斷路器的機(jī)構(gòu)是斷路器的核心部分，而機(jī)構(gòu)的分?jǐn)嗨俣仁菣C(jī)構(gòu)的一個(gè)關(guān)鍵因素，該參數(shù)直接決定了機(jī)構(gòu)的動作時(shí)間，關(guān)系到斷路器在大電流作用下能否有足夠的分?jǐn)嗄芰_(dá)到保護(hù)其他電器的作用。由于該機(jī)構(gòu)在分?jǐn)鄷r(shí)是由原先的四連桿機(jī)構(gòu)變?yōu)槎噙B桿機(jī)構(gòu)，其復(fù)雜程度難以用人工計(jì)算得出準(zhǔn)確的結(jié)果。

但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，美國MDI公司提出了多體動力學(xué)計(jì)算軟件ADAMS，該軟件很好地解決了斷路器分?jǐn)噙^程復(fù)雜的計(jì)算。本文就斷路器機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，通過建立機(jī)構(gòu)骨架再結(jié)合ADAMS軟件的計(jì)算能力，提出了一種通過驗(yàn)證能較準(zhǔn)確獲取分?jǐn)嗨俣群蛣幼鲿r(shí)間的方法。

1 機(jī)構(gòu)骨架及各構(gòu)件間的運(yùn)動關(guān)系

如圖1所示是某小型斷路器的機(jī)構(gòu)骨架，其中AB為手柄，BC為二力桿，CD為跳扣,O’EF為鎖扣，OD為支架，ON為觸頭，當(dāng)前狀態(tài)為斷路器在合閘狀態(tài)下的骨架簡圖，由于跳扣被鎖扣鎖住，OCD為一個(gè)整體可以等效為一個(gè)桿件，并繞O點(diǎn)可以轉(zhuǎn)動，整個(gè)機(jī)構(gòu)ABCO就是一個(gè)處于平衡狀態(tài)下的四連桿機(jī)構(gòu)。

在手柄受到開閘力和扭簧T1影響的時(shí)候AB桿繞A逆時(shí)針運(yùn)動，同時(shí)OCD整體被帶動繞O點(diǎn)逆時(shí)針運(yùn)動，整個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)過死點(diǎn)后(如圖2點(diǎn)劃線位置) 會在G點(diǎn)撞擊觸頭，最后在限位特征作用下呈穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)分閘，如圖2所示。

該分閘過程是一個(gè)四連桿的變化過程，可以通過相關(guān)計(jì)算公式來計(jì)算，然而在大電流作用下產(chǎn)生的電磁力將EF點(diǎn)解鎖時(shí)，跳扣CD和支架OD都為自由桿件，支架OD在壓簧K和扭簧T2作用下繞O點(diǎn)逆時(shí)針高速運(yùn)動在G點(diǎn)碰到觸頭ON實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?，如圖3所示。

整個(gè)機(jī)構(gòu)由原來的ABCO四連桿機(jī)構(gòu)變?yōu)锳BCDO五連桿機(jī)構(gòu)，在此過程中由于EF兩點(diǎn)的限位作用的解除，機(jī)構(gòu)將多出兩個(gè)自由度，該五連桿機(jī)構(gòu)為二自由度的多桿機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動具有不確定性，計(jì)算非常繁瑣，本文就此分?jǐn)噙^程借助ADAMS的多體動力學(xué)計(jì)算功能來完成脫扣分?jǐn)嗨俣鹊挠?jì)算。

圖1 合閘機(jī)構(gòu)骨架

圖2 分閘機(jī)構(gòu)骨架

圖3 脫扣機(jī)構(gòu)骨架

2 根據(jù)機(jī)構(gòu)骨架建模

2.1 導(dǎo)入骨架

由于ADAMS本身CAD功能較弱，在此需要借助輔助軟件PRO/E的CAD能力，根據(jù)機(jī)構(gòu)各構(gòu)件連接關(guān)系和尺寸，提取對應(yīng)圖1骨架的關(guān)鍵桿件長度，選定O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，在PRO/E草繪里用約束的形式將機(jī)構(gòu)在合閘穩(wěn)定時(shí)的骨架呈現(xiàn)出來，如圖4所示。

