（机械设计及理论专业论文）跷板式开关装置机械动态性能分析.pdf

摘要 低压电器产品的设计过程十分复杂。要设计一台性能优良、工作可靠、价格合 理的低压电器开关产品，必须经过电气特性与机械特性的反复计算与研究。即使这 样，设计计算参数与产品实际性能，仍然会有很大差距，必须通过反复的试验验证。 因此低压电器产品开发周期长、资金投入大。跷板式开关装置属于低压电器的一种， 设计开发过程具有相同的特点，对其进行分析研究，具有一定的工程应用价值。本 论文主要以跷板式开关动、静触点闭合时，触点力的分析研究为主要内容，基于三 维模型进行跷板式开关有限元结构分析和优化，计算了典型开关关键结构参数对于 触点力分布的影响。 首先采用p r o e 三维设计软件对跷板式开关进行三维建模，并应用h y p e r m e s h l s d y n a 分析平台对开关进行有限元计算与分析，通过采用试验设备对实际开关模 型进行触点力的测量，验证了有限元模型的正确性和可靠性，得出了开关触点力随 关键结构参数变化的分布规律，提出了关于如何提高并稳定接触压力值的方法。在 此基础上，选取弹簧长度、按钮套筒长度、按钮的摆角角度作为试验因素，通过有 限元仿真分析和正交试验方法考察了各因素变化对接触压力大小的影响，得到最佳 参数组合，对实际生产有一定的指导意义。 本文通过理论分析和有限元分析方法、试验验证以及正交试验等多种方法相结 合对跷板式开关结构触点接触压力的分析研究，为低压电器分析设计计算问题提供 了科学依据，为设计产品性能稳定、可靠的跷板式开关结构奠定了基础，同时对促 使企业在行业内达到技术领先，提高企业核心竞争力起到了积极而重要的作用。 关键字：开关，弹簧，有限元分析，正交试验，参数优化 a b s t r a c t t h ed e s i g np r o c e s so fl o w v o l t a g ea p p a r a t u si sv e r yc o m p l i c a t e d i tm u s tc a l c u l a t e a n dr e s e a i c ha b o u tt h ee l e c t r i cp r o p e r t ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yt od e s i g nag o o d p e r f o r m a n c e ，w o r k i n gs e c u r i t y ，l o w c o s tl o w v o l t a g es w i t c h g e a rr e p e a t e d l y e v e nt h o u g h ， t h e r ea r eg r e a td i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ed e s i g np a r a m e t e ra n dt h ea c t u a lc a p a b i l i t y i tn e e d s e x p e f i m e n tc o n f i r m a t i o na g a i na n da g a i n s o t h ec i r c l eo fd e v e l o p i n gp r o d u c t si sl o n ga n d t h ec a p i t a li n v e s t m e n ti sg r e a t r o c k e rs w i s hb e l o n g st o o n ek i n d o fl o w 。v o l t a g e a p p a r a t u s i ti ss i m i l a rt ot h e m i nd e s i g na n dr e s e a r c hp r o c e s s ，s ot h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c h h a sl a r g er e a l i s t i cm e a n s t h ec o n t a c tf o r c ei sm a i n l ya n a l y z e d ，d ot h ef e aa n a l y s i sa n d s t m c t u r a l o p t i m i z a t i o n b a s e do nt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l c a l c u l a t et h e s t r u c t u r a l p a r a m e t e r sh o w t oi m p a c to nc o n t a c tf o r c e f i r s to fa l l ，b u i l dt