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c m 2 塑壳断路器操作机构研制中文摘要 中文摘要 塑壳断路器是低压电器产品中的重要组成部分，它的开断能力在很大程度上取决 于操作机构的性能。目前在国内断路器的设计过程中，操作机构的设计主要用图解法， 即通过作图的方法来获得每个时刻机构的运动位置，不仅过程繁琐，而且必须通过样 机实验来验证设计的正确性。 本文通过静力学分析的方法对塑壳断路器的合闸力及合闸力矩、操作力及力矩、 再扣操作力及力矩和脱扣力及力矩等进行了计算，确定了塑壳断路器操作机构各功能 杆件问的基本关系；在此基础上对c m 2 塑壳断路器给定触头参数条件下的操作机构进 行了建模，并利用虚拟样机仿真软件a d a m s 对该操作机构的运动进行了仿真，分析了 开断弹簧弹性系数、轴的位置、杆件的形状对操作机构开断速度的影响：根据仿真得 到的结果，制作了c m 2 塑壳断路器样机进行了机构动作实验、电寿命实验、分断实验 等验证仿真结果的正确性。 从实验的结果来看，操作机构的各项性能指标达到了研制要求，操作机构的实 验结果与仿真结果是吻合的，该操作机构的研制是成功的，并在常熟开关制造有限公 司得到有效的应用。 关键词：断路器操作机构仿真 作 者：张洵初 指导教师：倪俊芳 a b s t r a c tr e s e a r c ho no p e r a i n gm e c h a n i s mo fc m 2m o l d e dc a s ec i r c u i tb r e a k e r a b s t r a c t m c c b ( m o l d e dc a s ec i r c u i tb r e a k e r ) i sa ni m p o r t a n tp a r to fl o w v o l t a g ee l e c t r i c a l a p p a r a t u s ，i t si n t e r r u p t i n ga b i l i t ym o s t l yd e p e n d s0 1 1p e r f o r m a n c eo fo p e r a t i n gm e c h a n i s m d o m e s t i cd e s i g n e r sm a i n l yu s eg r a p h i c a ls o l u t i o nm e t h o d ，i e d r a w i n gt h ep o s i t i o no f m e c h a n i s mm o t i o na te v e r ym o m e n tt og e tm o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm e c h a n i s m s ，w h i c h h a sm a n yd i s a d v a n t a g e ss u c ha si n a c c u r a c y i nt h i sp a p e r , c l o s ef o r c ea n dt o r q u e ，o p e r a t i n gf o r c ea n dt o r q u e ，r e s e tf o r c ea n d t o r q u e ，r e l e a s ef o r c ea n dt o r q u eo fo p e r a t i n gm e c h a n i s m i sc a l c u l a t e dt h r o u g ht h em e t h o d o fs t a t i ca n a l y s i s ，t h eb a s i cr e l a t i o n s h i po fb a r si sd e t e r m i n e d ，b a s e do nc a l c u l a t i n gt h e b a s er e l a t i o n s h i po fo p e r a t i n gm e c h a n i s m ；t h em o d e lo fo p e r a t i n gm e c h a n i s mo fc m 2i s c o n s t r u c t e da n da d a m si su s e dt os i m u l a t et h em o v e m e n to ft h em e c h a n i s m ，t h ei n f l u e n c e s o fs p r i n g se l a s t i c i t y 、l o c a t i o no fs h a f ta n ds h a p eo ft h eb a r so nt h eb r e a k i n gs p e e do ft h e o p e r a t i n gm e c h a n i s m a r ea n a l y z e d b a s e do nt h er e s u l t