■ 华北电力大学机械工程系 崔彦彬 车磊
0 前言
真空断路器触头闭合时，为了缩短关合过程中的燃弧时间以及保证合闸的可靠性，通常其冲击速度和冲击力都是比较大的。这必然就容易引起触头碰撞后发生弹跳。弹跳将会使触头之间产生拉弧，导致触头熔焊，从而影响断路器的使用。在触头上加装缓冲弹簧可以有效地缓解触头之间的冲击和弹跳，缓冲弹簧的作用主要体现在刚度上，因此弹簧刚度的选择就显得极为重要。由于触头之间的碰撞会产生塑性变形，导致能量损失，影响触头速度，使断路器合闸特性变差。通过对碰撞阻尼的优化，得到最佳阻尼值，从而实现触头材质、结构的最优选取。[1]
虚拟样机技术的显着特点使其受到了企业、高校及科研部门等的关注，其中尤其以美国MDI公司开发的ADAMS软件使用最为广泛。可以在ADAMS软件中，虚拟创建机构的三维模型，仿真其运动、分析受力、优化参数。我们应用ADAMS软件，创建开关触头三维模型，对其合闸过程进行动力学分析，优化缓冲弹簧刚度和碰撞阻尼，从而得到比较理想的合闸特性。
1 机构简介
真空断路器灭弧室主要由动、静触头及其他辅助零件装配而成。
文献[2]提出了预振动理论，并分析了预振动产生的原因，指出预振动不但使开距不按其预定规律减小，而且对合闸弹跳有直接的影响，对重燃也有一定的影响。为了消除预振动，设计出一种新型结构，即将缓冲弹簧安装在静端，动端不加缓冲弹簧，这样就减少了运动质量，自然消除了触头弹簧引起的预振动。此结构如图1所示。
断路器进行合闸时，操动机构驱动动导电杆运动，动导电杆带动动触头运动，动触头与静触头发生碰撞并贴合在一起。碰撞发生时，静触头上的缓冲弹簧会吸收碰撞能量，减轻碰撞弹跳。
由于运动机构零件较多，且各零件运动规律不同，直接对其进行动力学分析求解起来非常困难，为了能对复杂的运动系统进行动力学分析，需要将系统进行等效转化。断路器动静触头发生碰撞时，其动力学简化模型可用下图表示：
图1 静端安装弹簧的结构
图2 碰撞模型示意图
碰撞过程可描述为：在外来机械功的作用下，质量为m的物体以速度V0碰撞到静止的且质量为M的物体上。两物体碰撞后以共同速度V1一起运动。
根据动量守恒和能量守恒原理，我们可得到如下方程：
式中：A系统初始动能
Af碰撞过程中的能量损失
由公式（1），（2），（3）可得到下面关系式：
公式（4）可以看出，碰撞后的共同速度V1与能量损耗Af有关。Af主要包括触头塑性变形能、接触表面摩擦力做功、以及触头表面接触反弹时抗粘合的能量等。而我们知道，影响能量损耗Af最主要的参数便是碰撞阻尼系数。因此，我们可以通过优化碰撞阻尼系数，选择合理系数值，使触头达到最佳的速度特性。
2 建立机构三维模型
对机构进行仿真分析首先要建立机械系统各零部件的三维实体模型，市面上的三维绘图软件种类很多，功能也很强大，如PRO/E、UG、Solidworks等。我们可以通过此类的绘图软件建立模型，然后利用这些软件和ADAMS软件之间的接口程序，导入ADAMS中。但接口程序与ADAMS分别来自不同公司，两者之间属于“有缝连接”，两者之间不同的图形格式会导致图形转换时一些图形元素的丢失，如圆变成了多面体，旋转体轴线丢失等。如果在样机即将定义完毕时，发现结构尺寸有误，则必须返回到绘图软件环境下修改，而后再进行重新定义[3]，所以导入工作非常繁琐。由于断路器触头的结构不十分复杂，利用ADAMS软件本身的三维建模功能也可实现，因此本文采用在ADAMS中直接建模。模型如图 3所示：
图3 ADAMS中触头的三维模型
3 仿真分析及优化[4][5]
3.1 参数设置
为了得到良好的合闸特性，一般要求触头弹簧具有一定的预紧力。但是如果预紧力过小，将会增加触头合闸时的弹跳时间，影响断路器长期工作温升；如果预紧力过大，就要增加触头弹簧力，造成合闸功增加，从而增大了冲击和振动。弹簧预紧量的多少会影响预紧力的大小，本文通过设置缓冲弹簧预紧量的长度，来确定预紧力的大小。
结合断路器实际结构，对静触头缓冲弹簧做如下设置：弹簧放置长度为75mm,弹簧自然长度为95mm，则弹簧压缩量为20mm。
设置静触头缓冲弹簧初始刚度为20N/mm.；对于碰撞阻尼我们去系统默认设置值10；测量的目标曲线为动静触头标记点间的相对位移。在此设置下对模型进行仿真分析，得到如图 4 所示曲线：
图4 动、静触头相对位移曲线
从图4 中的曲线我们可以看出，触头合闸过程中发生了两次较为明显的弹跳，且第一次弹跳尤为严重。如果此时开关带载，必然会产生高压拉弧，损坏触头。说明此系数值的设置不太合理，需要对其进行调整。
3.2 设计分析
(1)创建设计变量 在ADAMS软件中，将触头缓冲弹簧的刚度值设置为变量（DV_1）。以20N/mm为初始值，以绝对值方式变化，变化范围为20～100N/mm.