h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lu s i n gp r o ea n da n a l y z et h er o c k e r s w i t c hb yf i n i t ee l e m e n tm e t h o dw i t hh y p e r m e s ha n dl s d y n a ，m e a s u r et h ea c t u a l c o n t a c tf o r c ew i t ht h et e s t i n gi n s t r u m e n t a f t e rc o m p a r e dt ot h et w o k i n d so fr e s u l td a t a ，i t p r o v e st h a tt h ea c c u r a c ya n d t h er e l i a b i l i t yo ft h ec a l c u l m i o na n dt h ea n a l y s i sw i t hf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，a n dg e tt 1 1 ed i s t r i b u t i o nh o w t h ec h a n g e dk e yp a r a m e t e r si m p a c to nt h e c o n t a c tf o r c ev a l u ea n dp r o v i d es o m ec o n s t r u c t i v ep r o p o s i t i o no nh o w t oi m p r o v ea n d s t a b i l i z et h ec o n t a c tf o r c e t h e na no r t h o g o n a le x p e r i m e n ti sd e s i g n e dw i t hs p r i n gl e n g t h ， r o t a t i o na n g l eo fb u t t o na n ds l e e v el e n g t h ，a si t st h r e ef a c t o r sf r o mw h i c ha c o n c l u s i o nc a l l b em a d et oa j u s te a c hk e yp a r a m e t e rt oi n c r e a s et h ec o n t a c tf o r c ea n df i n dt h eo p t i m u m c o m b i n a t i o no fd e s i g np a r a m e t e r st og u i d ep r o d u c t i o n n e x t f r o ma l lt h ea n a l y s i sm e t h o d s - m e o r ) ra n a l y s i s ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ， t e s t i n 舀a n do r t h o g o n a le x p e r i m e n tw eg e tt h em a i nf a c t o ra f f e c t i n gt h ec o n t a c tf o r c e w e c a ns u p p l yt h es c i e n t i f i ce v i d e n c ef o ra n a l y s i sa n dd e s i g no fl o w 。v o l t a g ea p p a r a t u s i t i s f o u n d a t i o nf o rt h eg o o dp e r f o r m a n c ep r o d u c td e s i g n ，a n di si m p o r t m e n tt om a s t e rt h et o p t e c h n i q u ea n di m p r o v e t h ec o m p e t i t i o nf o rt h ec o r p o r a t i o n k e yw o r d s ：s w i t c h ，s p r i n g ，f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ， i i p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：牛 曲年吲e l 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：堕卜 对年f 月刁日 硕士学位论文跷板式开关装置机械动态性能分析 1 绪论 1 1 课题来源、意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于与浙江正泰建筑电器有限公司合作的项目跷板式开关装置机械动 态性能仿真分析。