so fs i m u l a t i o n ，m c c bo fc m 2i s m a d e t h ee x p e r i m e n to fo p e r a t i n gm e c h a n i s ma r et e s t e da n dv e r i f i e db yc o m p a r i s o nw i t h s i m u l a t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c ei n d e xo ft h eo p e r a t i n gm e c h a n i s m a r ea c h i e v e da sa b o v ed e s i g n e d ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si sv e r i f i e da st h es i m u l a t i o n t h e p e r f o r m a n c eo ft h ed e v i c ei sr e s e a r c h e da n dm a n u f a c t u r e ds u c c e s s f u l l ya n dp u ti n t ou s e e f f e c t i v e l yi nc h a n g s h us w i t c h g e a rm f g c o ，l t d k e yw o r d s ：c i r c u i tb r e a k e ro p e r a t i n gm e c h a n i s m s i m u l a t i o n w r i t t e nb y z h a n gx u n c h u s u p e r v i s e db y n ij u n f a n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或 撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材 料。对本文的研究作也重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承 担本声明的法律责任。 研究生签名：犯啕如 日期 学位论文使用授权声明 ：多2 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、中国 社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期i 4 的保密论文外，允许论文被查阅和借阅j 可以公布( 包括刊登) 论 文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：；仓词锄日期工叫r 1 2 导师签名：乖厶f ( 琴 日期，pr 7 ； c m 2 塑壳断路器操作机构研制 第l 章绪论 第1 章绪论 作为低压电器的主要产品之一的低压断路器在低压配电系统中起着十分重要的 作用，主要用于在规定的非正常条件下接通、承载一定时间和分断电流。经过几十年 的发展，低压断路器已成为多功能、高性能和智能化的高级产品。在某种程度上，低 压断路器代表了一个国家低压电器工业水平，因此，很多国家都在这一方面进行了大 量的研究工作。本章主要介绍塑壳式低压断路器的定义、使用场合、发展历史以及在 塑壳式低压断路器机构仿真中应用的虚拟样机背景、意义，并简述了本篇论文的主要 研究工作。 1 1 塑壳式低压断路器的发展 1 1 1 塑壳式低压断路器概述 塑壳式低压断路器( 以下简称为塑壳断路器) ，断路器通常是按照灭弧方式进行 分类的塑壳断路器是一种带有去游离灭弧室的空气断路器。结构上在塑壳断路器的内 部装有触头、去游离灭弧室、操作机构、脱扣器等装置，体积小，结构紧凑。另外， 塑料外壳内部还可增加装设进行电气操作和电信号控制等所需的附属装置【l 】。 1 1 2 塑壳断路器的作用 塑壳断路器不仅能够以操作方式手动或电气操作方式断开和闭合正常状态下的 电路，而且能够在过载和短路等异常状态下自动分断电路。 1 2 3 塑壳断路器的发展过程 从何时开始就使用带触头的过电流断路器，这一点尚不明确。不过，从美国西屋 公司于1 9 2 4 年已经对装有双金属片和自由脱扣式操作机构的断路器提出专利申请来 看，可以推断当时在美国已经使用着与塑壳断路器结构相类似的保护用断路器了，那 时的操作机构成了现时塑壳断路器操作机构的基础。其后西屋公司于1 9 2 9 年发表研 制出一种具有塑料外壳和去游离灭弧室的断路器。这种断路器的结构与现在的断路器 的结构几乎是相同的。 1 9 4 9 年以前我国几乎没有断路器的制造业。