（机械设计及理论专业论文）高压开关操动机构的动态仿真及优化设计.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 为了提高高压开关的性能、可靠性和使用寿命，需要对高压开关的主要参数， 进行合理的选择。通过初步静态、动态设计，综合利用c a d c a e 技术，对高压开关 的电磁操动机构进行仿真分析和研究，以达到优化机构，提高机构动态性能的目的。 本论文运用p r o e n g i n e e r 建立操动机构的三维实体模型，通过p r o e n g i n e e r 与 a d a m s 之间的接口，将模型输入a d a m s 中进行仿真。定义模型中各构件之间的约束、 各构件之间的接触力、施加载荷、仿真时间和步长。通过改变操动机构的主弹簧和 触头弹簧的刚度参数得到多组仿真结果，对输出曲线的进行分析、研究。选择合理 的机构参数，。减少开关的试制费用，为物理样机的定型提供优化参数。本文的研究 成果对于改进电磁操动机构的设计具有一定的指导意义和参考价值；所采用的建构 模型和动态仿真的方法，可以有效提高产品的设计质量和缩短设计周期。 关键词：高压开关，电磁操动机构，p r o e ，a d a m s ，优化 a b s t r a c t i no r d e rt oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c e t h er e l i a b i l i t ya n dt h es e r v i c el i f eo f t h eh i g h v o l t a g es w i t c h ， t h er e s e a r c hn e e d st oc h o o s et h em a i np a r a m e t e ro ft h eh i 【g h v o l t a g es w i t c hr e a s o n a b l y 。i nt h i st h e s i s ， t h es t r u c t u r eo ft h eh i g hv o l t a g es w i t c h sa c t u a t o ri sa n a l y z e di nt e r m so ft h ec o m b i n e dm e t h o do f s t a t i ca n dd y n a m i cd e s i g n s 。c a d c a et e c h n o l o g yi sa p p l i e dt ot h es i m u l a t i o na n a l y s i sa n dr e s e a r c ho f t h ee l e c t r o m a g n e t i ca c t u a t o ri no r d e rt oo p t i m i z et h es t r u c t u r eo f t h ee l e c t r o m a g n e t i ca c t u a t o ra n i m p m v ei t sd y a n m i cp e r f o r m a n c e s 。 p r o e ，t h e3 - dm o d e l i n gs o , w a r e ，i su s e dt oe s t a b l i s ht h es o l i dm o d e l so ft h ee l e c t r o m a g n e t i c a c t u a t o r 。t h em o d e l sa r ee x p o r t e dt oa d a m st ob es i m u l a t e dt h r o u g ht h ei n t e r f a c eb e t w e e np r o ea n d a d a m s 。t h e n ，t h ec o n s t r a i n t sa n dt h ec o n t a c tf o r c e sa m o n gp a r t so f t h em o d e l sa r ed e f i n e d ，g u i d ew a y a r ed e f i n e d ，l o a di si m p o s e do nt h em o d e l s ，s i m u l a t i o nt i m ea n ds t e p sa r ed e f i n e d f i n a t l y , s i m u l a t i o n r e s u l t sa r ea n a l y z e d b yc h a n g i n gr i g i d i t yp a r a m e t e ro ft h em a i ns p r i n ga n dt h ec o n t a c ts p r i n g ，o b t a i n s t h em u l t i g r o u p ss i m u l a t i o nr e s u l t 。