断路器虚拟样机模型及工作原理

作者：于永站 张金泉 孙永雷 陈大江 单位：江苏大全凯帆电器股份有限公司

当需要合闸时，将手柄插入主轴2中，顺时针转动手柄，主轴2和推板4之间通过螺纹副连接，将主轴2的旋转运动转化为推板4的直线运动，推板4一方面通过齿轮齿条副将扇轴5转化为旋转运动，扇轴5上的扇形齿轮带动龙弧8转动，进而带动滑板9上的凸台沿着龙弧内部的曲线做水平移动，最终使得断路器本体水平移动；另一方面又通过固定在推板上的衬套推动指示轴3转动，用来指示断路器“分离、试验、连接”的状态，指示轴3上有一个凸台与弹跳件1配合，当指示轴3指向试验位置时，弹跳件1会弹出一定距离，使指示轴3上的凸台落入弹跳件1的凹槽中，将指示轴锁住，同时带动另一个六角锁死机构将主轴2锁住，解锁时只需将弹跳件1按进即可。在断路器摇进的过程中，首先二次回路的二次端子10接通，然后一次回路才开始慢慢接通，本体上的母排6和抽屉座上的桥形触头7慢慢靠近，最后母排6完全插入到桥形触头7中，一次回路才完全接通。摇出过程和摇进过程是一个完全相反的过程。2动力学仿真分析2.1条件假设由于影响断路器正常工作的因素很多，导致断路器的工作过程比较复杂，因此，将断路器的工作条件作了一定的假设：(1)除部分关键运动副外，其它的运动副的摩擦忽略不计；(2)各部件的配合间隙忽略不计；(3)为简化模型，将不影响运动关系的部件忽略不计。

约束施加根据断路器各部件之间的实际运动情况，对各部件进行运动关系约束施加。文中所用到的运动副有旋转副、移动副、固定副、齿轮副、接触副、螺纹副等，运动副的施加一定要结合实际情况而定，错加或漏加都会影响仿真结果。仿真分析正确的建立虚拟样机模型，并施加约束关系后即可进行仿真分析。仿真分析时，根据自己的关注点，可设定相应的测量。文中分别建立了推板行程、本体行程、龙弧转角、扇形齿轮转角、母排和桥形触头之间距离、端子之间距离以及指示轴转角之间距离的测量。最后在主轴上施加360(°)/s的驱动，仿真时间设为22s，时间步设为500帧。分别对断路器摇进和摇出过程进行仿真分析，测量结果如表1和表2所示，其中行程类数据前的负号代表插入距离，角度类数据前的负号代表反向旋转。断路器摇进过程以分离位置为初始位置，分别进行测量并仿真。分离位置时，二次端子相距6.7mm，母排和桥形触头相距42.4mm，其它部件的值均为0；试验位置时，二次端子首先接通，而母排仍相距25.5mm；连接位置时，推板移动33mm，二次端子和母排均已接通。断路器摇出过程以连接位置为初始位置，分别进行测量并仿真。在连接位置时，二次回路和母排均处于接通状态；在试验位置时，母排与桥形触头已经分离，一次回路断开，而二次端子依然处于接通状态；在分离位置时，二次端子也分离开来，断开二次回路，在整个摇出过程中，本体移动了52mm的距离。

运动范围给定根据以上对断路器三位置行程的仿真结果，结合仿真数据进行分析，可得出最优的三位置数据，母排最大插入深度为10mm，推板最大行程为33mm，本体最大行程为52mm，二次端子的最大插入深度为7.6mm，实际生产中可根据此优化数据对生产中出现的问题进行修正，使产品的优化过程更加合理，有效地避免了盲目修改。根据实际断路器在试验和连接位置的运动情况，分别对断路器的试验和连接位置给出了一定的运动范围。试验位置的运动范围需要根据二次端子的接触情况确定，由于断路器生产中存在间隙和制造误差，因此需要给出一定接触量以保证二次端子完全接触。结合断路器的结构和各部件的运动情况，经过反复仿真分析确定，仿真时间在3.12～4.27s范围内可作为试验位置，仿真时间在21.12～22s范围内可作为连接位置，。母排和桥形触头在12.6s时开始接触，之后的行程均为母排的插入距离。在试验位置时，母排和桥形触头相距范围为24～28mm，在连接位置时，母排插入桥形触头范围为-9.5～-10mm。，在试验位置和连接位置时，推板的运动位置范围为4.8～6.4mm和31.7～33mm。在以上范围内，只要设计时保证弹跳件能够有效地将指示轴和主轴卡住，就能都满足断路器的设计要求。

本文主要介绍了虚拟样机技术在低压断路器优化设计中的应用。通过ADAMS软件，对断路器的三位置行程进行仿真分析，测量出各部件的运动情况，最后还给出了断路器的理论行程以及试验位置和连接位置设计时的合理范围。通过分析结果表明，虚拟样机技术的应用对断路器的优化设计具有指导性意义。