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摘 要： 在三工位开关断路器的弹簧操作机构中，储能弹簧是其中重要的部件之一，能够直接影响到断路器产品的性能。利用ADAMS对三工位开关进行了动力学性能仿真，分析了储能弹簧的结构及工作特点及其对三工位开关的机械特性的影响。在此基础上，对弹簧进行可靠性分析与优化分析设计。为三工位开关断路器的设计与优化提供可靠的依据。
关键词： 三工位断路器；储能弹簧；可靠性；优化分析 ADAMS
【中图分类号】 TH113 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2017）17-0240-03
0 引言
随着我国电网的不断发展，断路器得到了更广泛的应用，成为生产与分配系统中重要的保护原件之一，担负着电路的控制和保护的双重任务。三工位开关市一种同时具有接地和隔离作用的紧凑装置，使得输配电系统具有更好的可靠性和安全性。在与电磁操作机构和液压操作机构的比较下，弹簧操作机构具有反应速度快，可靠性高，体积小等特点，因此在断路器中广泛运用弹簧操作机构。在三工位开关断路器弹簧操作机构中，采用螺旋弹簧作为储能弹簧。储能弹簧是断路器重要的部件，它的强度和寿命对断路器在运行的稳定性和安全性有着极其重要的影响，从未也影响到整个输配电系统乃至电网的稳定性和安全性[1]。在断路器的弹簧操作机构的设计中，储能弹簧的弹性系数和预载荷等特性将会影响到整个断路器运行的机械特性。对于储能弹簧的选用和设计。一般是采用经验手段，经过多次的实物样机实验后才能最终确定，这就导致了设计效率过低，开发时间过长的现象。而往往设计所用的储能弹簧并不是最优的，因此还需要对储能弹簧进行分析与优化设计，确保断路器能够获得更好的机械性能，从而保证运行中的安全性与稳定性[2]。
本文利用ADAMS强大的动力学解算能力，建立该操动机构的虚拟样机，对操作机构进行运动仿真和动力学分析。分析考虑储能弹簧的改变对断路器产生的影响，获得断路器优化设计中储能弹簧设计的重要依据。并且采用数学建模的方式，对储能弹簧进行可靠性分析和优化分析设计。为断路器的设计与优化提供理论依据，从而提高断路器在设计过程中的效率和质量。
1 三工位开关的建模
ADAMS是集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件，是目前使用范围较广的机械系统仿真分析软件，可以产生复杂机械系统的虚拟样机，并仿真其运动过程，迅速地分析和比较多種参数方案，直至获得优化的工作性能[3]。从而减少昂贵的物理样机制造及试验次数，提高了产品设计质量， 大幅度地缩短产品研制周期和费用。虽然ADAMS具有强大的动力学计算能力，但是三维建模能力较差，因此一般运用SolidWorks先进行三维建模，然后再导入到ADAMS中进行约束的添加。其求解器是采用多刚体系统运动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，然后输出位移、速度、加速度等曲线。所建立的ADAMS三工位开关模型如图1所示。
从SolidWorks中导入ADAMS，中间文件的格式为Para solid，以*.x_t文件名导入。在模型正确导入后，就是要进行约束的添加。在约束添加的过程中，应该逐步的对构件进行各种约束的施加，并适时地进行约束的测试，以保证添加的正确性，及时排除错误。约束过程中，约束对象选择的顺序和约束的方向也是有影响的。操作机构的约束关系主要有弹簧约束、转动约束、固定约束、碰撞约束和接触约束等。
2 储能弹簧的仿真分析
在弹簧操作机构中多采用螺旋压缩弹簧作为储能弹簧。在三工位开关中，机构需要满足具有“合闸”、“隔离”、“接地”三种位置的功能。因此在整个操作机构中需要设置两个储能弹簧。下拉弹簧是接地操作过程的储能弹簧，上拉弹簧是合闸与分闸过程中的储能弹簧，均承受变负荷，设计作用次数>5000。由于设计负荷比较大，同时受安装尺寸的限制，采用组合弹簧。为了保证组合弹簧的同心关系，防止弹簧产生歪斜，两个弹簧旋向应相反，一个为左旋、一个为右旋；组合弹簧的间隙应满足中径差≥弹簧丝直径差；弹簧端部的支撑设计必须考虑防止内、外弹簧工作过程中的偏移。根据操作机构的性能要求进行弹簧的设计，采用碳素弹簧钢丝B组，弹簧的最大工作载荷为Pn=1400N，最小工作载荷为P1=300N，弹簧工作行程为h=40mm。通过计算可以得到内外弹簧的弹簧刚度、最大工作载荷、工作极限变形、工作高度等重要参数，从而对弹簧进行选择使用。而在满足条件的情况下，以三工位开关的接地过程为研究对象，将内外弹簧简化为一个弹簧约束，分析在操作机构中弹簧的预载荷和弹簧刚度的变化对操作机构的性能的影响。根据计算可以得到理论的弹簧刚度为26000N/m。此时，弹簧操作机构的输出，即驱动板的输出如图2所示。
由图2中可以得到弹簧的最大压力为1030N，驱动板角速度最大为9100deg/s，而接地过程中触头闭合时，驱动板需要转过的角度为45°，计算可得触头闭合时间为0.005s。通过改变弹簧的弹簧刚度，可以发现驱动板的角速度也会得到一定的提高，如图3所示。
可以得到接地时驱动板的角速度，触头闭合时间如表1所示。