c h o o s et h er e a s o n a b l eo r g a n i z a t i o np a r a m e t e rb yc a r r y i n go n r e s e a r c ht h ec u r v e so fs i m u l a t i o n 。t h e n ，r e d u c e st h et r i a le x p e n s ea n dp r o v i d e st h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r f o rt h ep h y s i c a lp r o t o t y p e 。 t h er e s e a r c hr e s u l t si n t h i sp a p e ri s s i g n i f i c a n tt oi m p r o v et h ed e s i g n o ft h ee l e c t r o m a g n e t i c a c t u a t o r ，w i t ht h e d y n a m i c s i m u l a t i o n a n d o p t i m i z a t i o nm e t h o da d o p t e di nt h i sp a p e r ，t h ed e s i g n q u a l i t yo fv a c u u mb r e a k e rp r o d u c t sc a nb ee n h a n c e d ，t h ed e s i g n i n gt i m ec a nb ea b b r e v i a t e d g a o z h i ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f c u iy a n b i n k e y w o r d s ：h i g h v o l t a g es w i t c h ，e l e c t r o m a g n e t i ca c t u a t o r ，p r o e ，a d a m s ，o p t i m i z a t i o n i 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高压开关操动机构的动态仿真及 优化设计，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：五l 查! 日 期：2 国 ；厶 学位论文作者签名：掏l 垒! 日 期：2 国 ；厶 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：盍焘!导师签名 日 期：2 盟2 厶 日 期 瑶r6 幽 华北电力大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，对电力的需求量越来 越多，促使电力事业迅速发展，电网不断扩大，供电质量和供电可靠性的要求也越来 越高。在配电和供电系统中，由于高压断路器的特殊作用，其可靠性和免维护的要求 更高，因此世界各国对高压断路器的理论研究和设计开发一直在不断进行着。 从6 0 年代中期，伴随着各种技术的发展，两种新型的无油开关得以快速发展， 即s f 6 开关和真空开关。由于真空开关具有一系列优点，在中压领域( 3 - 3 5 k v ) 中处于 绝对的领先地位，据全球市场1 9 9 0 年销售量的统计，各种断路器的应用依次为：含 油断路器8 ，磁吹断路器1 2 ，s f 6 开关1 5 ，真空开关6 5 。1 9 9 3 年国外真空断 路器在配电系统中达7 0 以上，中压领域占9 0 以上口】。日本到1 9 7 8 年2 5 万台柱上 油断路器全部被换成柱上真空断路器，到目前为止，日本对12 k v 电压等级的开关几 乎全部用真空断路器，1 9 9 0 年占有率达到8 0 ；8 0 年代末期英国真空断路器的市场 占有率约为5 0 ；美国中压真空断路器主要应用于发电部门( 3 0 ) 、工业部门( 4 5 ) 和建筑部门( 2 5 ) ：根据e e c ( 共同体) 统计，9 0 年代初期的中压市场，s f 6 和真空断 路器的销售额之比为2 ：3 ；在我国近几年真空断路器市场的市场占有率更是优于s f 6 断路器；1 9 9 6 年我国内生产的1 0 k v 各类断路器中，$ f 6 断路器占4 7 8 ，真空开关 占6 4 9 3 。1 9 9 7 年s f 6 断路器占6 3 4 ( 约6 0 0 0 台) ，真空断路器占7 0 7 9 ( 约5 0 0 0 0 台) 3 1 ，可见真空开关的使用越来越得到大家的认同。 真空高压开关在实际使用中也时有故障发生，因市场占有率逐年增加故障也呈逐 年增加的趋势，其故障的发生主要集中在机械部分。根据近几年的调查统计资料显示， 在高压开关的故障中，非电类故障率接近7 0 ，其中4 0 以上的属于操动机构故障。 