(2)设置目标函数 由于我们测量的是动静触头之间的相对位移，弹跳越小，曲线越平滑，平均位移就越小，因此我们将位移曲线平均值最小为优化目标。即，目标曲线平均值为最小时所对应的弹簧刚度为最佳刚度。
（3）设计分析结果
使用ADAMS软件的设计研究功能（Design Study），使设计变量按照一定的规则在一定范围内进行取值。根据设计变量的不同，进行一系列仿真，并输出各次仿真分析的结果。通过分析报告我们可以观察到以下内容：设计变量的变化对样机性能的影响；设计变量的最佳取值；设计变量对样机性能的敏感程度。本次设计研究报告如图5所示。
从设计报告中我们可以看出，当弹簧刚度在87.143时，动、静触头平均位移最小，即弹簧刚度在此时比较接近最佳刚度值。
同理，我们对碰撞阻尼进行设置。将碰撞阻尼系数设置为变量（DV_2）。以0为初始值，绝对值变化方式，变化范围为0～100。在此设置下对变量DV_2进行设计研究，结果如图5 所示。
图5 刚度设计分析报告
图6 碰撞阻尼设计分析报告
从图6 的碰撞阻尼分析报告我们可以看出，当 阻尼值为42.857时，目标曲线平均位移值为最小。
弹簧刚度设计分析报告是在碰撞阻尼为一定值的情况下取得的，碰撞阻尼设计分析报告是在弹簧刚度不变的情况下得到的。而实际情况是弹簧刚度和碰撞阻尼同时作用，因此我们要对两变量同时变化的情况进行试验分析。
3.3 细化模型
根据弹簧刚度和碰撞阻尼的分析报告，对刚度值和阻尼系数值进行细化，以便得到更加精确的刚度值。首先改变设计变量的取值范围，弹簧刚度87.143为基准点，阻尼系数以42.857为基准点，选百分比的变化方式，变化范围取±10%。按照以上设置进行一次实验分析，得到的分析报告如图7所示：
图7 两变量试验分析报告
由试验分析结果可以看出：当弹簧刚度和碰撞阻尼两变量同时变化时，弹簧刚度为95.867；碰撞阻尼为38.575时，目标函数值最小，将这两个值代入样机模型，进行仿真分析，得到合闸特性曲线，如图8所示：
图8 细化后的合闸曲线
图8 曲线的结果表明，动、静触头只在刚合位置时发生了微小的位移变化，而没有出现较大的弹跳，合闸特性得到明显的改善，说明这两个变量值是比较合适的。
4 结语
动端不加缓冲弹簧，机构为刚性，这样可以有效地消除预振动带来的影响。静端安装缓冲弹簧，选择合适的弹簧刚度以及修正碰撞阻尼系数，就可以尽可能地减少触头弹跳和机构的振动，增强机构可靠性。对机构的最优化设计具有重要的指导作用。
传统的试验法不仅费时，还要消耗大量的财力和物力，所得结果一般也不会为最佳值。运用虚拟样机技术，不仅避免了传统方法的先天不足，还可以在虚拟环境下进行多次的分析和试验，根据结果优化机构参数，高效快速地实现理想方案。
[1]马伟强.碰撞过程中高压开关触头分析及优化[J].机电工程技术，2008（6），90-92
[2]苑舜.真空断路器操动机构的设计与优化[M].北京：中国电力出版社，1997.
[3]杜中华，王兴贵，狄长春.用PRO/E和ADAMS联合建立复杂机械系统的仿真模型[J].机械，2002（29）：153-154.
[4]李军，邢俊文，覃文浩等.ADAMS实例教程[M].北京：北京理工大学出版社，2002
[5]陈德民，槐创锋，张克涛等.精通ADAMS2005/2007虚拟样机技术[M].北京：化学工业出版社,2010
