（机械设计及理论专业论文）一种快速操作机构运动学分析及动力学仿真.pdf

江苏大学高教硕士学位论文 摘要 开关电器产品作为配电系统中重要的保护和控制类元器件，工作可靠性高，性能稳定， 在国民经济发展和工农业生产中有着举足轻重的地位。快速操作机构作为开关的重要组 件，其动作的可靠性和快速性对于开关的性能影响、配电自动化及智能电网的构建有着重 要作用，而目前开关的快速操作机构设计还缺乏理论分析与指导，因此对开关快速操作机 构的研究具有一定的学术价值与经济价值。 通过对快速操作机构的国内外研究概况、发展趋势的研究，确定本课题的主要研究内 容及研究意义。根据开关的主要工作状态及其对快速操作机构的动作要求，分析确定了一 种快速操作机构的总体设计方案及工作模块。着重分析快速操作机构的储能过程和合闸过 程，并对锁扣机构进行原理性说明。对开关快速操作机构的合闸系统进行了深入分析，运 用杆组分析法拆分快速操作机构，对其基本杆组进行运动分析，建立运动方程；运用刚体 运动的平行轴定理，对运动复杂的零部件拆分求解动能，并建立合闸系统动力学总方程， 为快速操作机构的分析设计提供理论基础。根据多刚体动力学基本原理及其工程背景，确 定了快速操作机构虚拟仿真的理论算法及仿真平台，利用多体动力学a d a m s 软件构建快速 操作机构合闸系统的虚拟样机。在动力学仿真分析中，建立了快速操作机构合闸系统的虚 拟样机并设置零件之间的约束、弹簧刚度及初始状态等原始参数，通过仿真模拟得到合闸 系统空载合闸时间为2 0 m s ，并得到水平滚子的运动参数和运动部件之间碰撞力曲线图。通 过分析刚度系数对于样机合闸时间、冲击载荷与回弹振动的影响，得到了刚度系数的最优 值。虚拟样机技术的运用加速了分析设计的进程，提高了设计效率，同时虚拟仿真分析的 结果揭示了合闸系统快速运动的特性，为理论设计和后续优化设计提供参考依据。 关键词：操作机构，开关，仿真，虚拟样机，动力学分析 一种快速操作机构运动学分析及动力学仿真 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tp r o t e c t i o na n dc o n t r o lc o m p o n e n ti nd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，as w i t c hw h i c hi s a s k e dt ow o r ki nh i g hr e l i a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c es t a b i l i t y ，p l a y sav i t a lr o l ei nt h en a t i o n a l e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n di n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n af a s to p e r a t i n gm e c h a n i s mo f t h es w i t c h ，w h i c hi sai m p o r t a n ta c c e s s o r i e so fm o l d e dc a s ec i r c u i tb r e a k e r s ，c u r r e n t l yh a sa n i m p o r t a n ti m p a c to np e r f o r m a n c e ，d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n tn e t w o r kc o n s t r u c t i o n af a s to p e r a t i n gm e c h a n i s mo ft h es w i t c hh a ss t i l ll a c k e dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h e r e f o r e ，s t u d yo n f a s to p e r a t i n gm e c h a n i s m so ft h es w i t c h e sh a sn o to n l yc e r t a i na c a d e m i cv a l u eb u ta l s o e c o n o m i cv a l u e b o t ht h ei n t e n t i o na n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h et a s kw e r ee x p a t i a t e dt h r o u g ht h ed e v e l o p m e n to f t h er e s e a r c ho ff a s to p e r a t i n gm e c h a n i s m s t h eo v e r a l ld e s i g no fe l e c t r