弹簧操动机构的仿真分析_师慧倩

Vol.34 No.6 2014.6 船电技术|应用研究
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弹簧操动机构的仿真分析
师慧倩1，周书堂2
（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 中国人民解放军驻3303厂军代室，武汉430200） 摘 要：使用多体动力学软件ADAMS 对低压断路器弹簧操动机构的分合闸运动进行仿真，并通过实验数据与仿真数据对比，验证建模方法的正确性和仿真计算的有效性。

仿真得到一系列工程技术人员感兴趣的数据曲线和分合闸运动动画，对低压断路器的工程设计及优化具有一定的指导作用。

关键词：ADAMS 仿真 弹簧操动机构
中图分类号：T561 文献标识码：A 文章编号：1003-4862（2014）06-0043-03
Simulation of the Spring Operating Mechanism
Shi Huiqian 1
, Zhou Shutang 2
（1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. PLA Representatives Office in the 3303
Factory, Wuhan 430200, China ）
Abstract: Simulation is done for the spring operating mechanism of low voltage breaker by use of the multi-bodied dynamics software ADAMS. By comparison with measurement data, simulation results shows that modeling method is effective. Some profiles and animation in which the engineers are achieved. The profiles play a guiding role in optimization of low-voltage circuit breaker. Keywords: ADAMS; simulation; spring operating mechanism
0 引言
目前低压断路器已从单一的过电流保护功能发展为现在的多种保护功能的高科技产品。

但低压断路器在发展过程中难免暴露设计、制造、运行等问题，同时故障率也很高，其中动作失灵故障所占比例最高。

要保证断路器工作的可靠性，不仅要重视产品的电气性能，更应对产品机械方面的可靠性予以充分的重视，特别是实现触头分合闸动作的操动机构[1-2]。

低压断路器的弹簧操动机构各个零部件之
间的运动关系复杂，其合闸与分闸的工作过程时
间很短，在正常情况下用肉眼很难观察到其运动
过程。

此外，零部件之间还存在着碰撞关系，很
难对其进行运动学以及动力学的对比和测量。

若
单靠样机实验来验证设计的正确性，则过程太繁琐，需要消耗大量的人力、物力及时间。

运用虚
收稿日期：2013-10-21
作者简介：师慧倩（1989-），女，研究生。

研究方向：低压断路器弹簧操动系统。

拟样机技术，可以大大简化产品的设计开发过程，
大幅度缩短产品开发周期和降低开发费用并获得
最优化和创新的设计产品。

本课题使用多体动力学软件ADAMS 对低压断路器弹簧操动机构的分合闸运动进行仿真，并通过实验数据与仿真数据对比，验证建模方法和仿真计算的有效性。

仿真得到一系列工程技术人员感兴趣的数据曲线和分合闸运动动画，对低压断路器的工程设计及优化具有一定的指导作用。

1 弹簧操动机构的建模
1.1 弹簧操动机构简介 弹簧操动机构是利用弹簧拉伸和收缩所储存的能量进行合、分闸控制的，其弹簧能量的储存是靠储能电机传送的[3]。

本课题研究的低压断路器模型如图1所示。

手动合闸时，电机凸轮随着手柄的转动而转
动，凸轮在转动过程中与操动机构的滚子碰撞，
操动主轴因受力而带动整个连杆机构运动，连杆运动过程中，杠杆与支撑杆碰撞从而推动动导杆
DOI:10.13632/j.meee.2014.06.012
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导向杆沿开槽方向运动，储能弹簧随着导向杆的运动而储能，当导向杆运动到槽的最前端，动导电杆绕导向杆转动直到锁扣扣住。

随着凸轮的转动，杠杆和支撑杆过机械死点：电机驱动消失，此时储能弹簧将储能释放。

此时动导杆以锁扣轴为转动中心，动静触头相向运动直至合闸。

手动分闸时，锁扣受力使锁扣钩与锁扣轴脱扣，动导电杆在储能弹簧拉力的作用下向后运动直至分闸。

图1低压断路器模型图
1—操动主轴；2—凸轮；3—动导杆导向杆；4—滚子；5—杠杆；6—支撑杆；7—储能弹簧；8—锁扣；9—动导电杆；10—缓冲件；11—动触头；12—静触头；13—动导杆弹簧轴；14—机构弹簧轴； 15—底槽
直流断路器合闸与分闸的过程是一个瞬间的动作过程，包含高速的碰撞，涉及因素较多，故要精确建模。