將PRO/E里建立的骨架簡圖轉(zhuǎn)化為x_t中間格式,必須選定O點(diǎn)坐標(biāo)系，導(dǎo)入到ADAMS里，其主要目的為給ADAMS建模時(shí)提供關(guān)鍵點(diǎn)A、B、C、D等的位置。

圖4 PRO/E骨架簡圖

2.2 ADAMS建模

根據(jù)PRO/E導(dǎo)入的簡圖，用ADAMS里面連桿模型通過每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)來建立每個(gè)構(gòu)件，由于要計(jì)算脫扣的分?jǐn)嗨俣?，不需要建立鎖扣，只要模擬機(jī)構(gòu)從跳扣解鎖瞬間到達(dá)到最大開距的整個(gè)過程。

由于ADAMS選取系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)剛體質(zhì)心在慣性參考系中的三個(gè)直角坐標(biāo)和確定剛體方位的三個(gè)歐拉角作為笛卡爾廣義坐標(biāo)，用帶乘子的拉格朗日第一類方程處理具有多余坐標(biāo)的完整約束系統(tǒng)或非完整約束系統(tǒng)，導(dǎo)出以笛卡爾廣義坐標(biāo)為變量的動力學(xué)方程,以這些動力學(xué)方程來建立運(yùn)動副約束各部件的自由度。

基于ADAMS計(jì)算原理，必須給定ADAMS計(jì)算所必須的質(zhì)心、質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量，用PRO/E分析質(zhì)量屬性功能可以獲取每個(gè)零件質(zhì)量及相對O坐標(biāo)系的質(zhì)心和轉(zhuǎn)動慣量，見表1，必須保證ADAMS里和PRO/E原點(diǎn)坐標(biāo)系都為O坐標(biāo)系，才能保證數(shù)據(jù)一致。

表1 零件參數(shù)

根據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動關(guān)系，用對應(yīng)的約束將構(gòu)件間連接起來，并在鉸鏈位置添加相應(yīng)的摩擦力，最后添加必要的激勵(lì)手柄扭簧、支架扭簧和壓簧，將激勵(lì)在脫扣瞬間對應(yīng)的預(yù)載荷和剛度給定，見表2，完成整個(gè)模型的建立。

在ADAMS里所建模型如圖5所示，體現(xiàn)了骨架各個(gè)關(guān)鍵要素，忽略其外在形狀。建立相應(yīng)腳本即可以此模型模擬仿真脫扣分?jǐn)嗟恼麄€(gè)過程，并以圖形界面直觀的表現(xiàn)出各個(gè)桿件的運(yùn)動規(guī)律，并可求得相應(yīng)的分?jǐn)嗨俣?、時(shí)間和開距間的相互關(guān)系。

圖5 ADAMS模型

表2 激勵(lì)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 ADAMS仿真結(jié)果

通過建立腳本，用以上模型仿真一個(gè)多步長，持續(xù)4ms的脫扣過程，保存仿真結(jié)果。通過ADAMS測量工具獲取分?jǐn)嗨俣扰c時(shí)間的關(guān)系以及開距與時(shí)間的關(guān)系。如圖6所示，從該曲線上可以得到在該產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最大開距5.2時(shí)對應(yīng)的時(shí)間為2.9ms，即整個(gè)機(jī)構(gòu)的動作時(shí)間，其從觸頭從開始分開到最大開距的時(shí)間為1.6ms。