o c o n t r o lm e c h a n i s m sa n d i t sb a s i cf u n c t i o n sw e r ed e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h em a i nw o r k i n gs t a t e so ft h es w i t c ha n dt h e r e q u i r e m e n t sn e e d e db yt h es w i t c h i na d d i t i o n ，t h ep r o c e s s - e n e r g ys t o r a g ep r o c e s sa n dc l o s e b r a k ew e r ea n a l y z e dp a r t i c u l a r l y ，a n dt h ep r i n c i p l eo ft h el a t c h e dd e v i c ew a se x p l a i n e df r o mt h e o r i g i n a lr a t i o n a lv i e w a f t e rt h ec l o s eb r a k es y s t e mo fe l e c t r o - c o n t r o lm e c h a n i s mh a sb e e n a n a l y z e d ，i t sk i n e m a t i c se q u a t i o ni sd e d u c e d t h ek i n e t i ce n e r g ye q u a t i o nw h i c hi sb a s e do nt h e d i v i d i n gr e s e a r c ht h a tu s et h ep a r a l l e la x i st h e o r e mi sa l s oe s t a b l i s h e d ，t h ew o r kc a np r o v i d et h e t h e o r e t i c a lb a s i so ft h ed e s i g no fe l e c t r o - c o n t r o lm e c h a n i s m a c c o r d i n gt ot h eb a s i cp r i n c i p l eo f m u l t i - r i g i d - b o d yd y n a m i c sa n di t se n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d ，t h ev i r t u a ls i m u l a t i o nt h e o r ym e t h o d a n ds i m u l a t i o np l a t f o r mo ft h ee l e c t r o - c o n t r o lm e c h a n i s mo ft h es w i t c hw e r ed e t e r m i n e d ，a n dt h e v i r t u a lp r o t o t y p eo fe l e c t r i co p e r a t o rc l o s eb r a k es y s t e mw a sb u i l tb y u s i n gm u l t i - b o d yd y n a m i c s a d a m s s o f t w a r e d u r i n gt h ep r o c e s so ft h ed y n a m i c ss i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h ev i r t u a lp r o t o t y p e o ft h ef a s to p e r a t i n gm e c h a n i s m sw a se s t a b l i s h e d ，i n c l u d i n gt h es e t u po ft h ep a r t sr e s t r a i n t ， s p r i n gs t i f f n e s sa n di n i t i a lc o n d i t i o n t h r o u g hs e t t i n gt h ep a r a m e t e r s ，t h ec l o s i n g b r a k et i m ei s 2 0 m sb yt h es i m u l a t i o n ，a n dt h eg r a p hb e t w e e nl e v e lr o l l e rm o v e m e n tp a r a m e t e r sa n dt h ef o r c e o f m o v i n gp a r t sc o l l i s i o n sw a so b t a i n e d b yu s i n go