新中国成立后，电器工业有了很大的 发展和进步，塑壳断路器经历了四代的发展：2 0 世纪5 0 年代，我国首次研制投产的 1 第1 章绪论c m 2 塑壳断路器操作机构研制 是仿苏( a 3 1 0 0 ) 的o z l 系列塑壳断路器；六十年代后期，针对d z l 体积过大，短路 分断能力偏小等缺陷，行业集中了几个主要厂家，对它进行大刀阔斧的改进，形成了 我国自行设计的第一代产品d z i o 系列；8 0 年代初又开发了第2 代产品d z 2 0 系列； 以此同时，上海华通开关厂、嘉兴电气控制设备厂分别从美国西屋公司和日本寺崎公 司引入具有8 0 年代初水平的技术，生产了h 系列和t 0 、t g 、t l 等系列，进入9 0 年 代又推出了c m i 系列、t m 3 0 系列【2 】。 1 2 虚拟样机技术的应用 1 2 1 虚拟样机的背景和目前发展状况 机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真，是国际上8 0 年代随着计 算机技术发展起来的计算机辅助工程( c a e ) 技术。工程师在计算机上建立样机模型， 对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实 物样机实验。运用虚拟样机技术可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短 产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显改善产品质量，提高产品的系统 级性能，获得最优化和创新的产品。 虚拟样机研究的是机械系统。它的研究范围主要是机械系统运动学和动力学，其 核心是利用计算机辅助分析技术进行分析，以确定系统及其各构件在任意时刻的位 置、速度和加速度，通过求解代数方程组确定引起系统及各构件运动所需的作用力和 反作用力，同时还融合了其它相关技术，如三维c a d 建模技术、有限元分析技术、机 电液控制技术、最优化等【3 】。可以预见，传统的实物实验研究方法，将在很大程度上 会被虚拟样机技术取代。目前虚拟验机技术已广泛应用到汽车、航天、铁路等多个方 面，产生了很大的经济效益。日本m i t s u b i s h ic o r p 将虚拟样机技术应用于各个方 面，从电器开关至汽车和卫星。m i t s u b i s h ie l e c t r i cc o m p a n y 工程师利用a d a m s 建 立了参数化断路器模型，修改其设计方案，使开发阶段的物理样机减少至一个，大大 地降低了开发成本，节约了数十亿日元。目前，国际上已出现了基于虚拟样机技术的 商业软件，a d a m s 是其中非常著名的虚拟样机分析软件。 美国m d i ( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 公司开发的a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i c a n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m ) 软件，是使用范围最广的虚拟样机仿真软件。用 a d a m s 软件，可以自动生成包括机一电一液一体化在内的、任意复杂系统的多体动力学 2 c m 2 塑壳断路器操作机构研制第l 章绪论 数字化虚拟样机模型，能提供从产品设计到修改、优化、试验规划甚至故障诊断各阶 段的仿真计算分析结果。a d a m s 能够分析零件动力特性、预测零件的变形、评价系统 振动水平、检查零件的运动干涉、确定零件载荷谱。a d a m s 利用交互式图形环境和零 件、约束、力库建立机械系统三维参数化模型，对运动性能进行高度逼真的仿真分析 和比较，并提供多种“虚拟样机方案，进行逼近和优化设计，能够自动输出位移、 速度、加速度和反作用力，仿真结果显示为动画和曲线图形，还可预测机械系统的性 能、运动范围、碰撞、包装、峰值载荷和计算有限元的输入载荷，同时支持同大多数 c a d 、f e a 和控制设计软件包之间的双向通讯。 1 2 2 虚拟样机技术在塑壳断路器中的应用 近年来，国内工厂和设计院、所纷纷引进如u g 、p r o e 等三维计算机辅助设计 软件，这类软件能实现在三维空间内零部件的实体造型、装配和自动生成工程图纸等 功能【4 】，但没有系统的整体运动仿真功能。因此，还要制作大量的样机来验证所设计 的产品的性能。应用虚拟样机技术中的仿真和优化，则可以解决这个问题。 塑壳断路器是由触头系统、灭弧系统、各种脱扣器及开关机构等主要部分组成， 其中开关机构是塑壳断路器的重要组成部分，它是实现操作手柄和各种脱扣器对触头 的分闸与合闸控制，它的性能直接影响断路器的开断能力。目前在国内塑壳断路器的 设计过程中，机构的设计主要用图解法，即通过作图的方法来获得每个时刻机构的运 动位置，不仅过程繁琐，而且误差较大。应用虚拟样机技术可以大大减少工作量，提 高准确性。由于断路器空载时机构运动是纯机械运动，因此可以用a d a m s 软件来仿真 操作机构的开断、闭合、脱扣等各种运动。图1 - 1 为在a d a m s 仿真中所用到的塑壳断 路器模型。 3 第1 章绪论c m 2 塑壳断路器操作机构研制 图卜1a d a m s 中的塑壳断路器 3 研究塑壳断路器操作机构的意义 塑壳断路器操作机构直接影响断路器的开断能力和电寿命次数。机构动作越快， 电弧拉长得就越快，电弧电压上升得就越快，这有利于电弧的熄灭。