由此可见，高压开关操动机构拒分事故在整个高压开关事故中占有很大的比例。因此 加强真空开关的机构的研究，特别是操动机构的合理设计和进一步的优化设计变得尤 为重要。 从国、内外的研究资料来看，目前的很多研究集中在电性能和触头材料的研究等 方面，对于机械部分的研究较少。在真空断路器的机械方面展开的研究主要有：历雷 和高劭鸿”1 研究了真空断路器的运动特性，涉及到整个系统的质量、力和速度的归算： 传动比和传动效率的计算，最终归结到真空断路器触头的合、分闸速度和时间的计算； 叶忻泉 s 1 分析了脱扣后机构和杆件的实际运动情况，提出了一种完全符合断路器实际 情况的机构分断动作固有时间的计算方法。沈聿修1 6 1 提出了等效质量计算中简明的图 华北电力大学硕士学位论文 解方法；潘立新1 在向量法的基础上推出了具有理想约束的平面多环多刚体系统的计 算及摩擦的动力学方程；吴伟光i s 等通过对弹簧操动机构的凸轮一连杆机构的运动分 析，建立了真空断路器用操动机构的优化数学模型，并利用m a t l a b 语言的优化工 具箱实现了优化过程。吴伟光 9 1 研究了1 0 k v 真空断路器操动机构的性能，分析了凸 轮机构对操动机构力矩输出特性的影响，得到适合断路器负载特性的凸轮机构。陈晓 南1 1 0 改变弹簧的驱动力特性，使操动机构的输出特性与真空断路器的负载特性相匹 配。张罗平”利用激光、光纤的莫尔光栅传感器，实测真空开关的触头运动特性； 郑晓芳 1 2 1 讨论了用数值计算方法计算触头的振动过程；苑舜【i ”研究了真空断路器灭 弧室触头开、合过程中与灭弧过程相配合的运动特性，说明了机械特性在真空断路器 中的重要性；l a i ，m l 【1 4 1 通过分析机架的振动信号，对真空断路器的故障进行诊断； 邹建 15 1 对动触头振动特性对电性能的影响进行了研究。 上述研究资料表明，在目前的真空断路器的研究中，还没有一个方法能对真空断 路器进行比较全面的研究与优化。 1 2 真空高压开关的结构 真空开关，是以真空作为灭弧介质和绝缘介质，动、静触头被封闭在真空灭弧室 中。它的特点是开断能力强，体积小，无污染，操作简单，易维护，适合于频繁操作 的场合。在中低压领域，特别是在配电网自动化中得到了越来越广泛的应用。 真空高压开关主要由两部分组成：真空灭弧室和操动机构。 灭弧室的结构主要有导电杆、外壳、屏蔽罩、触头、波纹管和其它零件组成，是 真空开关的关键部件，直接决定真空开关的用途、使用场合以及有关技术参数。动导 电杆伸出灭弧室的部分与操动机构相连，将操动机构的动作传递给动触头，实现电路 的开合。触头在真空室中分、合电路时，将产生真空电弧。由于高真空间隙的绝缘强 度比其它介质都高很多，所以，可以利用真空的绝缘性，在灭弧室里，使触头之间的 电弧可以很短的距离内熄灭。 在开关本体外的机械操动装置统称为操动系统。操动系统包括操动机构、传动机 构、提升变直机构、缓冲机构和二次控制回路等几个部分f 1 “，如图1 1 所示： 华北电力大学硕士学位论文 叵h 夏皿啐耳 雯卜圈 i r i 缓冲装置一l l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 断路傩本体一 图卜l 操动机构组成框图 1 3 真空高压开关操动机构分类 真空高压开关作为种性能优越的电器，以其体积小、重量轻、寿命长、维护方 便、安全等优点，在中低压市场中占据着主要地位，并且随着技术的不断发展，在高 压领域也逐渐得到应用。9 0 年代以来，i o k v 的真空开关的产量以高于2 0 的速率增 长。真空开关作为一种优于其它灭弧介质的开关电器，越来越多的应用在电力系统中。 随着电力系统的发展，对中、高压电器提出的要求也越来越高，真空开关开始向小型 化、大容量、高电压和高可靠性方向发展。同时，真空电弧理论的发展、新触头材料 的发现、纵磁场触头结构的应用和操动机构性能的改进都促进j 真空高压开关的发 展。 操动机构可以按照驱动方式区分为以下几类： ( 1 ) 手动操动机构 靠手力直接合闸的操动机构称为手动操动机构。 ( 2 ) 液压操动机构 液压操动机构利用液压作为动力传递介质，操动方式有两种：直接驱动式和储能 式。 ( 3 ) 电动机操动机构 利用电动机经减速装置带动开关合闸的操动机构称为电动机操动机构。 ( 4 ) 气动操动机构 利用压缩空气作为能源产生推力的操动机构称为气动操动机构。 ( 5 ) 电磁操动机构 靠电磁力合闸的操动机构称为电磁操动机构。 电磁操动机构的优点是： 3 兰! ! 皇垄查兰堕主堂焦堡壅一 机构简单、工作可靠、制造成本低。 运行经验多。 电磁操动机构的缺点是： 合闸线圈消耗的功率太大，因l i b e l 户需配备价格昂贵的蓄电池组。 电磁操动机构的机构笨重，合闸时间长。 电磁操动机构主要用来操作1 2 6 k v 及以下的开关。 ( 6 ) 弹簧操动机构 利用已储能的弹簧为动力使开关动作的操动机构称为弹簧操动机构。弹簧储能通 常由电动机通过减速装置来完成。 弹簧操动机构大致可分为弹簧储能、维持储能、合闸与维持合闸、分闸等部分。 弹簧操动机构的优点是： 不需要大功率的直流电源： 电动机功率小； 交直流两用； 适宜于交流操作。 