f v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ，t h ep r o c e s so f t h ea n a l y s i sa n dd e s i g ni sa c c e l e r a t e d ，a n dt h ed e s i g ne f f i c i e n c yi si m p r o v e d k e y w o r d s ：o p e r a t i n gm e c h a n i s m ，s w i t c h ，s i m u l a t i o n ，v i r t u a lp r o t o t y p e ，k i n e t i c sa n a l y s i s i l 江苏大学高教硕士学位论文 第一章绪论 1 1 快速操作机构的现状及发展趋势 1 1 1 快速操作机构的课题背景 我国开关电器行业经过五十多年的发展，目前已经形成比较完整的体系，就低压开关 电器品种、规格、性能、生产能力等来看，基本满足国民经济发展的需要。目前生产的低 压电器产品有近千个系列，产值过百亿人民币，生产企业近千家。我国低压电器行业原有 的六大生产基地实际上已不复存在，温州柳市低压电器第七基地产量不断攀升f 。目前低 压电器生产企业大致分为国有企业、三资企业和民营企业3 类，如表1 1 所示【1 1 。 表1 1 低压开关电器生产企业分类 随着我国经济不断发展，国际交流日益深入，低压电器进出口总量必将进一步增大。 目前出口的低压电器大部份是温州地区中低档产品，利润较低，今后应扩大中、高档低压 电器产品出口比例。随着我国用电总体水平的提高以及低压电器产品不断发展，至2 0 1 0 年第二代低压电器将逐步成为低档产品，第三代产品和部分经二次开发后的第二代产品将 成为中档产品，以智能化、可通信为主要特征的新代低压电器将成为高档产品。国外著 名低压电器制造商从2 0 世纪9 0 年代后期至2 1 世纪初相继推出了新一代产品，其中框架 断路器有施耐德公司m t 系列、西门子公司3 w l 系列、a b b 公司e 系列、g e 公司m p a c t 系列、凯马公司m a g n u m 系列等；塑壳断路器有施耐德公司n s 系列、西门子公司3 v l 系 列、a b b 公司t m a x 系列、g e 公司r e c o r dp l u s 系列、默勒公司n z m 系列、凯马公司g 系列、三菱公司w s 系列等。 国外施耐德公司生产的n s 系列塑壳断路器【2 】，配备了电动操作机构模块，有着很高 的机械寿命，并且操作方便、安全可靠。图1 1 所示为配有电动操作机构的塑壳断路器。 此类型断路器具有较好的显示功能，可以提供包括脱扣单元在内的所有信息显示，同时具 l 一种快速操作机构运动学分析及动力学仿真 备隔离和挂锁功能。带有通信功能的电动操作机构b s c m 模块后方便接受断路器的分合指 令【3 1 。带电动操作机构的塑壳断路器能够实现本地电动操作、集中操作和自动控制，可以 完成常用与备用电源l 训的转换以优化能源成本，还可实现卸载和重新连接及同步耦合。 图1 1配有电动操作机构的塑壳断路器【3 】 图1 2 所示为施耐德断路器用电动操作机构，此种电动操作机构的响应时间较快，完 成分断时间小于6 0 0 m s ，合闸时间小于8 0 m s ，操作频率4 次分钟，并且控制电压的范围 较广，直流2 4 3 0 4 8 6 0 11 0 1 3 0 2 5 0 v ，交流4 8 ( 5 0 h z ) 11 0 1 3 0 2 2 0 2 4 0 3 8 0 4 4 0 v 3 1 。 1 位置指示( 适合隔离功能) ；2 储能状态指示器；3 手动储能手柄；4 锁定设备； 5 i ( 合闸按钮) ；6 o ( 分闸按钮) ；7 手动自动模式开关( 可远程显示) ；8 操作计数器( 4 0 0 6 0 0 型) 图1 2 施耐德断路器用电动操作机构【刘 a b b 公司生产的t m a x 系列塑壳断路器可用于常规的工业、建筑领域，也可用于如煤 矿、铁路隧道、太阳能、港口等特殊应用领域【4 1 。图1 3 所示为a b b 生产的t m a x 系列塑 壳断路器。t m a x 系列塑壳断路器有许多优点：1 ) 体积小巧。t m a x 塑壳断路器具有比市场 上同类产品都好的性能尺寸比，可为用户提供更多的空间来进行电缆布线。例如t 2 为同 类产品中体积最小的电子式塑壳断路器，额定电流从4 安培开始，过载和短路电流曲线可 以精确整定。2 ) 适用于长距离配电的短路保护。t m a x 系列中t 4 t 5 塑壳断路器在6 9 0 v 的 2 江苏人学高教硕十学位论文 电压下可以达到8 0 k a 的分断能力。电子脱扣器短路保护电流i i j 在1 2 倍额定电流区l f j j 内连 续可调，并确保了不同类型负载长距离配电的短路保护【5 j 。3 ) r c 漏电和接地保护。t m a x 一体化的r c 漏电和接地保护功能，解决了诊断远端单相对地短路故障和小电流不脱扣等 问题，具有一体化安装方式、体积紧凑、安装简便、测量精准等特点。4 ) 一体化无缝连接。 