另外根据 e l l a b e l b e l 等人的研究，在相同触头参数下，机构动作得越快，电弧停滞时间越短， 如图卜2 所示。如果电弧停滞时间过长，进入灭弧室栅片越慢，会使灭弧室压强越大， 温度更高，不利于熄弧。研究表明，一般触头理想的运动速度为6 m s t 5 i 。 r r r r i ! ! 掣 1 1 l ，4 l 一一j 虬i i ，i ：立# = = = = 剖 l - = - - = - - r ，- - r - ，- r - ，- - r ，j ，r - - - - j - - - 一 51015 制斟拥岢避嘶舒 图卜2 触头开断速度和电弧停滞时间的关系 c m 2 塑壳断路器操作机构研制第l 章绪论 在限流式塑壳断路器中，操作机构动作速度慢可能会导致触头回落现象。当短路 电流到来的时候，由于触头回路动静触头之间产生的巨大电动斥力使得动静触头在脱 扣器未动作之前就提前斥开，电动斥力是一个随时间、电流、动静触头相对距离变化 而变化的力，在触头被斥开后会迅速变小，而触头弹簧反力却因为触头斥开而变大。 当触头弹簧的反力大于电动斥力的时候，触头就会有返回闭合位置的趋势。这时候如 果操作机构动作不及时的话，触头就会回落，导致触头烧蚀、熔焊6 】【7 1 。 塑壳断路器的灭弧性能固然主要是依靠设计优秀的灭弧室，但是操作机构对塑壳 断路器的灭弧性能也起着非常重要的作用，有必要对其进行深入研究【引。 1 4 本文主要工作 本课题的来源是常熟开关制造公司的c m 2 项目，本文工作主要分为四部分： 1 ) 简要介绍了虚拟样机仿真软件a d a m s 的仿真过程，并总结了一些在使用过程 中应注意的问题。 2 ) 采用静力学分析的方法对c m 2 塑壳断路器的机构合闸力及力矩、分闸力及力 矩、再扣力及力矩、脱扣力及力矩等进行了计算； 3 ) 根据动力学和运动学原理建立c m 2 塑壳断路器操作机构的模型，通过仿真分析 了各种参数对机构运动速度的影响； 4 ) 制作了c m 2 塑壳断路器的样机，对其各项性能指标进行了测试。 5 第2 章a d a m s 在断路器机构仿真中的应用c m 2 塑壳断路器操作机构研制 第2 章a d a m s 在断路器机构仿真中的应用 本章简要介绍了虚拟样机仿真软件a d a m s 的仿真过程，并总结了一些在断路器机 构仿真过程中应注意的问题。 2 1a d a m s 简介 a d a m s 软件包括3 个核心模块，v i e w ( 用户界面模块) 、s l o v e r ( 方程求解器) 、 p o s t p r o c e s s o r ( 仿真结果后处理) 。v i e w 可以满足一般机械系统的运动学和动力学 的仿真，对于一些特殊领域，a d a m s 提供了如c a r ( 轿车模块) 、a i r c r a f tl a n d i n gg e a r ( 飞机起落架模块) 、r a i l ( 铁道模块) 等专业软件包。 在a d a m s 的3 个基本程序中，a d a m s v i e w 提供了一个直接面向用户的基本操作 对话环境和虚拟样机分析的前处理功能，其中包括样机的建模和样机模型数据的输入 与编辑、与求解器( a d a m s s l o v e r ) 和后处理( a d a m s p o s t p r o c e s s o r ) 等程序的自 动连接、虚拟样机分析参数设置、各种数据的输入和输出、同其它应用程序的接口等。 a d a m s s o l v e r 模块在a d a m s 中处于心脏的地位，它自动形成机械系统模型的动力学 方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。a d a m s p o s t p r o c e s s o r 模块用来输 出高性能的动画，各种仿真结果数据曲线，还可以进行曲线编辑和数字信号处理等， 使用户可以方便、快捷地观察和研究a d a m s 的仿真结果。 2 2a d a m s 的机械仿真过程 用a d a m s v i e w 进行机械仿真的的基本步骤如图2 - 1 所示。以下对主要步骤进行 介绍并总结一些在使用中应注意的问题。 6 c m 2 塑壳断路器操作机构研制第2 章a d a m s 在断路器机构仿真中的应用 图2 - 1 虚拟样机仿真分析步骤 2 2 1 样机建模 对于虚拟样机的几何建模，a d a m s 提供4 种类型的几何体：刚性形体、柔性形体、 点质量和地基形体。点质量是指仅有质量而没有惯性矩的点，地基形体指没有质量和 速度，自由度为零，任何时候都保持静止的物体。每一个新产生的几何体都设有一个 参考坐标系：零件机架坐标系，在仿真过程中，几何体的尺寸和形状相对于该几何体 7 第2 章a d a m s 在断路器机构仿真中的应用c m 2 塑壳断路器操作机构研制 参考坐标系静止不变。 a d a m s 提供了丰富的基本形体建模工具库，如长方体、圆环等，也可以将若干基 本形体通过一定的方式组合，如通过合并两个相交的实体来形成复杂的几何形体，并 且可以添加几何体细节结构如边缘倒角、挖空等。除几何形状外，仿真分析时所需的 构件特性还包括质量、转动惯量、初始速度等。