暂时失去电源时，仍然可以操作一次。 弹簧揉动机构的缺点是： 结构比较复杂，零件数量多： 加工要求高： 随着机构操作功的增大，重量显著增加。 弹簧操动机构一般只用于1 2 6 k va v g t 的开关，弹簧储能为几百到几千焦耳a ( 7 ) 永磁操动机构”1 永磁机构，就是用永磁体实现合闸保持和分闸保持( 有时只用永磁体做合闸保持 而不做分闸保持) 的一种形式的电磁操动机构。永磁机构的合闸都采用电磁操动。按 照机构的分闸操作时的不同，永磁机构可以分为电磁操动( 双稳态) 和弹簧操动( 单 稳态) 两种形式。 从永磁机构的工作原理，可以知道永磁机构是通过将电磁铁与永久磁体特殊结 合，来实现传统开关操动机构的全部功能，由永久磁体代替传统的脱锁扣机构来实现 极限位置的保持功能，由分合闸缱绻来提供操作时所需要的能量。可以看出，由于工 华北电力大学硕十学位论文 作原理的改变，整个机构的零部件总数大幅减少，使机构的整体可靠性有可能得到大 幅度提高。 目前永磁机构在国内还是一种全新的操动机构，有三个方面的问题需要进一步解 决：永磁体的可靠性、储能电容的寿命和电子控制装置的可靠性。永磁机构与传统的 电磁机构的根本区别就在于永磁机构使用的永磁体，所以永磁体的退磁问题就摆在了 很突出的位置。当前使用的永磁体在受到强烈机械冲击、高温和反向磁场的作用时， 都可能部分或者全部的退磁。在这些问题彻底解决之前，永磁机构还不能完全代替其 他传统的操动机构。因此传统的操动机构还在高压市场中被广泛的使用1 t 7 1 l 】。 1 4 真空高压开关操动机构的特点 综观开关的发展历史，操动机构对高压开关的发展影响很大。例如大功率液压操 动机构的出现，对超高压少油开关和六氟化硫开关的发展起了决定性作用。现代超高 压开关的开断时间已缩短为早期产品的十分之一，达到两周波的水平，主要也是操动 机构改进的结果。 作为电网主要保护和控制组件的高压开关，其动作可靠性是极为重要的。这就要 求开关在各种自然环境、各种线路条件下都能可靠的开合电路；要求开关具有一定的 机械寿命和电气寿命。开关该动时不动，不该动时误动，都会给电力系统带来巨大的 损失。据统计，在开关工作的各种故障中，机械故障居首位，而且不少电气故障也是 由机械故障造成的。因此，提高机械系统的可靠性有很重要的意义。 电器设备中，开关及其操动机构的机械故障比之其它可动设备，例如电机的机械 故障多很多。其所以如此，主要是由开关与操动机构的下列特点造成的。 ( 1 ) 从结构上看。开关及其操动机构从机械上分析常是不够合理的，如润滑系 统差，动作环节多等。动作环节多，出现故障的可能性就增加。 ( 2 ) 从工作情况看。高压开关及其操动机构常年处于不动的工作状态，有些开 关一年也只动作一二次，隐患不容易暴露。 ( 3 ) 从工作环境看。高压开关及其操动机构大部分在户外工作，条件比较恶劣。 ( 4 ) 从设备种类看。丌关与操动机构的类型太多，同类型的各种产品在结构上 也有很大的差异，因此在制造和维修方面积累经验比较困难。 为了减少机械故障，提高产品质量，应该努力改进结构设计，提高加工精度和加 工质量。例如，提高操动机构关键部件的设计精度，在设计阶段，进行仿真分析，消 除不合理因素，使产品的设计与实际要求最大限度的吻合叫】。 华北电力大学硕士学位论文 1 5 高压开关对操动机构的要求 高压开关的全部功能都体现在动、静触头的分、合动作上，而触头的分合动作要 通过操动机构来实现。 操动机构是开关的重要组成部分，开关的工作可靠性在很大程度上依赖于操动机 构的动作可靠性。开关事故分析表明，由于操动机构原因而导致的开关事故占总事故 的6 0 以上，足见操动机构对开关工作性能和可靠性起着至关重要的作用。 操动机构的动作性能必须满足开关的工作性能和可靠性的要求，这些要求有： ( 1 ) 有足够的短路关合能力。操动机构不仅在开关在正常工作的情况下能顺利 合闸，而且当开关关合到有预伏短路故障的电路时，操动机构必须能克服短路电动力 的阻碍，顺利合闸。 ( 2 ) 合理的输出特性以保证开关动触头的分、合闸速度，并在分合闸终了时， 其剩余能量不致造成开关的过分振动和零部件的损伤。 ( 3 ) 操动机构中有保持合闸状态的装置，保证在合闸命令及操作功消失后仍能 是开关保持在合闸位置，并且不会误分闸。操动机构在合闸过程中，合闸信号维持的 时间很短，操动机构的操作力电只在短时间内提供，因此，操动机构必须保证在合闸 信号和操作力消失以后，使开关能可靠地保持在合闸位置。 ( 4 ) 操动机构应保证能源( 电压、液压、气压) 在一定变化范围内可靠动作， 如在额定值的8 0 或8 5 l l o 的范围内可靠合闸，在额定值的6 5 1 2 0 的范围内 可靠分闸。 ( 5 ) 接到分闸信号能够准确快速的分闸，满足灭弧室性能要求的分闸速度。并 使开关可靠的保持在分闸位置。 ( 6 ) 具有自动脱扣和防跳跃能力。 ( 7 ) 动作快速、机械寿命长和便于维修等0 6 10 9 1 。 1 6 真空高压开关机械参数的选择 目前真空断路器在国内外得到了广泛的应用，广大用户愈来愈需要了解和掌握真 空断路器的原理、结构、使用和维护等方面的知识。以下将为真空高压开关机械参数 的选择提供一些技术参考。 ( 1 ) 额定开距 真空断路器处于分闸状态时，真空灭弧室动、静触头之间的距 离选择与真空断路器的额定电压、使用条件、开断电流的性质及触头材料、真空间隙 的耐压强度等因素有关，主要取决于额定电压和触头材料。由于真空灭弧室的额定开 华北电力大学硕士学位论文 距对绝缘性能的影响较大，当额定开距从零开距增大时，其绝缘水平也将提高。但当 开距增大到一定数值时，开距对绝缘性能的影响就不大了，若进一步增大开距，将严 重影响真空灭弧室的机械寿命。通过对真空断路器的安装、运行及检修得出真空断路 器额定开距选择范围为：6 k v 及以下一般为4 8 m m ，l o k v 及以下一般为8 1 2 m m ，3 5 k v 一般为2 0 4 0 m m 。 ( 2 ) 触头接触行程触头接触行程的选择必须保证触头在磨损后仍能保持一 定的压力：在分闸时使动触头获得一定的初始动能，提高开关的初始分闸速度，拉断 熔焊点，减小燃弧时间，提高介质恢复速度；在合闸时能利用触头弹簧得到平滑的缓 冲，减小弹跳。开关的接触行程太小不能保证触头在烧毁后具有的触头压力，开关的 初始速度太小，影响真空断路器的开断和动热稳定性，同时产生严重的合闸弹振。开 关的接触行程太大，将增加操作机构的合闸功，或者使合闸变得极不可靠。通常真空 断路器的触头接触行程一般取额定开距的2 0 4 0 ，l o k v 真空断路器的接触行程一 般取3 4 m m 。 ( 3 ) 触头工作压力真空断路器触头的工作压力对真空断路器的性能有很大 的影响，其压力等于真空灭弧室的自闭力与触头弹簧力之和。如果触头的工作压力太 小，将增长触头合闸时的弹跳时间，同时，造成一次回路的电阻增大，直接影响真空 断路器的长期工作温升。如果触头的工作压力太大，由于真空灭弧室的自闭力是一个 恒定值，就要增加触头的弹簧力，造成操作机构的合闸功增加，增大对真空灭弧室的 冲击和振动。在实际工作中不仅要考虑触头间的电动力除与短路电流峰值有关外，还 必须考虑触头结构及尺寸大小，同时，还必须考虑触头的硬度、分闸速度等因素。总 之，必须在实践中进行综合考虑。真空断路器的触头接触压力根据分断电流大小得出 经验数据的是：分断电流为1 2 5 k h 时，选择压力为5 0 0 n ；分断电流为1 6 k a 时，选择 压力为7 0 0 n ；分断电流为2 0 k a 时，选择压力为9 0 0 1 2 0 0 n ；分断电流为3 1 5 k a 时， 选择压力为1 4 0 0 1 8 0 0 n 。 ( 4 ) 分闸速度由于分闸速度直接影响电流过零后触头f h j 介质强度恢复的速 度，如果电弧熄灭后，触头间介质强度恢复速度小于恢复电压，将造成电弧重燃。为 了防止电弧重燃，以及缩短燃弧时间，必须符合分闸速度的要求。分闸速度的大小主 要取决于额定电压，当额定电压和触头开距一定时，分闸速度的变动范围取决于开断 电流的大小、负载性质、恢复电压等因素。开断电流较大时，分闸速度也应较大，开 断电容电流时，由于恢复电压较高，为了减小重燃的几率，分闸速度也应较大。1 0 k v 真空开关分闸速度通常取值为0 8 1 2 m s ，必要时还可以高至1 5 m s 。实际上，对 开断能力影响最大的是初始分闸速度，而不是平均分闸速度，因而，一些高性能的真 空断路器，及3 5 k v 级的真空断路器，通常考核刚分时几m m 内的分闸速度。似乎分闸 速度越大越好，但实际并非如此，分闸速度越大，引起的分闸弹振越厉害，过冲也就 华北电力大学硕士学位论文 越厉害，这样对灭弧室波纹管的振动、压缩也就越严重，容易造成波纹管提早损坏而 漏气，同时，对整机的振动也越大，容易造成零部件的损坏。 ( 5 ) 合闸速度由于真空灭弧室在额定开距时的静态耐压水平比较高，所以真 空断路器的合闸速度比分闸速度明显低。为了尽量减小触头在合闸过程中由于预击穿 造成的电磨损，以及避免发生触头熔焊，因此必须具备一定的合闸速度，但过高的合 闸速度不仅增加操作机构的合闸功，同时使真空灭弧室受到的合闸冲击增大，大大降 低其使用寿命。通常情况下l o k v 级的真空断路器的合闸速度为0 4 0 7 m s ，必要 时可取为0 8 1 2 m s ( 6 ) 触头合闸弹跳时间真空断路器合闸时间的大小，是衡量真空断路器性能 好坏的一个重要标志，其与断路器的触头弹跳压力、合闸速度、开距及真空灭弧室的 触头材料等有关，同时还与灭弧室的结构、断路器的结构及安装调试有关。触头合闸 弹跳时间越小，其性能越好，弹跳时间越长，触头的电磨损越严重，容易产生合闸过 电压，在关合短路电流或电容器时，以及进行动、热稳定试验时将导致触头熔焊。另 外，触头合闸弹跳时间越长，严重危害灭弧室的波纹管使用寿命。l o k v 级铜铬触头 材料的真空断路器合闸弹跳时间不超过2 m s ，其他触头材料的真空断路器合闸弹跳时 间可以相对大一些，但是不得超过5 m s 口。 1 7 本课题研究的内容 根据以上对高压开关的操动机构的分析，高压开关的操动机构有很多种类，由于 过去对高压开关的要求很高，需要满足开关的复杂动作，所以操动机构结构非常复杂， 这也就是操动机构机械故障率高的一个重要原因。从高压开关的发展趋势分析，高压 开关的操动机构是趋向于结构简单，工作可靠的。