论文重点针对研究对象主要存在的问题，研究了跷板开关的工作 原理以及动静触点闭合时触点之间的接触压力，有限元分析技术在结构优化方面的具 体应用，正交试验设计方法等。本课题来源于企业对解决工程问题的需求，具有很强 的针对性、工程背景和实用价值。 1 1 - 2 选题意义 低压电器通常是指在低压配电系统和控制系统中起开关、控制、保护、检测、指 示和报警等作用的元件或装置。它的品种、规格繁多，应用面很广，在机械行业中是 基础配套件，在配电系统中低压成套开关设备起着至关重要的作用，甚至在家庭中， 人们也越来越普遍使用低压电器。我国现行标准将工作电压为交流1 0 0 0 v 、直流1 2 0 0 v 以下电气线路中的电气设备称为低压电器心1 。低压电器按其控制对象可分为：低压控 制电器和低压配电电器；根据其工作条件或使用环境条件可分为：一般工业企业通用 低压电器和特殊用途低压电器( 包括：牵引低压电器、船用低压电器、矿用低压电器、 航天用低压电器、热带型低压电器、高原低压电器) 。低压电器基本上包括1 2 类产品： 即刀开关和转换开关，熔断器、断路器、控制器、接触器、起动器、控制继电器、主 令电器、变阻器、调整器、电磁铁1 。 本文的研究对象为建筑电器最常用的跷板开关，也称面板开关，其额定电压：2 5 0 v 额定电流：i o a 。因此，跷板式开关属于低压电器的一种。 目前国内由于企业数量增加太多，我国低压电器制造业面临着供大于求的严峻形 势，再加上国外一些电器公司面对着中国这个巨大的市场也一涌而上，更加剧了竞争 的激烈程度。中国低压电器高端市场几乎被西门子、施耐德等跨国公司垄断，国内产 品大多集中于中低档产品。近来原材料价格大幅度上涨，能源供应的持续紧缺，也使 得行业利润率大幅下滑。 新竞争条件下，国内低压电器企业正遇到发展瓶颈。与国际同类产品相比，温州 电器产品知识技术落后1 5 年左右。从国际市场看，电器产品大多数属模仿产品，属原 创性的自主知识产权的产品很少，经常遭受侵权指控；国外的各类认证体系、新技术 标准体系和产品环保要求和反倾销是温州电器产业的一道严重的技术门槛。从国内电 器市场看，国内电器产业面临跨国公司的挤压和国内同行的激烈竞争。 l 绪论硕士学位论文 一直以来，浙江正泰以“争创世界名牌、实现产业报国 为自己的企业使命。 “正泰商标在中国低压电器行业首批获得“中国驰名商标 称号，并被中国工业经 济联合会列为“向世界名牌进军的优秀企业。从2 0 0 2 年开始，正泰进一步明确了“主 推自有产品，树立正泰品牌，组建销售网络，推进集团国际化进程 的国际化战略指 导思想，积极开拓国际市场。现在，正泰的部分产品业已进入国际高端市场和重点工 程，并先后成功与沙特、古巴、埃及等国家电力部门合作，设立了埃及合资工厂等， 成为中国民营企业的佼佼者1 。 2 0 0 7 年，正泰将在这一方面继续发展，努力打造世界一流电气制造企业，这也代 表了中国民营企业的发展方向。当前，中国的民营企业已开始由产品经营向品牌经营 转变，由本土化经营走向国际化经营。 正泰建筑电器正是由于面临来自上述国内和国外的种种压力和自身发展的需要， 有了这次研究项目的合作；也正是大力实施自主创新战略的开始，着力提高产品的技 术含量和品牌价值；旨在通过与高校建立“产、学、研 的合作形式，充分利用现有 资源，重视新产品开发和技术改造，有效提高企业素质和竞争力：同时对于壮大我国 民营企业力量和支持民族产业起到积极而重要的促进作用。 1 2 低压电器技术 1 2 1 低压电器的设计 电器在工作过程中涉及到电、磁、光、热、力、机械、材料、绝缘、电接触、可 靠性等多方面的原理与技术。电、磁、光、热、力、机械等能量的转换规律大多是非 线性的，许多现象是一种瞬态过程，使得低压电器的理论分析、产品设计、性能检验 变得极为复杂。在分析与设计低压电器产品时，除采用低压电器传统理论基础：电接 触理论、电弧理论、发热与电动力理论、电磁机构理论等进行必要的理论推导、分析 计算之外，还使用了大量的经验数据。因此要设计出性能优良、价格合理的低压电器 产品十分困难1 。 低压电器产品的设计过程十分复杂。要设计一台性能优良、工作可靠、价格合理 的低压电器开关产品，必须经过电气特性与机械特性的反复计算与研究。即使这样， 设计计算参数与产品实际性能，仍然会有很大差距，必须通过反复的试验验证。因此 低压电器产品开发周期长、资金投入大。低压电器的设计过程如图1 1 所示1 ： 2 硕士学位论文跷板式开关装置机械动态性能分析 图1 1 低压电器产品的设计过程框图 从上图中可以看出，对低压电器产品的设计，首先，必须从传统的静态分析、近 似计算、经验分析转化到基础电磁机构动态数学模型的优化设计阶段。