高压开关触头碰撞基于虚拟样机技术的分析和优化

132 机械设计与制造 1期 2010年1月 文章编号：10013997(2010)02 高压开关触头碰撞基于虚拟样机技术的分析和优化术 汤敬秋崔彦彬 (华北电力大学机械工程系，保定071003) of on an 7 1 003，中图分类号： 压开关在负载合闸时，动触头会被施加很大的压力，以保 证动触头能够满足一定的速度要求同时也容易引起触头碰撞后 发生弹跳。触头弹跳将使触头间产生拉弧，导致触头发生动熔焊， 或严重损坏。研究了碰撞过程中的阻尼系数，为解决触头弹跳的 问题提供了思路和方法。美国 个优秀的多刚体动力学分析软件。在软件的虚拟环境里，创建机 构的设置合理的工作条件，就可以得到与实际非常 接近的仿真分析结果。中在立动力学模 型，对机构的参数进行动力学分析及优化。 2动力学计算原理分析 动力学分析方面，表现非常优异。用带拉格朗日乘子的第一类拉格朗日方程导出代数方程 (处理具有多余坐标的完整约束系统或非完整约束系统， 导出以笛卡尔广义坐标为变量的动力学方程。 拉角作为广义坐标，即q= ，0， ，令R= ，Y， T = ，0， ，q=尺 ，y 定义一个欧拉转轴坐标系，该坐标系的三个单位矢量分别为 上面三个欧拉转动的轴，因而三个轴并不相互垂直。该坐标系到 构件质心坐标系的坐标变换矩阵为： I 曰=l 一 l l l 0 j 构件的角速度可以表达为： ：研 角速度在欧拉转轴坐标系分量： = 考虑约束方程，类方程的能量形式得到如下方程： 軎 一署 署 式中： 一系统广义坐标表达的动能； 广义坐标； 在广义 坐标后一项涉及约束方程和拉格朗日 乘子表达了在在广义坐标q 方向的约束反力。 再经过进一步的推导，集成约束方程的动力学方程一微分一代数方程： J 一 田+ A+日 oroo j 1“=4 I中(g， )=0 【 M，q，t) 式中： 一系统的广义动量；日外力的坐标转换矩阵。 对于以上动力学方程，一种为 对二种为标分解为独立坐标和非独立坐标然后化简为3算例分析 31高压开关机构简介 高压开关合闸过程机构简图，如图1所示31。 来稿日期：20090319基金项目：华北电力大学青年教师科研基金支持项目(93204702) 一 一一 一一 一一 一一 一一一一 能 叽 一戡艘 砌 一 一一 一 一一一一一一一 第1期 汤敬秋等：高压开关触头碰撞基于虚拟样机技术的分析和优化 133 图1操动机构简图 1脱扣杆2凸轮3拐臂4主压缩弹簧5触头压缩弹簧 6动触头7静触头8真空灭弧室外壳9分闸电磁铁1O分闸限位 当合闸电磁铁受电动作，驱动操动机构，动触头运动与静触 头贴合，完成合闸动作。 对于单自由度机械系统，可对整个系统进行等效处理，得到等 效力和等效质量日。根据图1可以在理 略掉操动机 构中的摩擦等能量损耗，将机构的质量等效到动触头6上。在高压 开关的动静触头发生碰撞时，其动力学简化模型，如图2所示。 (a)碰撞前 (b)碰撞后 图2碰撞过程示意图 可以简单描述为：在外来机械功的作用下，质量为速度 碰撞到质量为 、速度为零的物体上。 32虚拟样机技术的应用 对高压开关的碰撞过程，进行虚拟样机的建模及动力学分 析，对碰撞过程中阻尼的数值进行动力学分析和优化，最终确定 最优解，以此作为开关设计的指导参数。 321建立模型 根据开关机构，在立机构的虚拟样机 模型，按实际情况设置工作条件，模型如图3所示。 图3机构虚拟模型 322参数分析及设置 在头的碰撞，使用刚体的碰撞来设 置。其中涉及到的参数如下： (1)触力计算指数。 用来计算接触力，表征了材料的非线性特性，对于金属n= 1315。金属之间的接触取n=15。 (2)的是最大阻尼于表征接触 能量损失。 此参数，也就是需要重点分析和优化的数据。 (3)征最大阻尼时的侵入深度，当刚接触 时，没有阻尼力，随着侵入深度增大，阻尼力加大，直到最大阻尼力。 32_3虚拟分析 对机构的虚拟样机进行分析运算。