设计出结构简单，工作安全可靠， 输出动力特性合理的操动机构，是设计工作的重点。本课题主要是对真空高压开关的 操动部分进行设计和动态仿真，获得高压开关合闸瞬间机械操动部分的动态特性。分 析影响触头弹跳时间与主要结构之间的关系，并对影响高压开关性能的主要机构进行 优化设计。主要进行了以下工作： ( 1 ) 对高压开关的电磁操动机构进行分析研究。 ( 2 ) 建立实体模型：使用由p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n 开发的 p r o e n g i n e e r 三维造型软件进行真空高压开关及其操动机构的模型设计。 ( 3 ) 建立仿真模型：用m d i 公司丌发的连接三维实体建模软件p r o e n g i n e e r 与机械系统动力学仿真分析软件a d a m s 的接口模块m e c h a n i s m p r o 将p r o e n g i n e e r 创建的三维实体模型导入美国m d i 公司开发的机械系统动力学自动分析软件a d a m s 中，添加约束和驱动力，对仿真模型进行进一步设计。 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 动态仿真分析：运用由美国m d i 公司开发的机械系统动力学自动分析软件 a d a m s 对模型进行动态仿真分析，动态模拟机构模型在不同参数下的运动情况，得到 多组仿真结果，对输出曲线的进行分析、研究。选择合理的机构参数以达到对高压开 关操动机构进行优化的目的。 兰j ! 皇垄查堂堡主堂垡堡塞 第二童真空高压开关操动机构的模型设计 2 1 新型高压开关操动机构简介及原理 t 某电气公司开发设计的一种新型高压开关的电磁操动机构，主要操作1 2 k v 户外 真空开关，其主要构成部件包括机构机架、合闸电磁铁、凸轮连杆机构、脱锁扣装置 和指示装置等。操动机构采用直流操作，传动部分为凸轮机构。其最大的优点就是简 单可靠。它的运动部件很少，因而大大减少了故障源，从根本上解决了可靠性问题。 通过凸轮机构对输出力进行调节以改善输出力特性。其行程较小，约2 0 m m ，在操作 过程中力矩损失小，动作精度高，与真空断路器的配合较为准确。其结构如图2 - 1 所示： 脯中 、r 雄蚪 争 吐 弋匿 丰 畦 多 审 串 ( g t ) 前视图 ( b ) 侧视图 图2 1 新型电磁操动机构的结构图 新型电磁操动机构的动作过程如图2 1 所示。 ( 1 ) 合闸 合闸前凸轮接近垂直位置图2 2 ( a ) ，合闸信号发出后，合闸电磁铁线圈受电， 铁心向右运动推动凸轮2 绕固定轴0 ，逆时针转动，与此同时开关的分闸弹簧被压缩 储能。凸轮带动摆臂3 绕固定轴0 3 顺时针转动，使开关合闸图2 2 ( b ) 。当铁心到 达终点时，合闸信号消失，合闸线圈断电，铁心回退，凸轮被脱扣杆5 支撑住，使开 关保持在合闸位置图2 2 ( c ) 。 ( 2 ) 分闸 1 0 华北电力大学硕士学位论文 分闸操作开始时，脱扣杆5 在分闸电磁铁4 的推动下绕仍点顺时针转动，凸轮 2 脱扣后在主弹簧8 驱动下绕0 点作顺时针转动，拐臂3 在凸轮和触头弹簧7 驱动 下绕0 ，点逆时针转动。这时真空灭弧室内的动触头并未运动，当拐臂摆动过超行程 时将带动动触头一起运动。当凸轮到达分闸限位后，动、静触头分开，分闸操作 结束。 ( a ) 合闸准备状态( b ) 合闸过程中 ( c ) 合闸动作结束( d ) 分闸动作 l 合闸电磁铁动铁心2 凸轮装置3 摆杆4 分闸电磁铁 5 脱扣杆6 开关7 触头弹簧8 分闸主压缩弹簧 图2 - 2 操动机构的动作过程 2 2 凸轮机构廓线的计算 电磁操动机构是利用直流电磁铁为动力使开关实现合闸动作的，与真空断路器的 反力特性能有很好的匹配。然而要更好的满足合闸要求，不仅要获得理想的合闸速度， 可靠合闸，而且要减少机构的操作功，缓解各构件所受的冲击，提高零件的使用寿命， 从而延长开关的使用寿命。 新型电磁操动机构采用一套凸轮机构作为中间传动部分，凸轮机构对输出力特性 的改变起决定性作用。凸轮运动规律的改变，对机构输出力曲线和合闸曲线的影响都 很大。本文按输出速度曲线设计凸轮机构的方法，就是先假定高压开关的操动机构的 驱动力是恒定的，按照能量守恒定律和动能定理，推导出机构中各个变量的关系，尤 1 1 穸辫 华北电力大学硕士学位论文 其是凸轮转角与从动件转角的关系。再根据这两个转角的关系以及操动机构的实际结 构尺寸，换算出凸轮的轮廓线的形状。 将凸轮的运动过程分成若干小段。在每一小段中，可以认为变速输入的驱动力， 是恒定不变的，这样就可以利用上面论述的设计方法进行计算，换算出各小段中凸轮 的轮廓线。最后将这些小段的轮廓线连接起来，汇总成一条凸轮廓线。可以知道，当 把凸轮的运动过程分割的无限小的时候，计算出来的凸轮廓线就无限接近于真实、顺 滑的理想廓线。在实际应用中，那样的设计无法实现，所以只要求可以满足工作需要 就可以了。把凸轮的运动过程按时问分为2 0 0 份，计算出来的结果显示，输出的动力 曲线，已经可以很好的满足实际要求了。