早期电器产品 的研制开发，由于条件限制，大都是以静态特性为研究对象，往往忽略许多不定因素 或难以计算的参数。显然，静态特性无法准确反映电器在工作过程中的实际特性，因 此，设计出来的电器产品性能指标达不到预期目标。 动态特性可以描述电器实际的工作过程与状态变化，揭示在不同时刻各参量间的 关系，表明各参量随时间的变化规律。作为传统低压电器产品执行部件的触头系统， 闭合过程中的弹跳、火花、二次振动熔焊与磨损、闭合状态的动静触头接触特性、打 开过程的电弧、打开状态的绝缘问题等等都涉及到动态过程的分析与计算。 采用最新优化设计方法，以遗传算法建立优化动态数学模型，设计出体积小、重 量轻、成本低价格合理、工作可靠、性能优良的电器产品是电器产品设计技术的一次 飞跃。 1 2 2 智能化技术在低压电器中的应用 近年来，电器的设计、研制和开发进入了一个崭新的时代。电器技术理论和电器 产品结构正处于不断更新和全面提高的阶段。传统的有触点电器在结构原理、最佳结 构设计和应用新材料、新工艺方面不断创新和完善：真空电器、半导体电器以及其他 新型电器如微电子技术和电器技术结合的机电一体化电器或智能化电器亦在开拓发 展之中；电器产品向着组合化、成套化发展1 。 将智能化技术引入低压电器，使低压电器技术在研究、检测、生产的各个环节上 发生了根本的变化。 ( 1 ) 智能化的设计技术 3 l 绪论 硕二i ：学位论文 随着计算机技术的飞速发展，c a d 、c a e 和c a m 技术使低压电器的设计与研究跨进 了一个新阶段，产品开发周期大大缩短。三维计算机辅助设计系统集设计、制造和分 析于体。计算机辅助设计包含结构设计、实体造型、特性分析与动态显示功能。c a d 软件具有相应的专家模块，可以很方便的根掘性能要求确定电器的结构形式，合理安 排激磁系统、反力系统选择合理的触桥类型、灭弧装置等。低压电器产品的造型非 常复杂计算机系统可以方便的根据给定的离散数据与工程问题的边界条件，来定义、 生成、控制和处理从而提供构成产品几何模型所需要的曲面模型。 c a d c a m 技术不仅能够进行电器的外观设计而且还具有很强的计算能力。有限 元算法是当今电磁场计算的主要算法之一具有三维有限元剖分的计算机软件可以帮 助电器工程师进行电磁场计算。计算机分析软件包括运动分析、受力分析、有限元分 析、塑料压注成型分析等等。其动态显示功能可以使设计师直观的观察、构思、检验 产品模型，解决三维几何模型设计的复杂空白j 布局等问题。 总之，计算机辅助设计包含了零件设计与装配直至产品总装，设计者可以直接在 计算机屏幕上观察、构思、修改、研究、检查电器产品计算机模拟与仿真技术的应 用可以在样机制作前，精确掌握电器产品的性能减少重复样机制作降低实验费用 大大缩短了产品的设计周期，提高了产品的性能指标，改善了电器工作者的劳动条件。 低压电器的基本特性包括通断能力、温升、零部件的强度、热稳定、绝缘性能及 其他电气性能等。这就需要对设计对象的电磁场、应力场、磁场等物理场进行仿真和 分析。计算机模拟仿真技术的发展、有限元分析软件性能的不断提高，为这种新技术 在低压电器中的应用创造了条件。2 0 世纪9 0 年代以来用特征造型方式输入三维图形 代替繁琐的数据输入，使输入工作变得简单、直观，后处理阶段可以方便的观察输出 的数据或对三维图形进行分析。通过计算仿真可以得到产品设计的可行性方案，满足 产品的技术要求。但是，如果想要实现经济技术指标最佳就必须将仿真技术与最优 化方法结合起来，才能达到预期效果。随着计算机图形技术的迅速发展，虚拟技术将 引入低压电器的设计领域。设计者可以在虚拟环境中，对电器产品进行仿真与优化 这将使我国低压电器的设计、研究达到一个更新的阶段。 ( 2 ) 智能化的检测技术 要开发性能优良的低压电器产品，必须要有先进的测试、检验手段。2 0 世纪9 0 年代人们提出了“可测性设计的观念。在系统设计开始就同时考虑测试问题，并同 时进行可测性设计，缩短了产品的开发周期1 。光机电电磁电器动态测试装置已经研 究开发成功。将计算机技术、传感器技术、电力电子技术与电器技术结合在一起，实 现了电器动态过程各参数的可视化实时检测。应用了软测量技术、数据融合技术以及 模糊识别技术，解决了难以直接测量的特性参数的软测量、电器动态过程中的疏失误 差以及电器性能的综合评估等问题。目前已应用于新型智能交流接触器的研究与开发 4 硕 ：学位论文跷板式开关装置机械动态性能分析 中。为深入研究电器的实时最优控制，达到最优运行与大幅度提高其性能指标，缩短 设计周期起到了重要的作用3 。 测试装置的原理如图1 2 所示： 图1 2 光机电电磁电器动态测试装置原理图 1 3 国内外发展现状 1 3 1 国内外低压电器的发展趋势 不断吸收应用各种相关新技术是国内外低压电器发展的一大趋势，它主要包括以 下几个方面： ( 1 ) 智能化技术的应用 近年来，由于计算机芯片的集成度越来越高，体积越来越小，处理速度越来越快， 而价格越来越低，使得越来越多的生产厂商将智能芯片集成到低压电器产品中，形成 智能化的低压电器，如智能断路器、智能热继电器、智能接触器、智能电动机保护器 矗占 寸。 