1.2 操动机构仿真模型的建立
相对于专业三维实体造型软件如UG 、Pro/E 等，ADAMS 在复杂造型这一方面的功能较差，因此本课题采用相对简便的方法，即将三维模型从专业绘图软件Pro/E 中导入ADAMS ，中间文件的格式选择Parasolid ，以*.x_t 和*.xmt_txt 文件名导入。

为使仿真的方便，可对模型做适当的简化。

为了模型后续的优化工作，需在ADAMS/ View 中重新建立关键部件模型[4-5]。

在模型导入后，就是正确添加约束。

在添加约束时，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，以保证没有约束错误。

此外还需要注意约束对象的选择顺序和约束方向是否正确。

操动机构中的约束关系主要包括弹簧约束、碰撞或接触约束、转动约束和固定约束等。

本模型主要用到的约束关系如表1所示。

表1 模型主要约束关系（参见图1）
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2.1 仿真验证
为了与实际情况更符合，本设计实验测试出断路器在手动分合闸过程中动触头的位移曲线[6]。

由于动触头的运动既包含平动又包含转动，单纯的运用位移传感器无法准确测量其位移曲线。

所以本文用高速摄像仪将动触头的分合闸过程拍摄下来，并采取数像素的方法绘制动触头的位移曲线。

由于实际机构的触头片存在一定程度的磨损，所以实际位移距离会略大于仿真位移距离。

图2为动触头的位移曲线。

图2 手动合闸过程中仿真与实测曲线对比
由图2可以看出，仿真模型的输出曲线跟实际样机的输出曲线吻合较好，证明了模型的正确性。

2.2 仿真结果
1) 分合闸速度的测量，其中合闸速度如图
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3，分闸速度如图4。

图3 合闸速度与位移曲线
1— 合闸位移曲线 2—合闸速度曲线
由于不关心手动合闸时凸轮作用时的合闸速度与位移，所以图3中只显示出了锁扣扣住后的合闸速度。

从图中可以看出合闸时间约为12
ms.
图4 分闸速度与位移曲线 1—分闸位移曲线 2—分闸速度曲线
从图4中可以看出，分闸最大速度可以达到2.5 m/s ，整个分闸时间约为14 ms 。

2) 触头终压力是指动触头和静触头完全闭合时，加在接触面上的压力。

在本模型中，动触头和静触头之间的约束为”CONTACT_ CHUTOUPIAN”，这个碰撞力在合闸位置时即为终压力。

从图5中可以看出，触头终压力约为637 N 。

3）触头超程是指当触头完全闭合后若将静触头移去，动触头所能移动的距离，它主要能够保证触头在磨损以后还能可靠地接触。

在本模型中，只需将动触头和静触头间的碰撞约束去掉，测量动触头继续运动的距离即可。

测得的触头超程如图6所示，从图中可以看到超程大约为5 mm,符合设计要求。

图5 触头终压力曲线
图6 触头超程
3 总结
本文通过虚拟样机技术，对一种弹簧操动机构进行合理的简化建模，通过实验数据与仿真数据的对比，验证了模型的可靠性。

通过动力学仿真软件ADAMS 的计算，得到了弹簧操动机构的分合闸速度、触头终压力及触头超程等数据。

对弹簧操动机构的优化设计有一定的指导意义。

参考文献：
[1] 陈德桂. 低压电器最新技术发展动态[J]. 低压电器,
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江苏电器, 2000, 15(1): 47-51.
[3] 张晓锋. 基于虚拟样机技术的断路器机构的仿真及
对机构弹簧的优化[D]. 苏州大学学位论文, 2009. [4] 刘志远, 纽春萍. 现代电器设计方法[M]. 西安交通
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[5] 李增刚. ADAMS 入门详解与实例[M]. 北京: 国防
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[6] 陈德桂, 李兴文. 低压断路器的虚拟样机技术[M].
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