具体设计计算的过程如下： ( 1 ) 理论推导： 对操动机构进行等效、简化，可以得到图( 一) 中所示的凸轮机构及其简图2 3 ： 融 谢 图2 3 凸轮机构及简图 凸轮等效质量为m ；，等效转动惯量为i 。，转动角为中。从动件等效质量为m z ，等 效转动惯量为i 。，转动角为v ，且ul 、2 是凸轮转角o 、从动件转角甲关于时间 的导数。由能量守恒定律及动能定理，可以写出凸轮机构的能量方程式如下： m ( t p ) ：托嘲2 ) + 丢( ，：x0 ) 22 ) 式( 2 - 1 ) 式中m 佃) 一驱动力做功，是凸轮转角的函数。 凸轮的理论转角中与从动件转角甲的关系： 。叫型半坐p 根据中与甲的关系，就可以计算出凸轮的理论廓线。 ( 2 ) 在实际应用中，不直接计算电磁铁的驱动力做功 力作功，近似认为是电磁能部分的转化： 厶= ；( f ) 2 g 式( 2 - 2 ) 而是由电磁理论，将驱动 华北电力大学硕士学位论文 式中g 一磁导；i n - - 电磁铁安匝数 将a 。代入式( 2 2 ) ，就可以得到实际计算用的巾一甲的关系方程式： 巾叫半卜一， 将开关的合闸时间t 分成n 段。整个机构运动，就发生在n 个时间段里，分别为 f 0 ，。f 2 ，f ( 。) 。假设在吾的时间旱，电磁铁的驱动力是恒定的，则驱动力做的功m ( 巾) 与凸轮的廓线变化没有关系。则在此段时间里，可以设等效驱动力f 细) 为常量f 。 根据常量f ，以及式 嘶。川2 陪+ 0 8 x g x ( 引圳“ 枷圳 可以求出电流i ， 就可以根据式( 2 - 3 ) 计算出凸轮的转角中。 ( 3 ) 根据以上假设，计算出开始点“的驱动力戊，并由式( 2 - 4 ) ，计算在二时 间内凸轮转过的角度，以及在此角度内凸轮的廓线厶。 在廓线f 0 端点上，计算该点受力，以及在该点的驱动力变化。计算出下一段f ，时 间内，所需的驱动力f 。依次类推，可以计算出1 3 段的凸轮廓线。 ( 4 ) 在每个小时间段里，分别计算凸轮转角中的值及凸轮廓线。由数值分析理 论可以知道，式中的n 值越大，求得的凸轮转角c d 越接近真实值1 。 ( 5 ) 根据以上所述，利用v b 语言 2 2 1 ，编程计算，可以近似模拟出凸轮的廓线 形状如图2 4 所示： 将以上绘制出凸轮廓线平均分成2 0 分，得到2 0 个点相对于图中所示的起始点的 位置坐标见表2 一l ： 华北电力大学硕士学位论文 誊一i | 5 ，譬t t 誊 图2 4 凸轮轮廓曲线 表2 一l 凸轮轮廓曲线上选取点的坐标 点的名称横坐标纵坐标 10 o0 o 2 2 2 41 3 7 4 6 73 5 7 3 69 765 1 4 8 8 596 2 5 1 06 1 31 6 1 2 1 91 6 6 4 7 134 61 9 6 1 8 1 4 9 72 31 7 9 1 6 5 22 67 4 l o 1 1 1 8 2 03 03 2 1 2 1 98 53 3 4 9 2 1 8 53 6 8 7 1 3 2 39 8 3 9 9 6 1 4 2 6 3 1 4 2 7 6 1 5 2 8 7 74 5 1 2 1 6 1 7 3 1 4 64 7 0 7 3 4 6 14 8 7 0 1 8 3 8 0 8 4 9 8 5 1 9 4 2 5 2 5 05 5 2 0 4 华北电力大学硕士学位论文 2 3基于p r o e n gin e e r 的电磁操动机构的模型设计 本文主要运用动力学分析软件a d a m s 对高压开关的电磁操动机构进行仿真分析， a d a m s 对于外形简单的零件建模非常方便，但对于形状复杂的零件a d a m s 的建模功能 则显得不够强大。一般来说，可以先用u g ，p r o e ，s o l i d w o r k s 等软件对复杂零件进 行建模，再将建好的模型传入a d a m s 中进行仿真分析。根据所掌握的知识及所在实验 室的软件应用情况选择当今世界上流行的三维设计软件p r o e n g i n e e r 对操动机构 进行模型设计。 零部件的实体建模及装配是可视化虚拟设计的重要组成部分，也是开发虚拟样机 的组成部分。本文在p r o e 软件中完成了构成电磁操动机构实体建模及装配。其中 包括2 6 种零部件的实体建模，由于建立整机模型的目的是将该模型传入多体动力学 软件a d a m s 中进行运动仿真，而a d a m s 对进行仿真的构件只对该构件质量、质 心位置、转动惯量有要求，而对构件的具体几何特征不关心。也就是说，对于具有相 同质量、质心、转动惯量的物体，不管其形伏、尺寸怎样，在a d a m s 中做运动仿真 分析，其结果是一样的。因此，建模时，不必过分追求零件的外部形状特征一定要与 设计图纸相符合，可以对零件模型进行适当简化，对零件中一些小的细节可忽略。例 如：零件中的倒角、嫘栓孔、键槽、键等可忽略。 考虑到实体模型需要导入a d a m s 中进行动态仿真分析，将整个模型的装配分成 摆臂凸轮机构、主轴摆臂机构、摆杆机构、弹簧转轴机构4 个子装配体的来完成。本 章较详细地介绍了主要部件摆臂凸轮机构建模、装配过程，并进行了必要的模型分析 与信息提取。 