智能断路器就是将智能监控器的功能与断路器集成在一起，主要是实现了脱扣装 置的智能化。断路器的保护功能大大加强，可实现延时、瞬时过流保护，接地、欠压 保护等功能。在断路器上还可显示电压、电流、频率、有功功率、无功功率，功率因 数等系统运行参数。目前，由于在供电系统中大量使用软起动器、变频器、不间断电 源等装置，使电网和配电网络中存在大量高次谐波，传统模拟式电子脱扣器一般只反 映故障电流的峰值，会造成断路器在高次谐波的影响下发生误动作，而带微处理器的 5 l 绪论 硕1 二学位论文 智能化断路器反映的是负载电力的真实有效值，可避免高次谐波的影响。 与传统的双金属片热继电器相比，微电子控制的智能热继电器具有下列优点：可 用于电动机过载、断相、三相不平衡、反相、低电流、欠压等故障保护；可数字显示 故障类型；可保护不同起动条件与工作条件下的电动机并且动作可靠1 。 ( 2 ) 现场总线技术的应用 近1 0 年来，由于计算机信息技术的飞速发展，带动现场总线技术发生了日新月异 的变化，无论建筑总线还是工业现场总线都是如此。现场总线技术影响到各种电器产 品，基于总线技术的电器产品应有尽有，如各公司新开发的智能断路器都具有通信接 口，可以与现场总线连接，其通信功能一般嵌入于智能监控器。计算机总线技术的应 用，不仅提高了低压配电与控制系统的自动化程度，同时实现了信息化，使低压配电、 控制系统的调度、操作和维护实现了四遥( 遥控、遥信、遥测、遥调) ，提高了整个系 统的可靠性】。 ( 3 ) 母排安装及连接两位一体技术的应用 所谓电器产品母排安装及连接两位一体技术，就是将电器产品直接安装在成套柜 体内的母排上，在安装的同时实现导电连接。它主要由熔断器开关、断路器等安装底 座、主接线座、附件等构成。该技术在电器产品的应用中具有如下特点和优势：。减少 导电连接，提高可靠性；极大地方便安装与导线连接，维护更为方便：大大减小所占 空间，从而使成套柜体的体积大为缩小；节省材料，降低成本1 。 ( 4 ) 新的灭弧系统和限流技术 由于电力系统发展的需要，对低压开关电器提出了高性能和小型化的要求，传统 的灭弧系统已不能满足对低压开关电器丌断能力的要求。因此，国内外致力于研究新 的灭弧系统和限流技术，实现电器的无飞弧。如采用一种三维磁场集中驱弧技术来提 高塑壳断路器的开断性能：采用旋转式双断点的限流结构，并在前后级保护特性配合 方面实现能量匹配以提高开关电器开断能力；采用新的绝缘材料抑制由于电极的金属 蒸气扩散至绝缘器壁上形成的金属粒子堆积层，加强对电弧的冷却作用等。 此外，随着楼宇自动化和工业自动化的发展，系统中使用的电子产品日益增多， 对雷电过电压的防护越来越引起人们的重视。低压防雷技术及产品的研发也将成为今 后的热点。同时，电器产品的开发和使用从过去注重追求高指标逐步趋向于追求高可 靠性、小体积、低成本及绿色环保。 过去低压电器的发展主要集中在机械学和强电技术上，而今天的发展，电子学和 通信成为必不可少的组成部分，特别是电流和电压的测量由于采用传感技术而引起广 泛关注池1 。低压开关设备未来将机械学、强电技术、电子学及通讯构成一个整体( 如 图1 3 f f i 示) 。 6 硕士学位论文 跷板式开关装置机械动态性能分析 图1 3 低压开关设备未来技术构成 1 3 2 我国低压开关电器产品特征 经过5 0 多年的发展和几代人的不懈努力，低压电器产品从解放前的一穷二白，到 目前已经形成较完整的生产体系，不管从品种、规格、还是产品的技术指标、生产的 规模，都己能满足我国各行业对低压电器产品的需要。由于企业不断引进国外先进技 术，再加上我国电力装备的发展带动了低压电器技术和产量的不断提高，整个行业的 发展情况比较乐观1 。 从产品结构特征上看，开关电器产品具有如下特点： ( 1 ) 隔离触头位置趋向明显可见 特别是容量较大具有隔离功能的开关电器往往被用作配电线路中电源的隔离之 用。为确保维修人员的安全，往往在设计中迎合使用者的要求，首先考虑隔离触头位 置明显可见。例如早先设计的h d l 7 s 隔离器，虽然结构简单，但其产品的主触头位置 明显可见，并且价廉物美，深受用户欢迎。近期推出的g l 系列隔离开关电器性能优越， 在结构设计上有直接观察触头通断状态的窗口，又例如b m h 系列熔断器式隔离开关， 在其隔离触头上方的盖中央，采用透明面板，使用者可清楚观察其内部工作状态。有 的还可以在操作手柄上加装挂锁，多达3 把，以确保维修人员的生命安全。 ( 2 ) 采用半无关人力操作，提高合分速度 半无关人力操作是完全靠直接施加达到某一阀值的人力的一种操作，所施人力超 过阀值时，除非操作者故意延迟，否则将完成无关通断操作。 ( 3 ) 操作方式多样化，满足用户需要 例如：手动操作的h d l 7 s ( h ) 系列刀形隔离器的操作方式有中央手柄或杠杆式、侧 面手柄或杠杆式及中央旋转操作等多种方式，可满足成套装置各种要求。 ( 4 ) 条形布置的多极开关电器 多极开关电器的结构设计大多为并列布置。