断路器操作机构运动仿真*

2021-01-12徐晓东

机械研究与应用 2020年6期

徐晓东

(中国特种设备检测研究院，北京 100029)

0 引言

低压断路器是配电网络中一个非常重要的保护电器，其机构的运动特性直接影响着产品的性能以及安全可靠性。断路器的操作机构在运动过程中的速度、受力、时间等参数对断路器的开合及分断性能有着重要的影响[1]。采用高速度相机拍摄运动过程时，受限于机构的壳体遮挡以及机构运动各部件遮挡，只能拍摄机构分合闸时间。而使用传感器获取相关参数较为繁琐，传感器的安装可能会影响机构的运动特性。因此利用动力学软件进行机构运动仿真，并利用实测已经获取的数据对标修正仿真模型，最终获取现有产品的完整运动过程数据，为产品进一步优化打下基础。

笔者用Adams进行断路器操作机构的动力学分析，仿真断路器操作机构的运动过程。获取操作机构运动过程的各个参数且为在实际中的产品进一步优化提供理论依据。

1 操作机构工作原理

断路器的操作机构的运动过程可以看做是四、五连杆机构的运动过程。操作机构处于正常合/分闸状态时，可以看做是标准的四连杆机构；在处于脱扣的状态时，则转变为五连杆机构。处于五连杆机构时，手柄的分合闸不能使动触头进行闭合或断开动作，只能进行复位使机构重新变为四连杆机构。断路器的操作机构结构工作原理如图1所示。

图1 操作机构工作原理

其中手柄处使用弹簧与B点轴进行连接，使操作机构受力运动。O、E为固定旋转中心，转轴(OA)带动动触头进行分合闸。

在正常分合闸过程中，跳扣(DE)被锁扣限位，D点为固定点。因此在正常分合闸过程中操作机构为四连杆机构，分别是转轴(OA)、下连杆(AB)、上连杆(BC)、机构(OC)。在脱扣过程中，跳扣被锁扣释放，D点为自由端，操作机构变为五连杆机构，分别是转轴(OA)、下连杆(AB)、上连杆(BC)、跳扣(DE)、机构(OE)。

2 Adams仿真

Adams具有强大的动力学仿真和分析功能，它可以分析复杂机械系统的运动和动力学模型，但是它的几何建模功能却有很多不足之处。由于三维软件建立好的模型可以很方便的导入Adams软件，本文用三维建模软件建立开关的三维实体机械结构模型，并导入Adams中进行运动学分析和仿真[2]。获得操作机构在不同运动过程中的时间、受力、速度等参数。

2.1 简化结构建模

用Adams仿真时，由程序的求解原理来看，只要仿真构件的质量、质心位置、惯性矩、惯性积同实际构件相同，就可以保证仿真结果的真实性[3]。将经过简化的断路器三维模型通过中间格式导入Adams软件中，设置支架(Ground)、手柄、上连杆(BC)、下连杆(AB)、跳扣(ED)、锁扣、转轴(OA)、动触头、静触头九个基本运动部件，忽略其他对操作机构运动不构成影响的部件。

图2 操作机构简化模型

2.2 操作机构约束关系

根据断路器的实际工作运动情况，在机构的各个构件之间添加约束关系，添加的约束关系如表1所列。

表1 机构运动仿真模型设置

同时对机构各个构件之间碰撞添加碰撞力约束，实际位置的弹簧添加实测的弹簧作用力，将各个构件组成断路器机械系统进行运动仿真。

2.3 操作机构运动仿真

操作机构的初始状态为合闸，因此添加驱动力使机构的运动顺序为：分闸-合闸-脱口-复位四个状态，按照合分闸力为50N对手柄进行操作。对手柄施加的受力力函数为：step(time,0,0,0.5,50)+step(time,0.5,0,1,-100)+step(time,1,0,1.01,+50)+step(time,1.01,0,1.5,0)+step(time,1.5,0,2,50)，进行运动仿真分析如下：

(1) 分闸：初始仿真模型为合闸状态，对手柄施加向右的力，机构开始运动，最终处于分闸状态，操作机构分闸后为四连杆机构，分别是转轴(OA)、下连杆(AB)、上连杆(BC)、机构(OC)。从操作手柄与支架运动角度曲线(如图3)可以测得手柄转过角度对应的分闸开始时间点为0.298 s，测得开距为36.4 mm。从动触头位移时间曲线(如图4)可以测得动触头完全打开时间点为0.308 s,计算得出分闸时间为10 ms。

图3 手柄与支架运动角度-时间曲线

图4 触头运动位移-时间曲线

(2) 合闸：对手柄施加向左的力，机构开始合闸。机构处于合闸状态时，仍然为四连杆机构，分别是转轴(OA)、下连杆(AB)、上连杆(BC)、机构(OC)。从操作手柄与支架运动角度曲线(如图3)可以测得手柄转过角度对应的分闸开始时间点为0.852 s，从动触头位移时间曲线(如图4)可以测得动触头完全打开时间点为0.860 s,计算得出分闸时间为8 ms。合闸后动触点与静触点闭合，通过测量动静触头接触力可得触头终压力约为16.6 N。为了计算触头超程，取消动静触头接触设置重新计算合闸，测量合闸后动触头相对静触头表面距离，得出动触头超程为5.2 mm。

(3) 脱扣：操作机构合闸后，合闸状态为四连杆，机构处于静止状态，此时触头完全闭合。合闸、分闸状态时，主弹簧被拉伸有储能，但跳扣(ED)被锁扣进行限位，使机构保持四连杆状态。在锁扣受到外力(手动脱扣、电磁脱扣、电热脱扣)时，使锁扣运动。对锁扣施加受力函数:step(time,0,0,1.1,0)+step(time,1.1,0,1.2,5)+step(time,1.2,0,1.3,-5)。锁扣受力后，D点恢复自由状态，跳扣(ED)脱离限位状态，操作机构转变为五连杆机构，五连杆分别是转轴(OA)、下连杆(AB)、上连杆(BC)、跳扣(ED)、机构(OE)。在跳扣(ED)脱扣后，操作机构在弹簧作用下动作，使动触头与静触头快速分离。

(4) 再扣:操作机构脱扣后，需要手动操作手柄进行复位。对手柄施加一个向分闸方向的力，E端为只有旋转的固定端，手柄对跳扣(ED)通过其限位进行推动，跳扣(ED)到达位置后锁扣重新对跳扣(ED)进行限位,此时D点固定，跳扣(ED)成为固定杆，机构重新变成四连杆机构。