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摘要：建立在多体动力学院里基础上的虚拟样机技术，在建立低压塑壳断路器操作动力学模型上具有重要的作用，可通过相关的测试，判断某种型号断路器的性能。实践证明，仿真模型输出特性与试验结果吻合，说明模型具有可行性。在本文中，笔者从建立模型开始，为模型优化提供了可靠的平台。
关键词：低压断路器；操作机构；动态仿真；优化设计
中图分类号：S611文献标识码： A
低压配电支路的主开关便是低压断路器，可长时间以来仅凭经验来设计方案，不但浪费资源，同时由于产品开发时间长，无法适应电力事业的发展。虚拟样机技术是一项全新的工程技术，包含多个学科，可做三维可视化处理，目前成为开发新型低压电器的关键技术之一。本文即分析基于该技术之上的低压断路器操作机构动态仿真与优化设计。
一、虚拟样机技术
虚拟样机技术是一种新兴的技术，该技术涉及多项理论方法，比如计算方法、软件工程学和多体系动力学等内容，通过这项技术，工程师便可在计算机上建立完善的电器产品机械系统模型，而且还能够进行三维可视化的处理，真实模拟产品在现实环境条件下的设计与过程，为物理样机设计和制造提供参数依据。因此，目前该技术已经成为开发新型低压电器的关键技术。虚拟样机技术的设计方法与传统设计方法相比，具有一定的优势，比如开发产品的周期缩短，产品的质量提高等。
在短路电流流途径压塑壳断路器条件下，如果触发出现脱扣机构，则操作机构便发生动作。而断路器触头分开时，且在产生电弧的工况条件下，电弧便处于停滞阶段，，因此，被拉长冷却同时，在热场、电磁场和流场共同作用之下，塑壳断路器可向前运动，直到进入灭弧室，而在途径灭弧室时，电弧可产生冷却，而且可能出现高电弧电压，由于达到限流值而出现开断的现象。这就说明，通过提高断路器开断速度，能够切实降低电弧停滞时间，降低触头烧蚀的程度，从而有助于电弧在最短时间内灭弧室熄灭，有效提高断路器开断的性能。
笔者根据多体动力学原理，采用美国MSC 公司的虚拟样机技术商业软件，建立了国产额定电流为250A的某型号低压限流式塑壳断路器操作机构多体动力学模型，然后进行了动态仿真，最后验证了该模型的有效性和正确定，并提出了机构优化设计方案。
在利用ADAMS软件优化机构时，遵循的基本步骤为：创建机械系统建模：运动件、运动副、运动约束和施加荷载——测试模型：模拟模型在实际操作过程中的动作，进行仿真分析——验证设计方案：对比模拟仿真结果与样机试验数据——与实验结果是否一致——细化模型：通过增加摩擦力、改进荷载系数、定义柔性物体和连接等仿真测试数据符合物理样机试验数据——深化设计：评估机械系统针对不同合计变量的灵敏度——优化分析：找到获得最佳性能的设计组合——设计步骤自动化：迅速测试不同设计可选方案，直到找到最优设计方案，得到最佳性能的设计组合。
二、建立低压塑壳断路器操作机构动力学模型
在ADAMS/View环境中建立低压塑壳断路器操作机构模型，而这一模型主要由连杆机构构成，而操作机构是一个合闸过程，同时也是一个瞬间完成的过程，由于模型涉及的因素比较多，所以需要建立精确模型。利用ADAMS软件建立的，其模型的示意图如下图所示。
图1 低压塑壳断路器模型示意图
从上述模型示意图中可以看出，低压塑壳断路器操作機构属于一种典型的五连杆机构。也就是由下连杆、跳扣、上连杆、触头支架和锁扣，以及分段弹簧、操作手柄等几个部分组成。而其中的触头转轴O上面的扭簧约束触头臂，以及触头支架处于运动状态。但当该模型处于图示中的合闸位置时，则分段弹簧2可能有贮能，可以由于连杆g以及连杆处于挺直状态，也就是死区位置，而C点固定不动，因此上述两个连杆，以及触头支架f和机构组成四连杆机构，因此便处于静止和稳定装填，这时触头是完全闭合的。在手动分闸时，分段弹簧可在手柄的转动下伸长贮能，而在上连杆与弹簧力作用线重合时，则始终处于最大位能状态，但是如果超过上连杆，则B点在向左运动的过程中就会脱离死区，触头支架便会被上连杆上提，绕着触头主轴O1转动，因此可带动触头向上运动而出现分段。