在几何建模时，程序根据设置的默认 值自动确定构件的相关值，也可根据需要修改构件特性。 相对于专业三维实体造型软件如s o l i d w o r k s 、u g 等，a d a m s 在复杂造型这一方 面的功能较差，但它提供了一个e x c h a n g e ( 图形接口) 模块，其功能是利用i g e s 、 s t e p 、s t l ，d w g d x f 等产品数据交换库的标准文件格式完成a d a m s 与其它 c a d c a m c a e 软件之间数据的双向传输，使a d a m s 与c a d c a m c a e 软件更紧密地集成 在一起。a d a m s e x c h a n g e 自动将图形文件转换成一组包含外形、标志和曲线的图形 要素，通过控制传输时的精度获得较为精确的几何形状。 在使用e x c h a n g e 模块转换c a d 图形文件时，应注意以下问题： 1 ) 在转换图形文件时，如遇到a d a m s 不支持的图形信息，e x c h a n g e 将采用线性 近试技术转换图形。如将i g e s 格式图形文件中的一些非线性形体转换为多边形或多 义线； 2 ) 构件的质量信息是进行仿真的重要基础数据，在转换c a d 图形文件时，可能 会丢失构件的质量和转动惯量信息，因此在输入图形后，应检查构件这一信息，必要 时重新输入； 3 ) 在c a d 应用程序中确立的零件装配关系，a d a m s 中可能不再使用，此时需要 采用一些特殊的方法来重新确定。 2 2 2 样机约束的施加 建模时，可以通过各种约束关系限制构件之间的某些相对运动，并以此将不同构 件组成一个机械系统，被连接的构件可以是刚体构件、柔性构件或者点质量。a d a m s 可以处理四种类型的约束： 1 ) 常用运动副约束，如转动副，棱柱副等。这类约束通过约束不同构件间的旋转 和移动自由度来使构件按需要运动； 2 ) 指定约束方向，即限制某个运动方向，如限制个构件总是沿着平行于另一个 构件的方向运动； r c m 2 塑壳断路器操作机构研制第2 章a d a m s 在断路器机构仿真中的应用 3 ) 接触约束，定义两构件在运动中发生接触时是怎样相互约束的； 4 ) 约束运动，如指定一个构件遵循某个时间函数按指定的轨迹规律运动。这类约 束通过定义机构遵循一定的规律进行运动，可以约束机构的某些自由度，另一方面也 决定了是否需要施加力来维持所定义的运动。 在添加约束时应注意以下几个方面： 1 ) 应逐步对构件施加各种约束，并经常对施加的约束进行试验，保证没有约束错 误，要注意选择对象的顺序和约束方向是否正确，a d a m s 中设定两个被连接的构件中， 构件l 被连接到构件2 上面；2 ) 应该注意约束的方向是否正确。错误的约束方向可 以导致某些自由度没有被约束而使系统运动混乱；3 ) 尽量用一个运动副来完成所需 的约束，如果使用多个，每个运动副实现的自由度约束有可能重复，这样会导致无法 预料的结果；4 ) 在没有作用力的状态下，通过运行系统的动力学分析来检验样机的 各种约束是否加的正确。 2 2 3 仿真分析 在建模和正确施加约束后，就可以对系统进行仿真。在仿真前，应确定仿真分析 要求获得的输出，并且进行一些最后的检验，建立正确的初始条件，然后设置相关参 数，如分析类型、时间、分析步长和分析精度等。a d a m s v i e w 可以自动调用求解程 序，再由求解程序完成以下四种类型的仿真分析： 1 ) 动力学仿真( d y n a m i c ) ：通过求解一系列非线性微分方程和代数方程，仿真分 析自由度大于一的复杂系统的运动和各种力； 2 ) 运动学仿真( k i n e m a t i c s ) ：通过求解一系列代数方程组，仿真分析自由度等 于一有确定运动系统的运动； 3 ) 静态分析( s t a t i c ) ：通过力的平衡条件，求解构件各种作用力的静态分析： 4 ) 装配分析( a s s e m b l e ) ：用于发现校正装配和操作过程中的错误连接，以及不 恰当的初始条件。 完成仿真分析后，程序自动回到v i e w 界面，因此可以视s o l v e r 为一个黑匣子。 a d a m s s o l v e r 默认的仿真输出包括两大类：一类是样机各种对象( 构件、力、约束 等) 的基本信息的描述，如构件质心位置等；另一类输出是各种对象的有关分量信息， - 如构件在x ，y ，z 方向的分力和总的合力等。此外，还可以利用a d a m s v i e w 提供的 测量手段和指定输出方式自定义一些特殊的输出。 9 第2 章a d a m s 在断路器机构仿真中的应用c m 2 塑壳断路器操作机构研制 仿真结果的后处理是通过调用独立的p o s t p r o c e s s o r 来完成的，这个模块主要提 供仿真结果的回放和分析曲线绘制功能。通过仿真结果的后处理，可以完成以下工作： 1 ) 对进一步调试样机提供指南；2 ) 可以通过多种方式验证仿真结果：3 ) 可以绘制 各种仿真分析曲线并进行一些曲线的数学和统计计算：4 ) 可以通过图形和数据曲线 比较不同条件下的分析结果。 一般程序默认的仿真初始设置是较理想的，不要随便改动。