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塑壳断路器滑扣现象的仿真分析
xiao_xiao1 发表于 2009/8/11 11:02:44 626 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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0 引 言
塑料外壳式断路器是低压配电系统中最重的基础元件之一[1]，其操作机构的滑扣问题是断路器设计中的核心问题。所谓滑扣，即开关在合分闸过程中，跳扣和锁扣脱开造成合分闸失败的现象。本文通过运用ADAMS仿真软件[2] ，对某型号额定电流为250 A（简称M1型）塑壳断路器机构的滑扣问题进行分析，阐述了机构滑扣的原因，并提出了解决方案。
图1所示为M1型断路器机构的模型。图中机构处于分闸位置，f为牵引杆；g为下连杆；h为上连杆；k为跳扣；m为上锁扣；n为下锁扣；O1为跳扣转动中心；O2 为上锁扣转动中心；O3 为下锁扣转动中心。正常情况下，上、下锁扣上都有反力弹簧，保证开关不误动作。当短路电流出现时，脱扣器的衔铁在磁场作用下，推动f和m围绕O2 顺时针转动，m的弧形面在n的面上滑动，当m的弧形面滑入n的方槽时， n绕轴O3 逆时针转动，同时n与k解锁，在主弹簧e的拉力作用下， k绕O1 轴顺时针转动。机构变成五连杆机构，动触头打开，断路器脱扣。这是机构脱扣后的整个运动过程。
图1 M1型断路器机构模型
1 对机构滑扣现象的仿真分析
通过分析机构模型可知，机构滑扣的主要因素有以下几个方面：① O1 的位置；② m转动中心轴O2 的位置；③ n转动中心轴O3 的位置；④ m与n转动中心接触的轴O3 的半径R（见图2）；⑤m与n接触的磨擦系数；⑥ m与n的材质与热处理情况。
图2 初始再扣阶段力的方向
1. 1 O1 位置的影响
对于k转动中心轴O1（X， Y）， X 坐标变化的影响大于Y坐标。一般在设计过程中，已保证了k在下锁扣窗口中的包含面积。正常情况下， k不可能滑出n的窗口。所以在考虑滑扣时，可暂不考虑k转动中心轴O1 的位置。
1. 2 其余因素对滑扣现象的影响
用ADAMS软件对机构进行仿真，以初始坐标系为参考点，以m、n的转动中心的X、Y坐标、接触轴O3 的半径R 作为设计变量，进行设计研究[ 3， 4 ] 。根据产品结构的实际情况，设置其变化范围(见表1），观察各变量值对机构滑扣的影响。
如图3所示，再扣距离为m上的点1到n上的点2的距离，扣住距离为n上的点3到k上的点4的距离。当以上变量取初始值时，测得机构在合闸过程中再扣距离和扣住距离随时间的变化曲线如图4、5所示。
由图4、5分析可得，在初始位置，模型的再扣距离为1. 0797 mm，扣住距离为+ 0.107 3 mm。在合闸的过程中，如再扣距离减小为0时，即发生滑扣；另外，扣住距离增大为1. 6 mm（下锁扣的材料厚度）时，也即发生滑扣。图4及图5中出现的曲线波动是由于断路器在合闸过程中，跳扣k与n的震动造成的。
取k与n、n与m在碰撞约束中的参数———包容值为0.1 mm（此包容值与零件的材质和热处理情况有关）[5] ，仿真分析的结果见表2～6。
通过仿真分析，某些尺寸变量变化到一定值时，会出现滑扣现象。但现实机构的零件由于是用模具成型而得，尺寸偏差不会很大，通过对机构零件的测量，也可以说明这个问题。所以，以上尺寸的偏差不应是断路器滑扣的主要原因。
1. 3 仿真分析实际滑扣现象产生的原因
机构仿真中，发现在牵引杆f转动过程中， n对m的作用力方向会发生变化(见图2、6）。图2为模型再扣时上、下锁扣作用力的方向图，图6为模型滑扣阶段上、下锁扣作用力的方向图，箭头为力的作用线，图2中，力的主作用线通过圆心。图6中力的主作用线已偏离圆心。分析表明，在图6状态时有助于m的脱扣运动。实际上，大多数的物理样机在m和n上都有磨损的痕迹。分析上、下锁扣的运动过程，由于m的圆弧面在n表面滑动，而上锁扣m的圆弧面顶端有一尖角，在运动几次后，上锁扣m的圆弧面就会在n表面留下凹痕，同时m上的圆弧面的尖角被相应磨成一个圆角(见图7）。