近期又发展一种条形布置的结构产 7 1 绪论硕士学位论文 品，此种结构最大的优点是由于宽度减小就可以在同样标准的柜体内增加输出供电的 回路数，以达到节约设备投资。该产品可固定式安装或挂接式安装，在使用中，电流 互感器也可以完全置于该隔离开关的底座中，而不占用外部空间，因而深受欢迎。 ( 5 ) 操作方式电动化 开关电器的操作大都为手动。由于容量的增大带来手动操作力过分增大，使人为 不能胜任，同时也影响可靠合闸而降低产品性能。因此，对大容量的开关电器在设计 上采用电动操作。为满足远距离控制要求，在不同容量的开关电器中开始装置专配的 电动操作机构。 ( 6 ) 绿色环保、节材、节能 近期，新研发的开关电器，开始采用绝缘性能良好的可回收塑料制造外壳。在导 电系统的设计中也尽量缩短进出的导电回路长度及降低接触电阻，以满足绿色环保、 节材、节能的要求哺3 。 开关电器近期的发展不仅在结构设计上有创意，而且在功能上也向多样化发展， 以满足用户降低投资成本的需求。 从产品功能特征上看，开关电器产品具有如下特点： ( 1 ) 多种机械联锁 例如：具有隔离功能的开关电器在隔离位置可安装专用挂锁的联锁装置。按需要 可用多至3 把挂锁锁住操作手柄，真正做到确保维修人员的安全。 ( 2 ) 增加辅助触头数量 开关电器的辅助触头用于电气联锁或电气上控制之用。通常1 台开关电器只带1 2 个辅助触头，用户只能加装中间继电器来扩大控制回路数。目前，新研发的开关电 器已有把辅助触头的数量明显增加。给用户使用提供极大方便，又节约了投资成本。 ( 3 ) 提高性能，满足多种用途 开关电器主要用于配电系统作供电及电源的隔离。随着控制单台电动机情况的增 加，许多制造商通过试验研究，纷纷提供适用于3 相标准异步电机的容量供用户选配。 此外，随着电容器柜应用开关电器的增加，制造商又纷纷提供适用的额定电容器容量 供用户选配。当今的开关电器通过提高性能，既能满足感性负载通断要求，也能满足 容性负载通断的要求。 ( 4 ) 安装方式多样化 由于开关电器价格适中，性能又不低，近来需求量日益增大。为满足各种安装情 况，制造商纷纷推出各种安装方式的产品。主要安装方式有：固定式安装、插入式安 装、轨道安装、直接汇流排安装、面板式安装、挂接式安装。 ( 5 ) 开发附件扩大功能 新推出的开关电器往往可带有各种附件，在不增加体积( 或宽度) 的情况下可附加 硕士学位论文跷板式开关装置机械动态性能分析 安装各种附件，以达到扩大功能，提高安全可靠性。主要附件有：辅助开关、挂锁、 电子熔断器监测器、专用电流表及电压表、相间隔板及电缆保护器、电源插头娜3 。 1 4 本课题主要内容 1 4 1 问题描述 从国内外的发展趋势来看，许多高端产品相继面世，智能化技术在低压电器中开 始应用，可以说发展前景是乐观的。但是，我国企业产品知识技术与国外相比差距很 大，又面临着严峻的形势。 目前，我国低压开关电器产品产值已达4 0 0 亿元，但由于长期仿制为主，缺乏系 统的理论与关键技术支撑，使得产品的技术含量低，缺乏国际竞争力。 由于本文分析的产品为跷板式开关装置，所以针对此种开关作重点讨论。我们先 从国家标准入手进行分析。 在g b l 6 9 1 5 卜1 9 9 7 o 5 m m 的弹簧，两支承端面则需磨平。磨平部分应不少于圆周长的3 4 。 端头厚度一般不小于d 8 ，端面粗糙度应低于可。 以上设计参数，在选择弹簧时就要加以考虑。 为了保障弹簧能够可靠地工作，其材料除应满足具有较高的强度极限和屈服极限 外，还必须具有较高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性、塑性和良好的热处理工艺性 等。实践中应用最广泛的就是弹簧钢，其品种又有碳素弹簧钢、低锰弹簧钢、硅锰弹 簧钢和铬钒钢等。 2 3 3 圆柱螺旋弹簧的变形分析 弹簧在轴向载荷，、径向载荷f 和弯矩m 作用时的变形分析，如图2 3 所示的圆 柱螺旋弹簧，其下端固定，上端除可轴向移动外，亦可径向自由移动和转动。上端作 用有轴向力，、径向力f 和弯矩m 。对这种情况进行弹簧变形的分析时，为了简便 起见，将弹簧看作当量悬臂梁。但与钢质悬臂梁不同之处是要考虑切变形和悬臂长度 随载荷变化的情况。 硕士学位论文 跷板式开关装置机械动态性能分析 图2 3 一端固定的螺旋弹簧的变形分析 为了能同时考虑轴向载荷和剪切变形的影响，在进行变形时，先分别进行分析。 首先，暂不考虑剪切变形的影响。这样，按图2 3 所示，由当量摩擦悬臂截面上 的力矩平衡可以列出如下微分方程式 堡+ 七z 工：一惫 d z 2 2m + e ( h z ) k z ：曼 b 式中b _ 当量悬臂梁的弯曲刚度，具体详见弹簧手册式( 7 - 4 5 ) 。 此微分方程的通解为 x ：口s i n k z + b c o s k z 一m + f r ( h - z ) ，。 式中常数a 和b 可如下确定。