得到原始数据下的动力学 分析模型。开关触头的碰撞阻尼系数，初始数值设置为10。在机 构仿真分析完成后，测量开关的动、静触头的相对速度；设置函 数，表示动、静触头的相对速度函数。在后续处理程序中，调用时 间为横坐标，相对速度为纵坐标。得到的曲线，如图4所示。 ： 1500 一15 ， 厂 ， ， ， 一 O 004优化前相对速度 324设置优化目标函数 调用机构的动力学模型进行优 化分析。优化的参数为触头碰撞的阻尼系数； 动触头的行进过程不需要调整，只是在动静触头碰撞时，动 触头的速度曲线会随着碰撞的阻尼数值发生变化。根据软件的功 能和实际设计要求，把优化的目标函数，设置为动触头在运动时 间内的平均速度。 在触头发生碰撞后，当动触头的平均位移达到最大时，动触 头反弹最小。此时的弹簧刚度是最佳数值。在软件环境里设置目 标函数，如图5所示。 图5目标函数 图中头的速度进行的测量，对这个测量取平均值，作为优化的目标 函数。当触头发生碰撞后，目标函数值为最大时，即为满足条件， 此时的阻尼系数数值为最优值。在满足工作条件的情况下，可以 得到碰撞阻尼系数的最优解，分析报告，如图6所示。 图6优化结果 优化后，最优碰撞阻尼系数8=7777。按照计算得到的6值， 进行开关的合闸过程的动力学分析，得到触头间的相对速度变化 曲线，如图7所示。可见，开关在合闸时，动、静触头的相对速度差 的绝对值，在合闸完成的时候，接近为零，触头碰撞发生弹跳的情 况得到很大程度的改善。由此，可以在不同工作情况下，计算出合 械设计与制造 1期 2010年1月 文章编号：10013997(2010)01013403 基于小波变换的忠平龚斌郭成成吴剑华 (沈阳化工学院机械工程学院，沈阳1 10142) on of K on U 1 0 1 42，【摘要】以用激光多普勒测速仪对管内流体的速度脉动信号进行 检测，运用小波变换分析检测信号来研究其速度脉动特性。分析结果表明，动以低频脉动为主，其脉动信号经频信号的峰值明显高于高频信号的峰值，且 低频级信号的能量占信号总能量的绝大部分，低频峰值对应频率基本在(3高不超过 20其半圆形流道中心区域，轴向速度脉动的峰值相对较高而峰值对应频率相对低，在靠近边界区域 轴向速度脉动的峰值相对较低而峰值对应频率相对较高。 关键词：静态混合器；小波变换；速度；频率 【to of Kby he in of 囊er to by as as of he of on 3)Hz 0n as in 图分类号：文献标识码：A 1前言 ，可用于混合、反应、传热等单元操作，在化工、石油、环保等行 业均获得成功应用。为使其更好地用于工业生产，国内外许多科 来稿日期：20090310宁省创新团队项目(2008学工作者对其进行了大量研究。目前的研究工作主要从以下两方 面展开：一方面从宏观上研究其传质、传热性能及压力降等 ；一 方面从微观 研究混合器内的速度场、温度场、浓度场、压力场及 停留时间等5观研究为宏观研究打下基础，而微观研究中速 】 0一】H ， 闸过程所需要的合理的碰撞阻尼系数，应用于生产实践。 参考文献 ， ， 厂 ， 厂 L r 0005 001 0015 图7优化后相对速度 4结论 高压真空断路器在带载合闸时，动触头会以高速碰撞到静触 头上，造成触头弹跳，引起严重后果。经过对碰撞过程的分析，修 正碰撞的阻尼系数，可以改善碰撞过程的动力特性。通过虚拟样 机技术对高压开关机构进行分析优化，可以得到碰撞过程中阻尼 系数的最佳数值，对机构的最优设计方案，有着重要指导作用。 1李增刚北京：国防工业出版社，2006 2陈立平等编著机械系统动力学分析及北京：清华 大学出版社，2005(1) 3崔彦彬新型操动机构分闸速度分析)：1718 4钱家骊，关永刚高压断路器操动机构的碰撞分析J高压电器，2001(6)： 2( 20 5苑舜高压断路器弹簧操动机构M北京：机械工|业出版社，2001