1. 3. 1 上锁扣m的磨损圆角R1 为变量
设以上锁扣m圆弧面的尖端倒R1角来表示上锁扣m的磨损情况，如图7所示。如R1角的取值为1.0，初始再扣距离为0.86 mm，接触碰撞包容值取0. 1，进行合闸操作的仿真分析。仿真合闸过程中再扣距离的变化曲线如图8所示。
由图8可知，机构在AB 段这段时间为再扣保持阶段，此时再扣距离保持不变；在B 点处开始合闸操作，此刻为4ms， BC段为手柄合闸过程，由于合闸过程中上、下锁扣作用力的变化，使上锁扣产生滑动，再扣距离减小；CD 段为开关动触头和连杆的合闸过程，此时再扣距离基本线性减小，即滑扣过程基本线性进行；当时间到达D点时，合闸运动结束；DE段为m在n作用力的作用下，进一步向滑扣方向转动，直至机构脱扣，再扣距离趋向于0；EF 段为动触头打开的过程，到此，整个开关完全滑扣。下面分别对R1 取不同的值进行仿真，结果见表7。
由仿真分析可知，滑扣的加速过程主要在手柄的合闸过程中；R1角越大、滑扣的起始时间越短，越容易滑扣。
1. 3. 2 n的表面磨损深度取不同值
在ADAMS仿真过程中，对于n的表面磨损深度用碰撞包容值代替。如R1 = 0. 6，初始再扣距离= 0. 78 mm，接触碰撞包容值= 0. 2，进行合闸操作的仿真分析。仿真结果如图9、10所示，图9为仿真合闸过程中再扣距离的变化曲线，图10为动触头末端点的运动轨迹曲线。
由图可知，机构在2 ms处即开始滑动，在10ms时上锁扣滑入下锁扣窗口内，动触头在5 ms时开始合闸，在7 ms时合闸结束，在10 ms时动触头开始打开， 17.5 ms动触头完全打开。下面对接触碰撞包容值取不同的值分别仿真，仿真结果见表8。
通过仿真分析，下锁扣上磨损的小槽的深度也影响机构的滑扣。由此可知，此断路器滑扣的主要原因是由磨损造成的。
2 分析和改进机构零件
由于该机构的滑扣主要是磨损造成的，同时上、下锁扣接触压力的作用线在理论设计时通过上锁扣的旋转中心O2（见图2）。在上、下锁扣磨损时，下锁扣对上锁扣的接触压力的方向将在旋转中心O2 以下，该力将辅助上锁扣旋转，使开关脱扣(见图6）。因此，解决滑扣要通过两方面入手：①减少接触压力以减少磨损；②在理论设计时使接触力的作用方向在上锁扣的旋转中心O2之上，用该力阻止开关脱扣。通过UGII设计研究，得到一种新型的上、下锁扣，如图11、12所示。
(1） m接触圆弧面由一面改成两面，每个圆弧承受的接触压力变为原来的一半，并且使上锁扣承受的力左右平衡，改变原来单边受力的状况。同时，与m对应， n由单边窗口改成两边窗口。
(2） m的接触圆弧由原来的一段圆弧，改成一段直线加一段圆弧(见图13）。其中直线段与n的接触面平行，上、下锁扣在扣住位置时由原来的线接触改为面接触。同时， n对m的接触压力的方向将在上锁扣的旋转中心之上(见图14）。
3 对改进后的机构进行仿真分析
将改进后的跳扣三维模型导入ADAMS软件，对模型施加实际相应的材质、约束、接触和力进行仿真试验[ 6 ] 。
在仿真分析开始时，模拟上锁扣m由于受到其转动中心的阻力的作用，预先转过一个小角度(往滑扣方向），使其初始再扣距离由1. 05 mm变成0. 69 mm，然后开始合闸操作。通过仿真发现，上锁扣m在受到下锁扣n对其接触压力的作用下，往扣住方向转动，最终又转回到初始位置，有效阻止了断路器滑扣(见图15）。
为了验证仿真分析结果的正确性，随机抽取了改进前、后的样机各50台进行机械寿命试验。试验结果表明，在1. 5万次机械寿命的操作过程中，新机构的断路器无一滑扣，且机械寿命比老的断路器有大幅度提高，达到了设计要求。新、老机构的塑壳断路器机械寿命对比见表9。
由表9可见，仿真分析的结果是有效的，此方案可有效地解决机构滑扣的问题，符合设计要求。
4 结束语
本文通过对M1型塑壳断路器的滑扣问题进行仿真分析和试验研究，发现造成产品滑扣的原因为：①接触面磨损；②原设计的接触方式为圆弧和面接触，在磨损后，其接触压力辅助机构滑扣。针对以上原因，利用UG软件和ADAMS设计出一套新的机构，通过仿真分析和样机试验，证实此仿真分析的结果能有效解决断路器的滑扣问题。