在短路电流来到之前，脱扣器未动作之前，如果电动斥力可克服弹簧返反力和触头重力，这时触头可被斥开一定的角度，在短路电流引起锁扣m转动时，在分段弹簧的作用线，跳扣k便会绕着O2顺时针转动，而C点便成为了活动点，同时连杆g、h可以脱离死区，因此也就变成了五连杆机构。
三、断路器开断速度的影响因素
（一）电动斥力因素
电动斥力因与预压力对触头的斥开时间与打开速度有决定性的作用，而电弧电压的出现时间与峰值与斥开时间也有一定的关联，因此，MCCB限流性能可对断路器的开断速度产生较大的影响。
（二）分段弹簧刚度因素
20N/mm 、30N/mm等不同刚度系数，动触头达到设定角度耗费的时间为10.77ms、9.53ms。因此可以看出，提高弹簧刚度，是加触头打开速度的有效方法之一，但由于手动分合闸力会随弹簧刚度提升而提高。所以仿真结果表明，系数为20N/mm ，开断闭合力为 30N/mm上下，而闭合力为30N/mm时，为55N上下。因此，提高分断弹簧刚度，同时需考虑其对操作力的影响，而不能仅仅增加刚度。
此外，影响因素还包括杆件形状，杆件形状对开断速度也有着重要的影响。影响的程度可用下面的公式来表示：
在这个公式中，O为目标值，V表示设计变量数值，而i为迭代的次数。
结语：
低压塑壳断路器动力学仿真模型的建立，在模型的基础上实现系统优化，可提高产品开发的周期和效率。在本文中，笔者结合自身的工作实际，通过ADAMS软件建立了断路器操作机构动力学模型，在反映其动力学性能方面有着良好的效果。模型优化后的平均角速度提高了13.4%，而分断时间减少2s，因此，该模型具有可行性与准确性。
参考文献：
[1]郑建荣.虚拟样机成为开发新型低压电器的关键技术[J].低压电器，2012（06）
[2]杨武，王小华.考虑电动力效应的高压断路器动力学特性仿真分析[J].中国电机工程学报，2013（05）
[3]刘洪武，陈德贵，张静姝.低压断路器操作机构的动态仿真与优化设计[J].中国电机工程学报，2013（09）
[4]王晓龙，张震.低压断路器操作机构的动态仿真与优化设计分析[J].工程科技，2011（23）
关键词：低压断路器；操作机构；动态仿真；优化设计
中图分类号：S611文献标识码： A
低压配电支路的主开关便是低压断路器，可长时间以来仅凭经验来设计方案，不但浪费资源，同时由于产品开发时间长，无法适应电力事业的发展。虚拟样机技术是一项全新的工程技术，包含多个学科，可做三维可视化处理，目前成为开发新型低压电器的关键技术之一。本文即分析基于该技术之上的低压断路器操作机构动态仿真与优化设计。
一、虚拟样机技术
虚拟样机技术是一种新兴的技术，该技术涉及多项理论方法，比如计算方法、软件工程学和多体系动力学等内容，通过这项技术，工程师便可在计算机上建立完善的电器产品机械系统模型，而且还能够进行三维可视化的处理，真实模拟产品在现实环境条件下的设计与过程，为物理样机设计和制造提供参数依据。因此，目前该技术已经成为开发新型低压电器的关键技术。虚拟样机技术的设计方法与传统设计方法相比，具有一定的优势，比如开发产品的周期缩短，产品的质量提高等。
在短路电流流途径压塑壳断路器条件下，如果触发出现脱扣机构，则操作机构便发生动作。而断路器触头分开时，且在产生电弧的工况条件下，电弧便处于停滞阶段，，因此，被拉长冷却同时，在热场、电磁场和流场共同作用之下，塑壳断路器可向前运动，直到进入灭弧室，而在途径灭弧室时，电弧可产生冷却，而且可能出现高电弧电压，由于达到限流值而出现开断的现象。这就说明，通过提高断路器开断速度，能够切实降低电弧停滞时间，降低触头烧蚀的程度，从而有助于电弧在最短时间内灭弧室熄灭，有效提高断路器开断的性能。
笔者根据多体动力学原理，采用美国MSC 公司的虚拟样机技术商业软件，建立了国产额定电流为250A的某型号低压限流式塑壳断路器操作机构多体动力学模型，然后进行了动态仿真，最后验证了该模型的有效性和正确定，并提出了机构优化设计方案。