改变传统的使用断路器+ 接触器+ 热继电器的模式，实现断路器和接触器一体化无缝连接， 无需接继电器就可实现过载保护，简化电缆布线步骤，节省安装时f h j 。提供起动电流时间 整定、相不平衡、触头热记忆等功能【5 j 。 图1 3t m a x 系列塑壳断路器【】 西门子公司生产的3 v l 系列断路器【6 】涵盖了额定电流1 6 a 1 6 0 0a 的所有产品，温度 在5 0 。c 时该系列产品仍无性能损失。图1 4 所示为西门子公司生产的3 v l 系列断路器【7j ， 所有断路器都是与集成过电流脱扣器一起成套供应。s e n t r o nv l l 6 0 x 至v l l 6 0 0 断路 器提供母排连接件或端子剑7 1 。电动操作机构、辅助开关、报警开关或辅助脱扣器均可由 用户现场改装，也可根据需要由工厂装配。 图1 43 v l 系列塑壳断路器【7 】 国内常熟开关厂作为低压电器产品的龙头企业，采用了国际先进设计理念与研发手 一种快速操作机构运动。学分析及动力学仿真 段，开发了c m 系列塑料外壳式断路器【引。图1 5 所示为常熟丌关厂生产的c m 系列塑料 外壳式断路器 8 1 。 ( a ) c m l 系列塑壳断路器；( b ) c m l - e 系列塑壳断路器；( c ) c m l - z 系列塑壳断路器 图1 5c m 系列塑壳断路器【8 】 其中c m l 系列的额定绝缘电压为8 0 0 v ，适用于交流5 0 h z 6 0 h z ，额定工作电压至 6 9 0 v ，额定电流至1 2 5 0 a 的电路中作不频繁转换及电动机保护之用。该型号具有过载长延 时反时限、短路短延时反时限、短路短延时定时限、短路瞬时和欠电压保护功能，能保护 线路和电源设备不受损坏，并可在低温至4 0 工作。c m 3 系列的额定工作电压至 a c 5 0 h z 6 0 h z 6 9 0 v 、额定绝缘电压8 0 0 v 、额定冲击耐受电压达到8 k v 、额定电流 1 0 a 8 0 0 a 9 1 。该系列断路器适用于配电和电动机保护场合，也适用于消防场合。断路器具 有过载、短路、欠电压保护等功能，能保护线路和电源设备不受损坏。 正泰电器作为国内电气行业的主要公司，生产的n m 系列塑壳断路器在市场上也占有 一定的市场份额。图1 6 所示为n m l 型塑壳断路器【l ，图1 7 所示为带有电动操作机构的 塑壳断路器 ，图1 8 所示为n m l 系列用的电动操作机构】。 4 图1 6n m l 型塑壳断路器【1 0 1图1 7带电动操作机构的塑壳断路器【1 1 】 江苏人学高教硕十学位论文 图1 8 n m l 用交直流塑壳断路器【i l 】 上海人民电器开关厂作为老牌国有企业，也生产低压塑壳断路器，共有三个型号，即 c x m 系列塑壳断路器、s r m 系列塑壳断路器、d z 系列塑壳断路器【佗】。图1 9 所示了上海 人民电器开关厂三种系列的塑壳断路器。 ( a ) c x m 系列塑壳断路器；( b ) s r m 系列塑壳断路器；( c ) d z 系列塑壳断路器 图1 9 上海人民电器开关厂的塑壳断路器 】3 】 c x m 系列塑壳断路器作为塑壳式断路器的一种，主要型号有c x m l 、c x m 2 、c x m 3 等。其中c x m 2 系列适合于作不频繁转换及电动机不频繁起动等场合，c x m 3 系列适合于 分配电能，作为线路及电源设备的过载，短路和欠电压保护，并可以适用于线路的不频繁 转换及电动机的频繁起动。s r m 系列塑壳断路器主要型号有s r m 8 、s r m 8 l 、s r m l 0 等。 s r m l 0 l e 适合于人身触电和线路设备漏电保护之用，并可用来保护线路和电源设备的过 载及短路，亦可作为线路的不频繁转换之用【1 3 】。s r m l 8 z 一5 0 系列性能可靠，分断能力高， 保护特性精确，体积小，广泛适用于通讯、电力机车等行业。d z 系列塑壳断路器适用于 低压网络集中配电、变压器并联运行或采用环形供电时，要求高分断能力的分支路场合， 在交流5 0 h z 、额定电压至6 6 0 v 、额定电流至6 3 0 a 的使1 ：j 条件下，供作分配电能和线路 及电源设备的过载、欠电压和短路保护之用，主要型号有d z l 2 、d z l 5 等【1 3 。 新一代的产品除了具备高性能、电子化、智能化、模块化、组合化、小型化特征外， 羔秽鬓 一鬻燃戆一 镳燃纛麟孽警 一种快速操作机构运动学分析及动力学仿真 还增加了可通信、高可靠、维护性能好、符合环保要求等特征。特别是新一代产品能与现 场总线系统连接，实现系统网络化，使低压电器产品功能发生了质的飞跃。快速操作机构 广泛应用于丌关电器中，特别在断路器上使用较多。断路器的主要功能体现在触头分、合 的动作上，而分、合的动作通过操作机构来实现，因此操作机构的工作性能和质量的优劣， 对断路器的工作性能和可靠性起着重要的作用。国际大电网会议组织的调查表明，设备故 障中机械故障高达总故障的7 0 3 ，如果包括辅助电器和控制回路的故障，则为8 9 4 1 4 j 。 上世纪九十年代以来，随着我国输变电线路的发展，各型断路器得到了广泛的应用。但多 年运行的实践表明，断路器本体部分的少维护甚至免维护性确实得到了飞速的发展，但是 快速机构部分的运行可靠性目前还很难令人满意，甚至可以说与运行部门的要求还很远。 