圖6 開距與時(shí)間關(guān)系曲線

同樣可以得到機(jī)構(gòu)分?jǐn)嗨俣扰c時(shí)間的關(guān)系，如圖7所示：

圖7 分?jǐn)嗨俣扰c時(shí)間關(guān)系曲線

取開距為橫坐標(biāo)，分?jǐn)嗨俣葹榭v坐標(biāo)，如圖8，可以直觀的看到在觸頭打開距離與對應(yīng)觸頭的速度，幫助分析機(jī)構(gòu)是否能在分?jǐn)喈a(chǎn)生電弧時(shí)迅速拉開電弧，有利熄滅電弧。

圖8 分?jǐn)嗨俣扰c開距關(guān)系曲線

3.2 實(shí)驗(yàn)對比

本文采用一個(gè)簡易的實(shí)驗(yàn)裝置對該斷路器在脫扣情況下，測量觸頭從開始打開瞬間到達(dá)到最大開距時(shí)的時(shí)間，將該時(shí)間對比仿真結(jié)果來驗(yàn)證正確性。所搭建的實(shí)驗(yàn)裝置的線路圖如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)電路圖

該實(shí)驗(yàn)裝置用到一個(gè)示波器、電源及兩個(gè)小電阻，在斷路器處于合閘時(shí)，示波器通道CH1處于高電平，CH2處于低電平，設(shè)置CH1為下降沿觸發(fā)，用觸發(fā)裝置將鎖扣撥動，使機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)脫扣，脫扣后在觸頭分開瞬間CH1通道零電壓將被觸發(fā)，同時(shí)在觸頭達(dá)到最大開距時(shí)接通R2將觸發(fā)CH2通道，對比測量兩個(gè)通道獲取波形在觸發(fā)時(shí)的時(shí)間差即為觸頭從開始打開瞬間到達(dá)到最大開距時(shí)的時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10、圖11所示，取6組實(shí)驗(yàn)結(jié)果做平均值計(jì)算為1.69ms。

圖10 實(shí)驗(yàn)波形圖

圖11 實(shí)驗(yàn)波形圖

對比仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在觸頭從打開瞬間到最大距離所用的時(shí)間分別為1.6ms和1.69ms，結(jié)果非常接近，從時(shí)間上驗(yàn)證該方法可以準(zhǔn)確的模擬出機(jī)構(gòu)在脫扣瞬間的分?jǐn)嗨俣燃跋嚓P(guān)參數(shù)。

4 結(jié)論

本文就某小型斷路器為例，通過PRO/E建立其在合閘穩(wěn)定狀態(tài)下的機(jī)構(gòu)骨架，用該機(jī)構(gòu)骨架給ADAMS建模奠定各桿件的關(guān)鍵點(diǎn)位置，再賦予各構(gòu)件正確的質(zhì)量、質(zhì)心及轉(zhuǎn)動慣量，可以正確的模擬出機(jī)構(gòu)脫扣的分?jǐn)噙^程。

相比將整個(gè)模型導(dǎo)入ADAMS建模仿真，計(jì)算更快速更有針對性，結(jié)果更準(zhǔn)確；模擬了分?jǐn)噙^程機(jī)構(gòu)復(fù)雜的變化過程；從實(shí)驗(yàn)來看觸頭的動作時(shí)間非常接近，從一方面驗(yàn)證了該方法的正確性。

從仿真結(jié)果看該機(jī)構(gòu)前1.3ms為脫扣瞬間到觸頭分開瞬間的時(shí)間，即機(jī)構(gòu)動作的固有時(shí)間，在觸頭運(yùn)行到最大開距5.2mm時(shí)，所用時(shí)間為2.9ms，此時(shí)速度為5.2m/s，與國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)獲取的結(jié)果相仿，進(jìn)一步說明這個(gè)方法較為準(zhǔn)確，有一定的實(shí)際意義。

本文編自《電氣技術(shù)》，標(biāo)題為“基于ADAMS的斷路器分?jǐn)嗨俣扔?jì)算”，作者為鄭云、林川。