其边界条件为z = 0 时，d x d z = 0 ；z = h 时，工= 0 ， 由此得 口：一曼三 fk 和 6 = 了m ：丽1 + i f rt t a n k h 将口和6 代入上式，且当z = 0 时工= f r ，从而得到弹簧受载荷的径向变形 ，= 等c 击叫毒日c 警叫 防。， 在只有轴向载荷f 和径向载荷f 作用的情况下，根据上式得径向变形 f = 等厅( 警_ 1 ) 浯2 a ， 耻牌= 日居，代入( 2 - 2 a ) 式，并经变换后得 1 9 2 开关装置摧奉知识及弹簧机构理论分析硕士学位论文 ，= 百f , h s 丁3 ( t a n u - u ) = 型3 b ，7 ( 2 2 b ) n 3 b“3 吖 刁= 3 ( t a r n u - u ) ( 2 - 3 ) 式( 2 2 b ) 中，c h 3 ( 3 8 ) 相当于弹簧受载荷端只有径向载荷c 作用，而且也不 考虑切变形时的径向变形。而r 相当于轴向载荷f 对径向变形，的影响。当f 较小 时，“也较小( 此时t a n u u + u 3 3 ) ，因而从式( 2 - 3 ) - q - 以看出刀接近于1 。 由式( 2 3 ) 可以看出，当u = 万2 时，7 接近于无穷大，于是可得弹簧的临界载 荷为 c = 害 ( 2 4 ) 从而 巧雨 胪了1 瓦 2 、f 弹簧在径向载荷只作用下，如考虑到切变形，可知其径向变形为 ，= 型+ 型= 型( 1 + 而3b ) = 一f r h 3 3 b s3 bhs3 b z ( 2 5 ) 。、 z 77 。 z = ( 1 + 矿3i b ) z 相当于切变形对径向变形的影响。 综上所述，弹簧同时受轴向载荷f 和径向载荷f 作用下的变形，如果也考虑到 切变形，综合式( 2 2 b ) 和( 2 5 ) ，可得总的径向变形为 ，= 等祝 在此情况下，利用匕式计算r 时，所用临界载荷按下式计算 厂 。 s i c 2 j i l 另外，在实际应用中，常使螺旋弹簧的上下支撑面在工作中保持平行。在此情况 下，当量悬臂梁的中间截面处弯矩为零，因而从此点到固定点，也就是当量悬臂梁的 一半，类似于一端固定，另一端只有轴向载荷f 和径向载荷f 作用时的当量悬臂梁。 计算方法即与图2 3 所示情况完全一样，只要把所得径向变形乘以2 倍，便是所求结果。 经过类似数学推导，结果如下： 硕士学位论文跷板式开关装置机械动态性能分析 ，= 等卜3 ( 册 2 3 4 圆柱螺旋压缩弹簧的稳定性 圆柱螺旋压缩弹簧稳定性计算，一般是将弹簧看作一当量柱体，也即细长杆，然 后应用普通长柱体的稳定性理论推导出计算公式。因此，在分析弹簧的稳定性之前， 了解一下压杆稳定和相应的曲线方程，有助于我们更好的进行弹簧的稳定性分析。 ( 1 ) 压杆稳定概述 “稳定 和“不稳定是指物体的平衡性质而言。经得起干扰的平衡状态称为稳 定平衡状态，否则为不稳定平衡状态。 p pp ( a )( b )( c ) 图2 4 压杆稳定示意图 当受拉杆件的应力达到屈服极限或强度极限时，将引起塑性变形或断裂。长度较 小的受压短柱也有类似现象。这些都是由于强度不足引起的失效。细长杆受压时，却 表现出与强度失效全然不同的性质。设压力与杆件轴线重合，当压力逐渐增加，但小 于某一极限值时，杆件一直保持直线形状的平衡，即使用微小的侧向干扰力使其暂时 发生轻微弯曲( 图2 4 a ) ，干扰力解除后，它仍将恢复直线形状( 图2 4 b ) 。这表明压 杆直线形状的平衡是稳定的。当压力逐渐增加到某一极限值时，压杆的直线平衡变为 不稳定，将转变为曲线形状的平衡。如果再用微小的侧向干扰力使其发生轻微弯曲， 干扰力解除后，它将保持曲线形状的平衡，不能恢复原有的直线形状( 图2 4 c ) 。上 述压力的极限值称为临界压力或临界力。压杆丧失其直线形状的平衡而过渡为曲线平 衡，称为丧失稳定，简称失稳，也称为屈曲。 我们要设计的弹簧就是要使其丧失直线形状的平衡而过度为曲线平衡，保证弹簧 的失稳特性，只需很小的侧向力就可以实现开、关操作，满足手感的要求。 弹性稳定和不稳定的静力学准则： 2 l 2 开关裴冒基奉知识及弹簧机构理论分析顾i ：学位论文 在扰动作用下，直线平衡构型转变为弯曲平衡构型，扰动除去后，能够恢复到直 线平衡构型，则称原来的直线平衡构型为稳定的，反之为不稳定的。 懈黼= 竽 j r 2 f _ j 屈曲位移函数： w ( x ) = 彳s i n ( 丁n , r d ，1 2 一 最j 、l 临界载荷：= 字一欧拉公式 各种支撑压杆临界载荷的通用公式： = 等 “为压杆的长度系数 细长杆两端不同的支撑方式，“值有所不同。 一端自由，一端固定 ”= 1 o 一端铰支，一端固定 “- 0 7 两端固定“= o 5 两端铰支 “= 1 0 相应的表格形式如表2 2 ： 表2 2 支座与临界压力对应关系 支座 一端皇由 两端铰支 一端铰支 两端固定 情况一端固定 一端周定 k j钿 弦 一 a k i 一 简 且 r 图 。 