在对一个新的样机分 析的时候，应该最少进行不同迭代精度的多次分析，比较前后两次不同精度时的仿真 结果，在两种不同的迭代分析结果基本相同时，才可以认为获得了较可靠的仿真结果， 而且此时的迭代精度是最佳的迭代精度。 2 2 4 精制模型 初步仿真结果和实际情况还相差很大，因为在实际的系统中，存在着许多未知 参数，如弹簧的阻尼系数、各种类型的摩擦系数等，这就需要把仿真结果同某些 在实际中容易测量的量的实验曲线相对比，然后精制模型。在a d a m s 中实验数据 可以以文本的格式输入，并以图形的方式显示出来。精制模型是指通过修改各种 约束的参数来使样机与实际情况更接近。如a d a m s 在定义接触副时有两接触物体 的刚度系数、产生接触力的非线性指数、最大粘滞阻尼系数、最大阻尼时物体的 变形深度、动、静态阻尼系数等参数，定义转动副时有转动摩擦力矩臂长、摩擦 力矩预载荷、动、静态摩擦力矩阻尼系数等参数，通过调节这些参数的值可以仿 真结果与试验结果得到很好的吻合。 2 2 5 参数化建模与设计 精制模型后就可以仿真某些不易测量的量，但在实际应用过程中，有时需要对虚 拟样机可能出现的情况作进一步的深入分析，并进行优化设计。这时利用a d a m s 提供 的参数化建模和参数化分析功能可以大大提高分析效率。通过参数化建模，可以将参 数值设置为可以改变的变量。在分析过程中，只需改变样机模型中有关的参数，程序 可以自动更新整个样机模型，还可以有程序根据预先设置的可变参数，自动进行一系 列仿真分析，观察不同参数值下样机的变化。 进行参数化设计分析的第一步，是确定影响样机性能的关键输入值，然后对这些 输入值进行参数化处理。a d a m s 提供了参数表达式、参数化点坐标、运动参数化和设 计变量4 种参数化方法。 l o c m 2 塑壳断路器操作机构研制第2 章a d a m s 在断路器机构仿真中的应用 除了4 种参数化方法，a d a m s 还提供了几种参数化分析工具。参数化分析中，a d a m s 采用不同的设计参数，自动运行一系列仿真分析，然后返回分析结果，这样就可以观 察设计参数变化的影响。 a d a m s 提供3 种参数化分析过程：1 ) 设计研究( d e s i g ns t u d y ) ：设计研究考虑 一个设计变量的变化对样机性能的影响；2 ) 试验设计( d e s i g no fe x p e r i m e n t s ) ： 试验设计可以考虑多个设计变量同时发生变化时对样机性能的影响；3 ) 优化分析 ( o p t i m i z a t i o n ) ：通过优化分析，可以获得在给定设计变量变化范围内，目标对象 达到最大或最小值的工况。 根据图2 - 1 步骤可以完成一个复杂的机械系统的仿真，但为了使仿真能过顺利的 进行，在仿真中应注意一下几个问题【8 】： 1 ) 在最初的仿真分析建模时，不必过分追求几何形体的细节部分同实际零件完 全相同，因为这要花费大量的几何建模时间，而此时的关键是能够顺利进行仿真并获 得初步的结果。从软件的求解原理来看，只要仿真构件几何形体的质量、质心位置、 惯性矩和惯性积同实际构件相同，仿真结果是等价的。待获得满意的仿真分析结果以 后，再完善零件几何形体的细节部分和视觉效果； 2 ) 如果模型中含有非线性的阻尼，可以先从分析线性阻尼开始，待线性阻尼分 析顺利完成后，再改为非线性阻尼进行分析； 3 ) 在进行较复杂的系统仿真时，可以将整个系统分解为若干个子系统，先对这 些子系统进行仿真分析和试验，逐个排除建模等仿真过程中隐含的问题，最后进行整 个系统的仿真分析试验； 4 ) 虽然a d a m s v i e w 可以进行非常复杂的机械系统的分析，但在设计虚拟样机时， 应该尽量减小系统的规模，仅考虑影响样机性能的构件。 2 3 本章小结 本章主要从样机建模、样机约束的施加、仿真分析、精制模型、参数化建模和设 计等五个方面对a d a m s 的仿真过程进行了介绍，并总结了一些在仿真过程中应注意的 问题。为了仿真的顺利进行，在仿真过程要坚持从简单到复杂、从局部到整体的仿真 原则，这样有利于发现和解决仿真过程中出现的问题。 第3 章塑壳断路器机构静力学分析c m 2 塑壳断路器操作机构研制 第3 章塑壳断路器机构静力学分析 为了开发的产品具有竞争力，塑壳断路器的开发过程一般是这样的：首先确定 壳架断路器的外形尺寸，然后再细分灭弧室、操作机构、脱扣器等功能模块的空间尺 寸，在受控空间内如何来实现操作机构中各功能杆件的排布呢? 本章着重从静力学的 角度分析了各功能杆件的长度和位置对操作机构各项性能指标的影响【9 1 。 3 1 塑壳断路器机构工作原理 如图3 - 1 所示，机构由触头支架0 2 a 、下连杆a b 、上连杆b c 、跳扣、锁扣等部 分组成。动触头连同支架可绕0 2 处转轴转动，跳扣可绕d 点转动【1 0 1 e 1 1 。 当跳扣的h 点处被锁扣扣住时，跳扣不能转动，c 点被临时固定，这时，0 2 a 、 a b 、b c 、0 2 c 构成四连杆机构【1 2 】。 0 1 为杠杆的转轴，0 1 点与连杆机构无直接联系，仅通过弹簧通过b 点带动机构 运动。 