据我国相关部门统计，在断路器故障中，操作机构故障占全部故障的7 0 引。因此，在断 路器一方面向高电压、大容量发展，一方面向高可靠性发展的今天，研制新型高可靠性的 快速操作机构对电力系统的稳定运行和安全输配电具有重要的慈义。 1 1 2 快速操作机构的研究现状及趋势 目前，快速操作机构的形式有很多，例如电磁操作机构、弹簧操作机构、永磁操作机 构、电磁推力操作机构、电机推力操作机构等等，这些快速操作机构的应用满足了目前电 力设备的使用需求，但也存在一些不足。 1 1 2 1 永磁操作机构 上世纪九十年代a b b 公司推出研制的v m l 型配永磁操动机构的真空断路器。v m l 所配的永磁操作机构是一种双稳态双线圈结构，机构示意图如图1 1 0 所示【l5 l 。 1 行程调节；2 开关位置传感器；3 合闸线圈；4 。永磁体；5 动铁心；6 分闸线圈；7 紧急分闸装置 图1 1 0 永磁操作机构示意图3 6 江苏大学高教硕士学位论文 v m l 型配永磁操作机构的真空断路器采用电容器作为充放电元件，可以实现重合闸操 作，该产品为系列化产品，保持力的范围为1 0 0 0 n - - - 1 0 0 0 0 n 。 。图1 1 1 所示为永磁操作机构的两种结构形式，即双稳态和单稳态。图1 1 l ( a ) 为双稳态 永磁操作机构结构示意图，图1 1 l ( b ) 为单稳态永磁操作机构结构示意图。 4 5 1 轭铁；2 动铁心；3 上端盖； 4 上端线圈；5 永磁体；6 下端线圈；7 下端盖 12 1 轭铁；2 动铁心；3 上端盖； 4 永磁体；5 线圈；6 下端端盖；7 ：弹簧 ( a ) 双稳态永磁机构结构示意图( b ) 单稳态永磁机构结构示意图 图1 1 1 水磁操作机构示意图 1 1 2 2 电磁推力操作机构 2 0 0 3 年，山东大学与清华大学针对高压快速转换开关用电磁推力机构进行了研究，并 开发了一台试品。2 0 0 7 年，大连理工大学针对永磁机构与电磁推力机构做了大量比较分析 实验，并研制了电磁推力机构样机，电磁推力机构结构图如图1 1 2 所示【1 6 1 。 电磁推力机构结构由真空灭弧室、分合闸励磁线圈、分合闸励磁线圈之间的铜制推斥 盘组成。铜盘通过传动杆连接到真空灭弧室的动触头，双稳态结构和永磁保持装置在断路 器触头合闸状态有接触压力，在分闸状态有维持功能，使这种机构具有双稳特性，无需锁 扣等优点。合闸励磁线圈上有脉冲电流产生后，在铜盘中感应出涡流，由于涡流效应使铜 盘受到电磁推斥力作用，带动传动杆运动，使真空灭弧室触头闭合( 分开) ，完成合闸( 分 闸) 操作。 7 一种快速操作机构运动学分析及动力学仿真 断口 分闸线圈 铜盘 合闸线圈 断口 分闸线圈 灭弧室 脉冲电源 保持装置 ( a ) 传统结构( b ) 配永磁保持装置结构 图1 1 2 电磁推力机构结构图n 6 1 1 1 2 3 电磁操作机构 电磁操作机构示意图如图1 1 3 所示f 1 7 1 ，其利用电磁铁的吸动功率和凸轮机构对弹簧进 行储能，再利用储能弹簧释放位能达到快速动作的目的。 电磁操作机构的优点是结构简单，零件数量少，工作可靠，制造成本低；其缺点是合 闸线圈消耗的功率太大，因而要求用户配备价格昂贵的蓄电池组，另外电磁机构较笨重， 动作时间较长。 o ， 1 合闸电磁铁动铁芯；2 凸轮装置；3 摆杆；4 分闸电磁铁； 5 脱口杆；6 开关；7 触头弹簧；8 分闸主压缩弹簧 图1 1 3 电磁操作机构示意图n 7 1 江苏人产高教硕十学位论文 图1 1 4 所示为a b b 公司生产的s 1 s 2 断路器电磁操作机构4 1 ，此种操作机构直接作用 于断路器手柄，可以控制断路器的断开与闭合。此种操作机构有两种型式，一种为侧装式， 另一种为前装式，可以直接装在断路器的前面板上。 图1 14s 1 - $ 2 断路器电磁操作机构结构图【4 】 1 1 2 4 弹簧操作机构 弹簧操作机构作为目前使用较多的快速操作机构，结构示意图如图1 1 5 所示【18 1 ，主要 由弹簧储能、合闸、保持合闸和分闸等几个动作部分组成。 7b 1 保持棘爪；2 合闸弹簧；3 棘轮；4 操动块；5 偏心轮；6 减速器；7 储能电机；8 、3 0 拐臂；9 输出轴；10 手力储能手柄；1 1 输出轴拐臂；1 2 驱动棘爪；13 、2 8 转销；14 储能轴；1 5 驱动板：16 定位件；17 、19 滚轮；1 8 凸轮；2 0 、2 6 连板；2 1 脱扣板；2 2 脱扣器；2 3 合闸电磁铁；2 4 半轴； 2 5 导板；2 7 扇形板；2 9 杠杆 图1 15 弹簧操作机构结构示意图”盯 弹簧操作机构的优点是不需要大功率的直流电源，电动机功率小，交直流两用，适宜 交流操作；其缺点是完全依靠机械传动，零部件总数多，一般弹簧机构均有上百个零件， 9 一种快速操作机构运动学分析及动力学仿真 成本高，制造工艺要求较高，输出特性和真空丌关的负载特性不相符合，需要设计合适的 传动机构爿+ 能使两者一致起来，这无疑增加了操作系统的复杂性，断路器的故障率随着弹 簧操动机构零件数量的增加而增加，使故障率明显增加。图1 1 6 所示为国内某公司生产的 c t b 系列弹簧操作机构，该机构可于户外真空高压断路器或户内真空断路器配套使用，此 种机构具有电动储能、手动分合及过电流保护功能。 