2 3 1p r o e n g i n e e r 简介和主要功能介绍 。 p r o e n g i n e e r 是美国p t c 公司研制的一套由设计至制造的一体化三维设计软 件，是当今世界著名的三维c a d c a m c a e 系统软件，广泛应用于各行各业。它是 新代的产品造型系统，具有参数化设计、三维实体模型、特征驱动和单一数据库功 能等特性。p r o e n g i n e e r 是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设 计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型时，可以随时对特征做合理、 不违反集合顺序的调整、插入、删除、重新定义等修改，轻易的改变模型”。 本文主要用到的p r o e 的功能主要有： ( 1 ) 零件设计 零件设计包括以下功能： 生成草图特征，包括凸台、凹槽以及冲压的、旋转的、沿二维草图扫掠过的槽， 华北电力大学硕士学位论文 或两个平行截面间拼合的糟。 生成标准特证，包拍孔、倒角、圆角、壳、规则图、法兰盘、棱等 草图装饰特征。 生成参考基准面、轴、点、曲线、坐标、以及非实体参考基淮的图。 修改、删除、压缩、重定义和重排列特怔以及只读特怔。 通过向系列表中增加尺寸生成表驱动零件。 通过生成零件尺寸和参数的关系获得设计草图 生产工程信息，包括零件的质量特性、相交截面模型、参考尺寸。 在模型上生成几何拓朴关系的曲面及粗糙度。 在模型上给定密度、单位、材料特性或用户专用的质量特性。 ( 2 ) 装配设计 装配设计有如下功能： 使用贴合( m a t e ) ，插入( i n s e r t ) 、对齐( a 1 i g n ) 等命令生成装配和子装配，最终 生成整个产品的装配。 从一个装配中拆开装配的组件。 修改装配时设置的偏移。 生成和修改装配的基准面、坐标系和剖面图。 修改装配模型中的零件尺寸。 产生工程信息、材料清单、参考尺寸和装配质量等特性参数。 可通过p r o a s s e m b l y 进行复杂、大型的装配设计以增强系统功能【2 4 1 。 2 3 2 摆臂凸轮机构的建模和装配 本论文中高压开关操动机构的传动机构是凸轮机构，凸轮廓线对输出机构摆臂的 运动速度的影响最为重要，关系到电磁操动机构的摆臂能否平稳的运动，能否给高压 开关的动触头提供平稳速度，因此凸轮机构的设计尤为重要。本节以摆臂凸轮为例简 单的介绍p r o e 实体建模的过程。 首先应用p r o e 软件的拉伸功能以默认的基准平面为基准建立总体的实体模型， 然后用剪切、打孔等基本的建模功能按要求对模型进行剪切，建立凸轮的基本模型如 图2 5 所示： 6 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 5 摆臂凸轮的初步实体模型 凸轮轮廓曲线的绘制。以上图所示的f r o n t 、r i g h t 面为基准面建立凸轮轮廓 曲线所需的2 0 个基准点，为了便于以后的工作将起始点的位置与孔的中心点相重合。 以这2 0 个基准点为参照用p r o e 的样条曲线功能创建样条曲线如图2 - 6 所示： 图2 - 6 凸轮轮廓曲线 由整个机构的运动情况可得到凸轮曲线的起始位置，将上图所示凸轮廓线起始点 的位置移动到与实际凸轮廓线的起始点，由p r o e 软件的参数化的优点则凸轮轮廓 曲线将移到实际所在的位置，以此样条曲线为基准用剪切功能剪切得摆臂凸轮机构如 图2 7 所示： 华北电力大学硕十学位论文 图2 7 摆臂凸轮零件图 用p r 0 e 的拉伸、剪切、旋转、打孔等基本功能创建摆臂大轴套、摆臂小轴套、 隔圈、隔套、压轴、大滚轮、止动轴。在装配图中使用贴合( m a t e ) ，插入( i n s e r t ) 、 对齐( a 1 i g n ) 等命令生成子装配体摆臂凸轮机构如图2 8 所示： 图2 8 摆臂凸轮机构装配图 2 3 4电磁操动机构实体模型的装配 在p r o e 建模时，模型装配体一般是按位置和功能划分为几个子装配体，每个子 装配体又由几个零件组成，这样可使整个模型层次分明，便于组织建模、观察及修改。 而在a d a m s 中进行的是动力学仿真，着重点是部件之问的运动关系。为了将要仿真 的系统模型一次导入a d a m s 中，无须再调整部件问的位置关系，我们应该充分利用 p r o e 灵活的装配能力，在模型传递前对模型装配关系进行适当的调整。调整的原则 华北电力大学硕士学位论文 是按照运动关系和研究目的及系统的结构将装配体大致分成由几个刚体组成的刚体 模型，每个刚体可能只包括一个零件，也可能包括数个零件或子装配。笔者也不赞成 先在p r o e 中把要预定义为一个刚体的多个零部件或子装配合并为一个零件，要做的 只是改变装配体中零件的装配次序及隶属关系，使人一目了然就可看出刚体模型共有 几个刚体组成1 2 5 。因此，本论文将电磁操动机构的模型设计分成了摆臂凸轮机构、 主轴摆臂机构、摆杆机构、弹簧转轴机构4 个子装配体和一些辅助的零部件。在整体 的装配过程中主轴摆臂机构、弹簧转轴机构、驱动轴、电磁箱等的装配用p r o e 软件