基于Adams真空断路器凸轮的仿真与优化

摘 要：本文首先简单介绍了凸轮机构在真空断路器的重要性，然后运用运动学分析软件Adams仿真断路器的合闸过程，通过对比两种不同的凸轮轮廓曲线，发现优化过的凸轮合闸速度满足技术要求，同时降低了合闸簧的出力，使真空断路器整个机构的可靠性及寿命得到提高，对样机的后期试制有一定的参考意义。

关键词：凸轮；真空断路器；Adams；合闸速度；合闸簧

0 引言

真空断路器是电力系统中最主要的控制和保护设备，对电网的安全运行起着关键的作用，根据近几年的调查统计，在真空断路器的故障中，机械故障占主要部分，而且不少电气故障也是由机械故障造成的，数据显示这些故障中70%～90%以上属于操作机构故障[1]。因此，提高真空断路器的可靠性的主要手段还是改进操作机构，这样对整个电力系统的正常运行和供电质量具有十分的重要意义。

操作机构按照驱动方式通常分为：手动、电动、气动、液压、电磁、弹簧[2]，而弹簧操作机构是目前真空断路器中最常采用的一种操作机构，这种机构最核心的部件是凸轮-连杆机构，连杆机构起到传递运动的作用，而凸轮机构决定了输出特性[3-4]。因此，在满足技术要求的前提下，合理设计凸轮机构，可以减少合闸簧的输出功，从而缓解整个断路器所受冲击，提高其可靠性及寿命[5-6]。

以往凸轮设计大多还是依靠经验，或者参照同类产品中已有的凸轮，找出运动规律[7]，并通过试验―修改―试验的方式验证其是否满足设计要求。上述方法的整个设计过程是被动的，对研发人员的经验和设计水平要求较高，而且整个过程的设计周期长、成本高。

本文采用运动学分析软件Adams对真空断路器合闸过程进行仿真，研究其凸轮运动轨迹与合闸簧及合闸速度的关系，有针对性的改变凸轮轮廓曲线，使其满足产品设计要求，解决以往产品反复试制的难题。

1 断路器仿真模型的建立

本公司某型号真空断路器操作机构原理分别如图1所示，凸轮2在合闸簧1作用下，挤压拐臂4上的滚轮3带动拐臂5转动、同时压缩分闸簧6、连板7绕支点旋转压缩触头簧8实现真空灭弧室9动静触头关合。

图1 断路器操作机构原理图

1.合闸簧2.凸轮3.滚轮 4.拐臂5.拐臂6.分闸簧7.连板8.触头簧9.灭弧室

本文采用三维软件UG对真空断路器进行整体建模，并将其以ParaSolid格式导出，然后再将该文件导入Adams中，在Adams中进行断路器合闸仿真。

建立Adams运动学模型时作如下假定：

1） 所有零件都是刚体，各运动副均为刚性连接，不考虑运动副间的摩擦力；

2） 研究凸轮、动触头等相关运动特性，断路器框架本体相对地面静止不动。

模型的主要参数设定如下：

合闸簧（初定）Fmax=2700N，K=29N/mm 分闸簧Fmin=600N，K=25N/mm

触头簧Fmin=2000N，K=300N/mm 动触头质量：2kg/个 触头自闭力120N

2 凸轮的优化设计

通过对原始凸轮的合闸模型仿真，分别计算出合闸速度为0.96m/s（理论值0.4～0.8m/s），凸轮转过16.5°动触头开始合闸，转过57.5°合闸完成。合闸速度已经超出了理论值范围，所以有必要对凸轮进行优化设计才能使动触头的合闸速度满足技术要求，图2是新旧凸轮轮廓线对比图。

图2 新旧凸轮对比图

曲线1：原始凸轮 曲线2：改进后凸轮

对改进后的凸轮合闸模型进行仿真，分别计算出凸轮转过24.3°动触头开始合闸，转过59.5°合闸完成，虽然推迟了凸轮合闸时间，理论上合闸速度应该提高，但本文通过调节合闸簧的力值（由原来2700N减小为2400N），由图7计算出合闸速度为0.78m/s，满足技术要求（理论值0.4～0.8m/s），同时也减少了合闸簧的出力。

零件的疲劳寿命与零件的应力、应变水平有关，它们之间的关系可以用应力一寿命曲线（σ-N曲线）表示，其数学表达式为

式中：？滓-零件的最大应力； N-零件的应力循环次数；m-零件常数，其值一般为 6～9。

本文通过改变凸轮的轮廓曲线，合闸簧的出力减少了11%，可以认为与之有关的零件的值也相应减少11%，即

式中：？滓1为合闸簧力值减少后零件的最大应力，如果取 m=8，则有

式中： N1-合闸簧的出力减少后零件的循环次数。

由上式可求得

计算结果表明，与其相关零件的循环次数是原来的2.25倍，从而提高了零件在机构中的使用寿命，此外由于合闸簧的出力减小，使得整个机构的振动也会相应减小，其可靠性也会得到显著改善。

3 结语

本文采用Adams动力学仿真软件，对本公司某型号真空断路器进行合闸过程的仿真，结果表明凸轮起始接触点对动触头合闸速度有一定的影响。通过优化凸轮轮廓曲线，在保证合闸速度满足技术要求前提下，降低合闸簧的出力，从而提高了整个真空断路器的可靠性及寿命，使输出特性与负载特性更好的匹配，对样机的后期试制有一定的指导作用。■

参考文献

[1] 张福明. ZN85A-40.5真空断路器的设计[D]. 苏州大学硕士学位论 文，2009.

[2]孙岩. 基于ADAMS的高压真空开关合闸参数优化[D].华北电力 大学硕士学位论文，2007.

[3]吴伟光，马履中. 真空断路器弹簧操动机构中凸轮机构的优化设计[J]. 江苏理工大学学报，2000，21（4）：40-44.

[4]李世芸，王轩. 基于CAE 技术的高压开关弹簧机构凸轮优化设计 [J]. 高压电器，2007，45（5）：20-23.

[5]闫静等. 真空断路器弹簧操动机构中凸轮机构的优化设计[J]. 电气制造，2006，09：27-29.

[6]成守勇等. 弹簧操动机构中凸轮机构的优化设计[J]. 电气制造，2006，03：54-56.

[7]赵建明. 真空断路器凸作机构的优化[J]. 船电技术，2006，26（5）：57-59.

作者简介：

马成飞（1986-），男，硕士，工程师 主要研究方向：断路器等元器件的研发设计。