图1 1 6c t b 系列弹簧操作机构结构酬1 9 】 1 1 2 5 电机推力操作机构 2 0 0 8 年沈阳工业大学根据a b b 公司提出的电机驱动操动机构的思想【2 0 1 ，进行了相关 研究，运用有限转角永磁无刷直流电机作为操作动力，强化了对触头分、合闸过程的控制， 为开关智能化通断提供了可能。图1 1 7 所示为配电机操动机构真空断路器结构简图，通过 伺服电机驱动操作机构达到快速动作的目的。 1 0 图1 1 7 配电机操动机构真空断路器结构简图”o 从根本上说，快速操作机构的分、合闸能源来源于人力或者电力。这两种能源还可转 江苏大学高教硕士学位论文 变为其它能量形式，如电磁能、弹簧势能、重力势能、气体或液体的比缩能等。根据所提 供能源形式的不同，操作机构可分为手力操作机构( c s ) 、电磁操作机构( c d ) 、弹簧操 作机构( c t ) 、气动操作机构( c q ) 和液压操作机构( c y ) 等。手力和电磁操动机构属 于直动机构，弹簧、气动和液压操动机构属于储能机构。对于直动机构来说，操作机构由 做功元件、连杆系统、维持和脱扣部件等几个主要部分组成。操作机构的类型不一样，其 应用的场合也有所不同。 1 2 快速操作机构的发展趋势 目前快速操作机构有较多的种类形式，各类型机构的设计虽然能够满足目前的需要， 但快速操作机构还存在一些问题。因此未来快速操作机构的发展需要从宏观角度，解决快 速操作机构研发设计的诸多问题，这样才能更好地服务于开关行业。 ( 1 ) 目前市场上快速操作机构产品种类繁多，不仅同一企业生产开关电器的结构尺 寸不同，而且不同企业生产的相同壳架等级电流的开关电器的结构尺寸也不相同，这些问 题对于快速操作机构产品的标准化设计产生重要的影响。在未来快速操作机构产品设计研 发中，必须从这些问题入手，解决这些问题对于快速操作机构批量生产有着重要意义。 ( 2 ) 针对目前开关电器快速操作机构零部件多、维护困难等特点，未来快速操作机 构设计中应引入模块化设计的思想，即将快速操作机构分为几个功能模块，功能模块内部 的机构在一定程度上是固定的，当快速操作机构与不同开关电器配合时，只需调整功能模 块的接口参数即可完成快速操作机构的设计，这样可以减少设计工作量，提高工作效率。 ( 3 ) 随着环保要求的提高，快速操作机构的设计不可避免地要引入绿色设计这一现 代设计思想，在产品及其寿命周期全过程的设计中，要充分考虑对资源和环境的影响，在 充分考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时，更要优化各种相关因素，使产品及 其制造过程中对环境的总体负影响减到最小，使产品的各项指标符合绿色环保的要求。在 设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳入产品设计之中，将环境性能作为产品的设计 目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小【2 l 】。 ( 4 ) 快速操作机构小型化不仅反映开关电器的技术水平，也是电力设备及系统小型 化的需求。开关电器快速操作机构小型化主要依托新技术、新工艺以及产品结构创新，其 优化后的体积可缩小2 0 以上。 ( 5 ) 工作可靠性是目前影响开关电器可靠运行的主要问题，也是研发新一代产品和 其他相关产品急需解决的问题。开关电器可靠性包括开关电器自身工作可靠性、快速操作 一种快速操作机构运动学分析及动力学仿真 机构工作可靠性以及两者之间的协调性等。提高快速操作机构产品可靠性对于电力设备运 行安全有着重要作用。 快速操作机构能够满足配电自动化及远距离操作的需求，可广泛应用于输配电系统 中。任何产品都是在不断进步的，快速操作机构的设计需要以产品可靠性和寿命为前提， 吸取当前先进的设计思想和设计手段，使快速操作机构产品设计朝着小型化、使用寿命长、 工作可靠性高、远程控制、p c 智能控制及绿色环保等方向发展。 1 3 快速操作机构的设计方法 1 3 1 计算机辅助分析技术 在工程领域中，采用计算机平台作为主要技术手段，处理各种复杂的数字信息与图形 信息，辅助完成产品研发设计、分析模拟等活动，主要形式有c a d c a m c a e ，即所谓的 3 c 。计算机辅助设计( c a d ) 是利用计算机超强的计算能力与模拟显示能力，运用专业知 识进行产品绘图，分析与编写技术文件。使用计算机辅助设计技术，可以综合人机设计的 各自优点，以利于获得最佳的设计结果，减少设计时间。计算机辅助制造( c a m ) 即利用 计算机对生产、制造过程进行相关设计、管理与控制。计算机辅助工程( c a e ) 从广义上 来说，包含了工程与制造业的所有方面，狭义上指工程设计的分析计算与分析仿真，特别 是运动与动力学仿真可以对c a d 模型进行虚拟样机的运动学仿真和动力学仿真。 c a e 软件是集力学、数学、工程管理、与现代计算技术相结合而成的综合性产品。c a e 软件可以分成两种：一种是通用c a e 软件，针对多种工程及产品的力学等特性进行分析、 模拟与优化等；另一种是c a e 专用软件，针对特定的工程或产品进行分析与研究。 1 3 2 虚拟样机技术 虚拟样机技术源于多体系统动力学学科的研究。