动 静触头 转轴 图3 - 1 手动分闸或再扣位置 图3 - i 所示：该位置为手动分闸或再扣位置，需要合闸时，杠杆向左推，杠杆绕 o l 反时针转动，弹簧随杠杆转动而受到拉伸并贮存能量，当弹簧力的作用线b g 与上 连杆b c 重合时，处于最大位能状态，一旦超过b c ，在弹簧力的作用下b 点向左运动， 1 2 c m 2 塑壳断路器操作机构研制第3 章塑壳断路器机构静力学分析 下连杆a b 推动动触头快速闭合。闭合后，连杆b c 、a b 应处于基本成直线状态( 死区 位置) ，如图3 - 2 所示。 厶 口 静触头 图3 - 2 合闸位置 手动分闸时，杠杆向右扳动，弹簧被拉伸而贮存能量，直到b g 线超过b c ，使b 点向右运动脱离死区，触头被迅速上提而分断，恢复到图3 - 1 状态。 断路器闭合后，如果脱扣器动作，使锁扣转动放开跳扣的h 点，这时在弹簧的拉 力作用下，跳扣绕d 点反时针转动，c 点成为活动点，a b 、b c 脱离死区，于是0 2 a 、 a b 、b c 、c d 、0 2 d 变成五连杆机构，因为五连杆机构有两个自由度，触头立即分断， 手柄处于中间位置，如图3 3 所示。 动 口 转轴 静触头 图3 - 3 自由脱扣位置 1 3 第3 章塑壳断路器机构静力学分析c m 2 塑壳断路器操作机构研制 如果再要合闸，先将杠杆向右( 分闸方向) 扳动，使跳扣的h 点被锁扣扣住，c 点 被固定，如图3 - 1 所示。然后将杠杆向左( 合闸方向) 推动，断路器即可合闸，此位置 称为再扣位置。从上面我们可以得出： 分断、合闸速度与手柄操作速度无关，在开断弹簧的作用下能满足快速分断、 合闸的要求，即塑壳断路器的操作机构是无关人力操作的。 要使断路器合闸，必须先使自由跳扣机构处于再扣位置。 要使断路器分闸，在发生故障时，通过脱扣器自动分闸；在正常工作时，无 论有负载还是没有负载，均可通过手柄直接操作，或者通过分励脱扣器远程操作使之 分闸。 3 2c m 2 塑壳断路器的机构分析 3 2 1 合闸力及合闸力矩计算 1 ) 定义 手柄处于合闸位置，弹簧力作用线k c ( 图3 - 4 ) 与上连杆b c 有定的夹角a l f ， 称为合闸安全角，这时下连杆c d 上的分力就是触头系统的合闸力，该力相对与主 轴回转中心0 2 的转矩就是合闸力矩。 f w l k 图3 4 合闸力及力矩计算图 合闸力矩，即下连杆c d 受力对0 2 的转矩为： m g = 乇么 1 4 x ( 3 - 1 ) c m 2 塑壳断路器操作机构研制第3 章塑壳断路器机构静力学分析 设合闸时触头反力( 给定的触头初压力) 为e ，则相应的反力矩为： 蚝= ，l 只k ( 3 2 ) 其中r l 为极数。 合闸条件：m 合m 反， 即毛k 以e 啦 ( 3 3 ) 所以，安全合闸时， 乙掣( 3 - 4 ) i g p 2 2 ) 分析计算 建立图3 4 所示坐标系。主轴回转中心0 2 为坐标系原点，给出下列参数： a ) 点坐标 a 、o l 、e 坐标；b 相对于a 的坐标( 两种状态：再扣和自由脱扣) 、f 相对于e 的坐标。 b ) 各杠杆长度 乙、乙、匕：、k 。、k 0 2 、如。 c ) 结构角度 手柄l 0 t 与垂直方向( y 轴) 夹角b t a ； 触头支架d 0 2 与x 轴负方向夹角g m a 。 d ) 弹簧原长l ，刚度k = g d 4 ( 8 d 2 3 n ) ，g 剪切弹性模量，中径d 2 ，簧丝直径d ，有 效工作圈数n 【13 1 。 合闸力计算 a ) b 、d 、f 点坐标 五= 以+ 民；虼= 艺+ ( 3 5 ) 巧= 鼍+ 砟；弓= 艺+ 珞 ( 3 6 ) 虬= x c o s ( g m a h e z h a ) ( 3 7 ) e = x s i n ( g m a h e z h a ) ( 3 8 ) b ) c 点坐标 第3 章塑壳断路器机构静力学分析 c m 2 塑壳断路器操作机构研制 o = 舾f 瓦万而 厶0 2 _ 雁i 丽百乒耵= 厢 在三角形b c d 中 么b c d ：a 代c 。s 盘：幺：二鱼： 2 x k 乙 么肋c ：撒c o s 幺：幺：二生： 2 x l m x l 嘣 在三角形b d 0 2 中 么肋q 。s 甓斧 l c d 0 2 = z b d 0 2 z b d c c 点坐标为： x c = x d + l 砸x c o s ( z c d 0 2 + g m a h e z h a 、 艺= 匕+ 乙x s i n ( z c d 0 2 + z g m a h e z h a ) c ) k 点坐标 t = k kx s i n ( l b t a h e z h a ) k = r o 。+ k xc o s ( z b t a h e z h a ) d ) 合闸后弹簧k c 与上连杆b c 的夹角( 合闸安全角) a l f 乞= 历f 瓦万而 乞= 舾f 砑百而 在三角形k c b 中 “f 办砌口：么脚：a r c c 。s 堡堡二堡 一 2 z k 么 e ) 求弹簧力t k ：堡生 8 b 。