dòng)靜觸頭之間存在Hertz接觸，故彈跳曲線向后延伸了一小段。動(dòng)鐵芯于20.8 ms時(shí)發(fā)生初次碰撞，其彈跳過程中的最大位移為0.124 1 mm，彈跳的總時(shí)間為1.7 ms，碰撞瞬間速度為1.687 mm/s，在0.021 9 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定合閘狀態(tài)，動(dòng)鐵芯彈跳2次后即達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9為遺傳算法優(yōu)化后觸頭彈跳曲線。從圖9中可以看到優(yōu)化后動(dòng)觸頭微小彈跳就達(dá)到了穩(wěn)定合閘狀態(tài)，動(dòng)鐵芯并未發(fā)生明顯彈跳，碰撞瞬間為1.187 mm/s；動(dòng)觸頭合閘所需時(shí)間為23.32 ms，動(dòng)觸頭碰撞瞬間速度為1.352 mm/s，其彈跳過程中的最大位移為0.021 2 mm，觸頭彈跳總時(shí)間為0.32 ms。對(duì)比圖8可知，通過遺傳算法優(yōu)化后，接觸器動(dòng)觸頭彈跳總時(shí)間降低了89%，最大位移降低了93%，碰撞瞬間速度為降低了8.9%；動(dòng)鐵芯彈跳總時(shí)間降低了95%，最大位移降低了83%，碰撞速度降低了19.9%，接觸器整體性能得到了大幅提高。

圖8 遺傳算法優(yōu)化前觸頭彈跳曲線Fig. 8 Contact bounce curve before optimization of genetic algorithm

圖9 遺傳算法優(yōu)化后觸頭彈跳曲線Fig. 9 Contact bounce curve after optimization of genetic algorithm

接觸器優(yōu)化前后的各項(xiàng)參數(shù)如表3所示，由表3中優(yōu)化前后對(duì)比可知，顯然優(yōu)化后動(dòng)鐵芯質(zhì)量減小，動(dòng)觸頭質(zhì)量增加；動(dòng)鐵芯和動(dòng)觸頭位移均減??；電磁機(jī)構(gòu)和觸頭系統(tǒng)等效阻尼均增大；反力彈簧和觸頭彈簧剛度系數(shù)均增大；線圈匝數(shù)減小，即電磁力減小，樣機(jī)動(dòng)態(tài)特性得到了大幅提高。

表3 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果對(duì)比表

5 實(shí)驗(yàn)及對(duì)比

本實(shí)驗(yàn)依托ABB江門公司實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行驗(yàn)證。首先，將優(yōu)化后的模型參數(shù)按1 ∶1進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)，其生產(chǎn)過程中，觸頭所用材料為AgNi15，觸橋所用材料為CuZn15，鐵芯所用材料為50W600。為了精確測量并標(biāo)記觸頭彈跳過程的動(dòng)觸頭位移變化，使用Ke-Yence的LK-G150型激光位移器對(duì)上述電磁接觸器的一組觸頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。激光位移器能夠?qū)崿F(xiàn)位移數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。為了充分掌握接觸器運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，激光位移器需一直處于實(shí)時(shí)監(jiān)測狀態(tài)。在測試過程中，讓其位移傳感器放置在接觸器的正上方，感測頭垂直對(duì)準(zhǔn)該主觸頭進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)記。平臺(tái)主要布置如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)布置圖Fig. 10 Layout of experimental platform

實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)由電腦直接記錄，將Excel表格數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB中進(jìn)行1.2準(zhǔn)則壞點(diǎn)剔除、間隔取樣值和散點(diǎn)函數(shù)曲線擬合。將標(biāo)定取得的觸頭彈跳過程位移曲線與仿真得到的曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖11所示。

圖11 理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖Fig. 11 Comparison of simulation and experimental results

由圖11可知，仿真曲線設(shè)定實(shí)驗(yàn)測得交流接觸器動(dòng)觸頭穩(wěn)定閉合時(shí)間為19.71 ms，彈跳過程中的最大位移為0.284 1 mm；實(shí)驗(yàn)得到的交流接觸器動(dòng)觸頭穩(wěn)定閉合時(shí)間為19.90 ms，彈跳過程中的最大位移為0.280 2 mm；得到：1)觸頭合閘時(shí)間誤差為0.96%；2)彈跳時(shí)間誤差為1.37%，且對(duì)于觸頭彈跳總時(shí)間和接觸器合閘閉合時(shí)間的實(shí)驗(yàn)與理論相差都在2%以下，由此證明了該計(jì)算方法完全適用于交流接觸器彈跳特性的計(jì)算和分析。

6 結(jié) 論

通過對(duì)觸頭系統(tǒng)二自由度分段耦合微分方程進(jìn)行化簡求值，對(duì)接觸器觸頭彈跳行為規(guī)律進(jìn)行分析，利用ADAMS提供的接口，在ADAMS/View實(shí)現(xiàn)了遺傳算法程序的調(diào)用。進(jìn)而得出以下結(jié)論：

1)動(dòng)觸頭開始彈跳時(shí)間略早于動(dòng)鐵芯，動(dòng)觸頭彈跳的次數(shù)和最大位移均大于動(dòng)鐵芯，觸頭初次碰撞時(shí)的最大位移較小，其碰撞時(shí)的最大位移出現(xiàn)于動(dòng)鐵芯初次撞擊時(shí)刻。

2)通過AGA型算法優(yōu)化后，接觸器合閘所需時(shí)間為23.32 ms，觸頭碰撞瞬間速度減小為1 187 mm/s，其彈跳過程中的最大位移為0.021 2 mm，彈跳總時(shí)間為0.32 ms，與優(yōu)化前對(duì)比，觸頭彈跳時(shí)間和最大位移分別降低了89%和93%。

3)使用激光測距儀進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，理論與試驗(yàn)結(jié)果誤差在2%以下，驗(yàn)證了遺傳算法在交流接觸器設(shè)計(jì)應(yīng)用中的可行性和有效性，研究結(jié)果為進(jìn)一步全面優(yōu)化接觸器樣機(jī)提供了新方法。