在工程实践中的许多研究对象大都是 由大量零部件构成的，因此要解决这些复杂系统优化设计与形态分析的难题，通常要考虑 其结构、静态平衡、运动以及动力性能。然而对于这些性能的分析与相互关系的研究是比 较复杂的，这就为多体系统动力学研究引入计算机计算能力与数据处理能力提供了现实基 础。 随着计算机辅助设计的快速发展，三维造型技术与虚拟样机技术迅速融合，这也使虚 拟样机技术又上了一个新的台阶【2 2 1 。c a d 中的三维造型技术方便了设计师的造型设计，这 1 2 江苏大学高教硕十学位论文 样设计师就有更多的精力钻研产品设计的j 下确和优化问题；其次三维造型技术也使机械系 统的问题描述变得简单，由于c a d 强大的三维几何编辑修改技术，使机械系统设计的快 速修改成为可能，在这基础上，在计算机上的设计、试验、设计的反复过程才有时间上的 意义。 虚拟样机技术综合了许多技术，其核心部分是多体系统动力学与运动学建模理论及其 技术实现【2 2 1 。应用数学的数值算法提供了求解机械系统分析这种问题的有效快速算法，计 算机可视化技术和动画技术的发展提供了友好的用户界面。虚拟样机技术已经成为一项相 对独立的产业技术，改变了传统设计思想，对制造也产生深远的影响。 1 3 3 虚拟样机技术的技术组成 虚拟样机技术涵盖智能设计技术、并行工程技术、仿真工程技术。其中智能设计技术 集成了用于概念设计的分析工具( 如有限元分析等) 、计算机辅助概念设计和c a d 技术等， 张， 支持产品定形前的功能规划和计算，并指导设计者将几何形状优化为易于装配、满足功能、 工艺性好的设计图形。而并行工程是集成各种研究设计的相关技术，并行设计产品及相关 过程的一种系统方法。它要求研发人员从设计开始就要考虑产品整个生命周期的所有因素 ( 成本、工艺、结构、性能等) ，并且要求实现计算机网络环境中的协同工作。仿真工程 技术可以实现对产品、工艺和生产系统模型进行数字化仿真和可视化，可对产品设计、工 1 幛 艺设计进行评估和优化。 1 3 4 机构设计的分析方法 工程领域中复杂系统的力学模型往往是由多个构件通过运动副连接而成的，在对这种 多体系统进行虚拟设计时通常会用到多体系统动力学知识。多体动力学包含多刚体系统动 力学和多柔体系统动力学，多刚体系统动力学是基于古典刚体力学、分析力学与计算机技 术的基础上发展而成，此种方法能够很好的求解现代工程机械领域复杂机构模型，计算模 型的精度比较高。 在快速操作机构的运动分析和动力学分析中，解析法等研究方法也为机构的研究分析 提供了便捷的途径。本文在对快速操作机构的分析与仿真工作中，使用了比较多的虚拟设 计方法，在对机构运动学分析时采用拆分杆组进行运动学分析，运用三维c a d 技术进行 机构部件的结构设计，运用多刚体动力学c a e 软件进行仿真分析。 1 3 一种快速操作机构运动学分析及动力学仿真 1 4 主要研究内容及意义 1 4 1 研究内容 开关电器快速操作机构作为电器产品重要的组成附件，其机构动作的快速性和可靠性 对于开关电器通断性能的影响极为重要。目前，国内开关电器快速操作机构的设计生产还 处在起步阶段，许多设计工作还停留在仿制层面，自主研发设计缺乏理论指导，因此本课 题研究的主要内容有以下几个方面： 1 快速操作机构的设计方案 分析开关电器的工作状态以及快速操作机构的设计要求，制定快速操作机构的总体设 计方案，研究快速操作机构储能、释能过程的技术路线，确定快速操作机构传动方案以及 锁扣机构的设计。 2 快速操作机构合闸运动的理论分析 对快速操作机构进行运动分析，确定出机构中每个零件的位置、速度和加速度数学表 达式，建立机构零部件之间的函数关系，运用刚体力学等原理建立系统的动力学方程，并 求解系统零部件的动能。 3 快速操作机构合闸系统的动力学仿真 运用三维c a d 技术构建快速操作机构的实体模型，运用虚拟设计技术，建立快速操 作机构的虚拟样机模型，模拟仿真快速操作机构合闸系统的动力学特性，重点研究系统的 合闸时间、冲击振动等特性。 4 快速操作机构优化设计 分析弹簧组刚度系数对合闸系统的合闸时间、冲击振动的影响，寻找弹簧组刚度系数 的最优区间，在最优区间中采用优化方法，寻找弹簧刚度系数最优解。 1 4 2 课题的意义 本课题来源于企业，课题的研究意义在于建立快速操作机构理论分析研究的方法，并 通过虚拟样机技术进行仿真分析，为国内自主研发设计快速操作机构提供理论指导，进一 步提高国内快速操作机构的设计水平。 随着国家经济的发展，发电容量和用电量日益扩大，配电系统的可靠性越来越重要， 对开关电器及其快速操作机构的动作特性及保护功能提出了更高的要求，与此同时，我国 在制定“十二五”规划时，已将智能电网技术纳入国家发展的重点技术，开关电器快速操 1 4 江苏大学高教硕+ 学位论文 作机构将会在智能电网控制中发挥重要作用，所以快速操作机构的研究有着极其重要的学 术价值和经济意义。 1 5 本章小结 本章首先分析了快速操作机构的研究现状，总结了快速操作机构的一些主流产品，包 括电磁操作机构、弹簧操作机构、永磁操作机构、电磁推力操作机构以及电机操作机构。 对这些操作机构的特点、主要优缺点进行梳理总结，并讨论了快速操作机构的发展趋势。 简介了快速操作机构虚拟设计技术的主要手段。最后说明了本课题的来源、主要研究内容 及研究意义。 