在利用ADAMS软件优化机构时，遵循的基本步骤为：创建机械系统建模：运动件、运动副、运动约束和施加荷载——测试模型：模拟模型在实际操作过程中的动作，进行仿真分析——验证设计方案：对比模拟仿真结果与样机试验数据——与实验结果是否一致——细化模型：通过增加摩擦力、改进荷载系数、定义柔性物体和连接等仿真测试数据符合物理样机试验数据——深化设计：评估机械系统针对不同合计变量的灵敏度——优化分析：找到获得最佳性能的设计组合——设计步骤自动化：迅速测试不同设计可选方案，直到找到最优设计方案，得到最佳性能的设计组合。
二、建立低压塑壳断路器操作机构动力学模型
在ADAMS/View环境中建立低压塑壳断路器操作机构模型，而这一模型主要由连杆机构构成，而操作机构是一个合闸过程，同时也是一个瞬间完成的过程，由于模型涉及的因素比较多，所以需要建立精确模型。利用ADAMS软件建立的，其模型的示意图如下图所示。
图1 低压塑壳断路器模型示意图
从上述模型示意图中可以看出，低压塑壳断路器操作機构属于一种典型的五连杆机构。也就是由下连杆、跳扣、上连杆、触头支架和锁扣，以及分段弹簧、操作手柄等几个部分组成。而其中的触头转轴O上面的扭簧约束触头臂，以及触头支架处于运动状态。但当该模型处于图示中的合闸位置时，则分段弹簧2可能有贮能，可以由于连杆g以及连杆处于挺直状态，也就是死区位置，而C点固定不动，因此上述两个连杆，以及触头支架f和机构组成四连杆机构，因此便处于静止和稳定装填，这时触头是完全闭合的。在手动分闸时，分段弹簧可在手柄的转动下伸长贮能，而在上连杆与弹簧力作用线重合时，则始终处于最大位能状态，但是如果超过上连杆，则B点在向左运动的过程中就会脱离死区，触头支架便会被上连杆上提，绕着触头主轴O1转动，因此可带动触头向上运动而出现分段。
在短路电流来到之前，脱扣器未动作之前，如果电动斥力可克服弹簧返反力和触头重力，这时触头可被斥开一定的角度，在短路电流引起锁扣m转动时，在分段弹簧的作用线，跳扣k便会绕着O2顺时针转动，而C点便成为了活动点，同时连杆g、h可以脱离死区，因此也就变成了五连杆机构。
三、断路器开断速度的影响因素
（一）电动斥力因素
电动斥力因与预压力对触头的斥开时间与打开速度有决定性的作用，而电弧电压的出现时间与峰值与斥开时间也有一定的关联，因此，MCCB限流性能可对断路器的开断速度产生较大的影响。
（二）分段弹簧刚度因素
20N/mm 、30N/mm等不同刚度系数，动触头达到设定角度耗费的时间为10.77ms、9.53ms。因此可以看出，提高弹簧刚度，是加触头打开速度的有效方法之一，但由于手动分合闸力会随弹簧刚度提升而提高。所以仿真结果表明，系数为20N/mm ，开断闭合力为 30N/mm上下，而闭合力为30N/mm时，为55N上下。因此，提高分断弹簧刚度，同时需考虑其对操作力的影响，而不能仅仅增加刚度。
此外，影响因素还包括杆件形状，杆件形状对开断速度也有着重要的影响。影响的程度可用下面的公式来表示：
在这个公式中，O为目标值，V表示设计变量数值，而i为迭代的次数。
结语：
低压塑壳断路器动力学仿真模型的建立，在模型的基础上实现系统优化，可提高产品开发的周期和效率。在本文中，笔者结合自身的工作实际，通过ADAMS软件建立了断路器操作机构动力学模型，在反映其动力学性能方面有着良好的效果。模型优化后的平均角速度提高了13.4%，而分断时间减少2s，因此，该模型具有可行性与准确性。
参考文献：
[1]郑建荣.虚拟样机成为开发新型低压电器的关键技术[J].低压电器，2012（06）
[2]杨武，王小华.考虑电动力效应的高压断路器动力学特性仿真分析[J].中国电机工程学报，2013（05）
[3]刘洪武，陈德贵，张静姝.低压断路器操作机构的动态仿真与优化设计[J].中国电机工程学报，2013（09）
[4]王晓龙，张震.低压断路器操作机构的动态仿真与优化设计分析[J].工程科技，2011（23）