xn t = 2 x k x ( 缸- i ) 1 6 ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) ( 3 - 1 4 ) ( 3 - 1 5 ) ( 3 - 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) ( 3 - 1 8 ) ( 3 - 1 9 ) ( 3 - 2 0 ) ( 3 - 2 1 ) ( 3 - 2 2 ) ( 3 - 2 3 ) c m 2 塑壳断路器操作机构研制 第3 章塑壳断路器机构静力学分析 f ) 合闸力 乙 s i n 龇fh e z h a r = = - - _ - - - - - - - - - - - - - - - - 一 s i n ( z - z b c d ) ( 3 - 2 4 ) 所以 乙：s i n - z - a l f 三h = e z h a t ( 3 2 5 ) 屹2 i 石乏花万 ( 3 一 g ) 合闸力矩 k = kx s i n z c d 0 2 = kx s i n ( z b 0 0 2 一z b d c ) ( 3 2 6 ) m 合= 乙k ( 3 2 7 ) 3 2 2 操作力及力矩计算 1 ) 定义 操作力指使机构从一种状态转化为另一种状态使，如合闸到分断、再扣到合闸、 自由脱扣到再扣等，作用与操作手柄的力，该力对手柄回转中心0 1 的矩，称为操作 力矩。 2 ) 分断操作力及力矩 分断前，机构处于合闸位置，故分断操作力及力矩的计算图参考图3 - 4 分断操作 力依据克服弹簧力对0 l 的矩来计算。 i 。= ( x 。一石。) 2 + ( 匕一r o ) 2 ( 3 2 8 ) 么c k o ：a r c c 。s 笙垒垒：二盆, ( 3 - 2 9 ) 2 乞厶n 弹簧力t 对0 1 的距离： k = kx s i n z c k o , ( 3 3 0 ) 分断条件： m 分= k t x l h o i ( 3 3 1 ) 所以 = 导丁 ( 3 3 2 ) ，d 其中t 为合闸状态时的弹簧受力，按式3 - 2 2 ，3 - 2 3 计算。 1 7 第3 章塑壳断路器机构静力学分析c m 2 塑壳断路器操作机构研制 3 ) 合闸操作力及力矩 合闸前，机构处于再扣位置，故合闸操作力及力矩的计算图参考图3 - 5 合闸操作 力依据克服弹簧力对0 l 的矩来计算。 图3 - 5 合闸操作力及力矩计算图 a ) b 、d 、f 点坐标 五= 五+ 瓦：；k = 艺+ ： x f = xe x 心f = 、e 1 e 蜀= 一kx c o s ( g m a z a i k o u ) 匕= 一么xs i n ( g m a z a i k o u ) b ) c 点坐标 乙= 4 ( x b 一义o ) 2 + ( 艺一匕) 2 乙：= 肛i 可可；i 了= 厢 在三角形b c d 中 么b c d ：a r c c 。s 幺：幺：二幺： 2 x k 乙 么肋c ：撒c 。s 幺：鱼：二盘： 2 k 乙 在三角形b d 0 2 中 1 8 x ( 3 - 3 3 ) ( 3 - 3 4 ) ( 3 - 3 5 ) ( 3 - 3 6 ) ( 3 - 3 7 ) ( 3 - 3 8 ) ( 3 - 3 9 ) ( 3 4 0 ) c m 2 塑壳断路器操作机构研制塑! 童望塞堑堕堂垫塑整查塑 _ _ - _ - - _ _ _ i - - _ _ _ _ _ - - _ _ _ - 一 么肋q = a r c c o s 絮斧 仔4 。 z c d 0 2 = z b d 0 2 一z b d c ( 3 4 2 ) c 点坐标为： 鼍= + 乙x c o s ( z c d 0 2 + z g m a z a i k o u ) ( 3 4 3 ) 艺= 匕+ 乙xs i n ( z c d o z + l g m a z a i k o u ) ( 3 4 4 ) c ) k 点坐标 x t = x 。一，幻，s i n ( z b t a z a i k o u ) ( 3 4 5 ) 匕= r o 。+ j i 。，c o s ( z bt a z a i k o u ) ( 3 - 4 6 ) d ) 再扣后弹簧k c 与上连杆b c 的尖角( 再扣角) a l f 乞：拓f 历乒可 ( 3 4 7 ) 么：历f 葡百而 ( 3 4 8 ) 在三角形k c b 中 z a l f z a i 幻一k c b = 错 e ) 求弹黄力t k ：旦 8 x 蛾x n r = 2 x k x ( 1 e - 1 ) f ) 合闸操作力 k = 肛j 万而 么嘲= a r c c o s 磋意 在三角形k q 0 1 中( 图3 - 5 右) ，弹簧力t 对0 1 的距离： q = k x s i n z c k o , 1 9 ( 3 - 4 9 ) ( 3 - 5 0 ) ( 3 - 5 1 ) ( 3 5 2 ) ( 3 - 5 3 ) ( 3 - 5 4 ) 第3 章塑壳断路器机构静力学分析 c m 2 塑壳断路器操作机构研制 e 。= 等丁 ( 3 5 5 ) i 坞 g ) 合闸操作力矩 m 合= 丁k ( 3 5 6 ) 4 ) 再扣操作力及力矩 再扣前，机构处于自由脱扣状态，故再扣操作力及