1 5 一种快速操作机构运动学分析及动力学仿真 第二章快速操作机构的工作原理 2 1 快速操作机构设计基础 随着科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用，快速操作机构的设计方法需要借 助于一些先进的现代设计方法。目前现代设计方法的内容主要包括：优化设计、可靠性设 计、计算机辅助设计、工业艺术造型设计、虚拟设计、疲劳设计、三次设计、相似性设计、 模块化设计、反求工程设计、动态设计、有限元法、人机工程、价值工程、并行工程、人 工神经元计算方法等。在运用它们进行工程设计时，一般都以计算机作为分析、计算、综 合、决策的工具。其中计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计、有限元法等在工程领域 设计中运用较多【2 3 1 。 1 计算机辅助设计 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) ，即c a d 。计算机辅助设计是把计算机技术 引入设计过程并用来完成计算、选型、绘图及其他工作的一种现代设计方法。计算机、打 印机及其他外围设备构成c a d 硬件系统，而操作系统、语言处理系统、数据库管理系统 和应用软件等构成c a d 软件系统。通常意义上的c a d 系统是由系统硬件和系统软件组成， 兼有计算、图形处理、数据库等功能，并能综合利用这些功能完成设计作业的系统。 2 优化设计 优化设计是把最优化数学原理应用于工程设计问题，即在所有可行方案中寻求最佳设 计方案的一种现代设计方法。在进行工程优化设计时，首先把工程问题按优化设计所规定 的格式建立数学模型，然后选用合适的优化计算方法在计算机上对数学模型进行寻优求 解，得到工程设计问题的最优设计方案。 在建立优化设计数学模型的过程中，把影响设计方案选取的那些参数称为设计变量； 设计变量应当满足的条件称为约束条件；而设计者衡量设计方案优劣并期望得到改进的指 标表示为设计变量的函数，称为目标函数。设计变量、约束函数、目标函数组成了优化设 计问题的数学模型。优化设计需要把数学模型和优化算法放到计算机程序中用计算机自动 寻优求解。常用的优化算法有：0 6 1 8 法、鲍威尔( p o w e r ) 法、变尺度法、复合型法、惩 罚函数法。 3 可靠性设计 1 6 江苏火学高教硕十学位论文 可靠性设计是以概率论和数理统计为理论基础，是以失效分析、失效预测及各种可靠 性试验为依据，以保证产品的可靠性为目标的现代设计方法。可靠性设计的基本内容是： 选定产品的可靠性指标及量值，对可靠性指标进行合理的分配，再把规定的可靠性指标设 计到产品中去。 4 有限元法 有限元法是以电子计算机为工具的一种数值计算方法。目前，该方法不仅可以用于工 程中复杂的非线性问题、非稳态问题的求解，而且还可以用于工程设计中进行复杂结构的 静态和动力学分析，并能准确地计算复杂零件的应力分布和变形，成为复杂零件强度和刚 度计算的有利分析工具。 2 2 快速操作机构整体设计 2 2 1 开关电器对快速操作机构的要求 开关电器是输配电系统中的主要保护和控制元件，目前市场上开关电器快速操作机构 盘 的种类较多，但其提供的操作功能相对比较固定。因此，在设计快速操作机构时，必须完 成相应的操作功能。开关电器一般工作状态为合闸、分闸、脱扣，合闸状态为开关电器内 部触头闭合，分闸状态为开关电器内部触头断开，脱扣状态则是在线路短路等故障时引发 持 开关内部机构动作带动触头断开，从而保护电路。脱扣状态实际为分闸状态的一种过渡状 态，开关需要从这个过渡状态转换到分闸状态，才能正常分合闸。 开关手柄通常的工作位置有三个，即合闸、分闸、脱扣。图2 1 显示了开关手柄的三 个工作位置。 图2 1 某型开关工作示意图 开关手柄工作位置的各状态之间的转换需要由与其配合的快速操作机构完成，因而对 1 7 一种快速操作机构运动学分析及动力学仿真 快速操作机构提供的动作特性需要满足一些要求： ( 1 ) 当开关手柄由分闸位置拨向合闸位置时，要求运动时间短，合闸时间一般要小 于8 0 m s ； ( 2 ) 当开关手柄由合闸位置拨向分闸位置时，运动时间的要求要低于合闸时问，分 闸时间一般小于1 2 s ； ( 3 ) 开关手柄在合闸位置时，若发生线路短路等故障时，引起开关内部机构脱扣动 作，将开关触头断开，这需要快速操作机构有足够空间让开关脱扣，并且还能将断路器手 柄拨回分闸位置； ( 4 ) 低压开关电器运行动作必须安全可靠，因此快速操作机构的使用寿命必须达到 1 2 万次以上，这样才能满足工业产品的要求； ( 5 ) 快速操作机构如在发生机构本身电力故障时，需要有应急操作，可以手动进行 分合闸。同时机构应带有锁定功能，可防止操作人员误碰发生机构误动作，带来不必要的 麻烦。因此快速操作机构应具备手动、电动双重控制并可锁定。 2 2 2 快速操作机构的总体设计方案 开关的基本工作状态决定了快速操作机构所需的机构运动特性。图2 2 中的框图说明 了快速操作机构应具备操作功能、指示功能和安装功能。应当指出的是，操作功能只是快 速操作机构应具备的基本动作特性，而指示功能和安装功能则是方便专业人员使用与操 作，使工业产品更加人性化。 1 8 图2 2 快速操作机构的机构功能图 江苏人学高教硕+ 学位论