】一 点 ，汀 凫，i y 工l21 0 7 0 5 临界 南= 韶如= 掌 一 ，r 豇 一 ，r e ， 压力凡2 磊杀凡：赫 硕士学位论文 跷板式开关装置机械动态性能分析 ( 2 ) 细长杆曲线方程 图2 5 细长杆轴线曲线图 选取坐标系如图2 5 所示，距原点为x 的任意截面的挠度为v ，弯矩m 的绝对值为p v 。 若只取压力p 的绝对值，则m 与v 的符号相反。 m = 一p v 对微小的弯曲变形，挠曲线的近似微分方程为 d 2 vm 嵌e i 由于两端是铰接，允许杆件在任意纵向平面内发生弯曲变形，因而杆件的微小 弯曲变形一定发生于抗弯能力最小的纵向平面内。所以上式的，应是横截面最小的 惯性矩。 d 2 v e i 窘w v = 。如吉 ( 2 6 ) 耐e i 以上微分方程的通解为 ，= a s i n h + b c o s h( 2 7 ) 杆件的边界条件是 x = 0 和工= ，时，= 0 由此求得 b = 0 ，a s i n k l = 0 从而细长杆轴线曲线为正弦曲线 v = 舢i n k x = 括 此式表明，a 或s i n ( k 1 ) 等于零。但因b 已经为零，如a 再为零，则( 2 - 7 ) 式1 ，兰0 ， 这表明杆件轴线任意点的挠度皆为零，它仍为直线。这就与杆件失稳发生了微小弯曲 2 开关装置基本知识及弹簧机构理论分析 硕七学位论文 的前提相矛盾。因此必须是：a s i ni d = 0 。 于是 k l = ，l ，r ， n = o ，1 ，2 ， 代入( 2 - 6 ) 式得 足= t n ：z 2 e i ( 3 ) 圆柱螺旋压缩弹簧的稳定性 高径比6 = h 。d 比较大的螺旋压缩弹簧，轴向载荷达到一定程度就会产生较大 的侧向弯曲( 图2 6 ) 而失去稳定性，进而破坏弹簧的特性。本课题中主要利用弹簧 的不稳定性。 圆柱螺旋压缩弹簧稳定性计算，一般是将弹簧看作一当量柱体，然后应用普通长 柱体的稳定性理论推导出计算公式。 此当量柱体的单位高度变形的压缩刚度 ， f 4 g i ，h o p 。2 历葡2 畜 弯曲刚度为：b 。：等 r , d n ( 1 + 兰1 1 g io 。 切变刚度为：s o ：8 e i b h 广o n 加 在发生侧弯前，弹簧将先发生比较大的变形，如图2 6 所示，弹簧变形前的高度 为日。，变形后的高度为日，则在发生侧弯前上列各刚度应为 硕士学位论文 跷板式开关装置机械动态性能分析 图2 7 所示为弹簧两端采用回转支撑时，发生侧弯后的情况。在此当量柱体的任 意截面上所受载荷有弯矩 法向压缩力 【 ， if v 、 - i 匙j (。1 一 】 (一l 一j l 、 ( j ( 】 屯 f j 隧 ( j j 、- j i午一 、 i f 图2 7 压缩螺旋弹簧的稳定性分析 n = f c o s 五f 径向压缩力 f r = f s i n 2 , f 2 , 式中旯当量柱体在此截面的回转角 a n 图2 8 压缩螺旋弹簧的稳定性分析简图 日一风 日一风 一 ，o ) ) 盛 & = = = 矿 鸢 s 2 开关装置基本知识及弹簧机构理论分析硕士学位论文 图2 8 所不，月a 为焊黄禾党载衙时的轴线阴半仃线，刀，7 为截回明法线，由于男剀 变形的影响，截面不再垂直弹簧轴线，彳6 为受载变形后与弹簧轴线的切线，从而得 烈：丝出：垦d z( 2 8 ) bb 专= 譬 由图2 8 可知变形后弹簧轴线方程 拿d z = 一( a + ) = 一( 1 + 三s ) 力 ( 2 9 ) 对式( 2 - 9 ) 再次微分后，代入式( 3 - 8 ) ，得 窘+ 吾( 1 + 争= 。 此方程的补充解为 x = c s i n q z + d c o s q z g = 伽+ i f ) g 2 、百( 1 + i ) 式中c 和卜待定常数 由图2 8 可知：z = 0 时x = 0 ，所以d = 0 ；而z = h 时，也是x = 0 ，x 的非平凡解，必须c 0 以s i n q h = 0 。g 日= n 7 ，当，z = 1 时，弘= 万，则得满足这些条件的最小的轴向稳 定性临界载荷，c 为 ff 尘( 1 + 量) 日2 = 7 2( 2 1 0 ) 义耿 1 一旦：h o - h ：五：c 。 h oh oh o 。 c = 每p 弗口害凰 从而得 鲁日= 每耻c bp o h 。 由于日= h o - l = h 。( 1 一c b ) 故有 硕士学位论文一 堕堡壅墅茎茎矍垫垫垫查丝堂一 c + 等，日= 1 一c 口( 1 一安 日。 将以上两式代入式( 2 - 1 0 ) ，整理后得 c 一番，玺风2 已一番日；c 口+ 万2 = o 从此式中解出c 占，整理后得 印每= 高 根据上式再考虑弹簧两端的支撑情况，可得弹簧的稳定性临界变形的一般计算式 驴高 ( 2 一 ) 为了使计算结果在实际工程上有意义，根号内不能出现负数，即 6 ：鱼三 d 弘静 ( 2 一詈) ( 1 + ) 式中与两端支撑状况有关的长度系数 根据此式可以计算出弹簧不失稳的高径比的极限值。对于钢质圆形截面材料的弹 簧，弹簧不失稳的极限高径比的计算公式为 丝 c 优水平 a 3b 3c 3 优组合 a