从计算的结果来看，在弹簧刚度增大的情况下，可以提高三工位开关驱动触头闭合的速度。但是，当弹簧刚度增大的情况下，三工位开关在弹簧储能时需要输入的力矩也就增大，并且在触头闭合的瞬间，驱动板，弹簧支架对定位柱等会造成强烈的冲击，引起操作机构系统的振动，减少机构的使用寿命。如图4所示，是接地瞬间，下压弹簧的左支撑架对弹簧操作机构的左定位柱造成的冲击力。
在同一弹簧刚度条件下，操作机构弹簧施加的预载荷的大小会对弹簧的储存和释放的能量起到影响，从而影响到弹簧释放能量时对操作机构造成的冲击和振动。如图5所示，在不同预载荷下，弹簧释放能量后的驱动板的能量的改变。 在预载荷适当增加的情况下，储能弹簧的释放的能量将实现驱动板以最优的速度驱动触头闭合，并对操作机构造成最小的冲击。
3 储能弹簧的优化设计
在上述内容中讨论到，操作机构的储能弹簧弹簧刚度和操作机构中储能弹簧的预载荷都会对储能弹簧储存和释放的能量造成影响。因此，可以对弹簧刚度和预载荷进行变量设计，来优化操作机构的整体性能。利用ADAMS中优化分析的功能进行优化设计。
设储能弹簧的原长度为X，储能位置长度X1，释放能量位置长度X2，压力为N，则有：
弹簧释放能量为：
由公式（1）、（2）可得：
根据公式（3），在ADAMS中设置优化目标函数为：
1/2*.MODEL_kaiguan.SPRING_2.stiffness_coefficient*.MODEL_kaiguan.SPRING_2.deformation*（2*.MODEL_kaiguan.SPRING_2.preload/.MODEL_kaiguan.SPRING_2.stiffness_coefficient-.MODEL_kaiguan.SPRING_2.deformation）
其中：
.MODEL_kaiguan.SPRING_2.stiffness_coefficient为参数变量弹簧刚度系数，取范围为（23000，30000），单位为Newton/meter。
.MODEL_kaiguan.SPRING_2.preload为参数变量弹簧预载荷，取范围为（15，30），单位为Newton。
.MODEL_kaiguan.SPRING_2.deformation为接地过程储能弹簧形变量。
进行仿真优化中，储能弹簧刚度变量、储能弹簧预载力变量在每次迭代中的取值如图6、图7所示。
目标函数与迭代次数关系曲线，目标函数与时间t关系曲线如图8、图9所示。
计算结果可以得到，在弹簧刚度为27536 Newton/meter，预载荷为15Newton下，弹簧储存释放的能量达到最小，也就是对操作机构造成最小的冲击力。
4 结论
本文利用ADAMS的仿真分析求解功能，对应用于高压电路中的三工位开关断路器得的弹簧操作机构进行虚拟样机动力学仿真，以三工位开关的接地过程为例，分析了机构中储能弹簧对整个操作机构的重要性，并利用ADAMS中的优化分析功能，对储能弹簧进行了优化设计，以达到储能弹簧在实现接地过程后有最小的残余能量对操作机构造成冲击。为弹簧操作机构的优化设计提供思路和依据。
参考文献
[1] 张晓锋， 郭旭红. 基于虚拟样机技术的断路器机构弹簧优化[J]. 机械工程师， 2008： 88-90.
[2] 白艳平. 储能弹簧的最优化设计[J]. 太原机械学院学报， 1991： 81-86.
[3] 王成， 王效岳. 虚拟样机技术及ADAMS[J]. 机械工程与自动化， 2004： 66-68.
[4] 师慧倩， 周书堂. 弹簧操动机构的仿真分析[J]. 船电技术， 2014， 34： 43-45.
[5] 管瑞良， 周敏琛. 斷路器操作机构储能弹簧的可靠性设计[C]， 中国电工技术学会低压电器专业委员会第十一届学术年会论文集2002.
[6] 陈佳成. 断路器储能机构分析[J]. 建筑电气， 2013： 64-66.
[7] 陈佳成. 断路器弹簧操动机构的设计[J]. 电气制造， 2012： 59-60.
[8] 周勇， 周北岳， 李小松. 基于ANSYS的断路器保持弹簧冲击响应分析[J]. 高压电器， 2009， 45： 15-17.
[9] Ji W U， Shijie A I. Simulation and Optimization Analysis of Circuit Breaker Operating Mechanism[J]. Machine Tool & Hydraulics， 2013.
关键词： 三工位断路器；储能弹簧；可靠性；优化分析 ADAMS
【中图分类号】 TH113 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2017）17-0240-03
0 引言
随着我国电网的不断发展，断路器得到了更广泛的应用，成为生产与分配系统中重要的保护原件之一，担负着电路的控制和保护的双重任务。三工位开关市一种同时具有接地和隔离作用的紧凑装置，使得输配电系统具有更好的可靠性和安全性。在与电磁操作机构和液压操作机构的比较下，弹簧操作机构具有反应速度快，可靠性高，体积小等特点，因此在断路器中广泛运用弹簧操作机构。在三工位开关断路器弹簧操作机构中，采用螺旋弹簧作为储能弹簧。储能弹簧是断路器重要的部件，它的强度和寿命对断路器在运行的稳定性和安全性有着极其重要的影响，从未也影响到整个输配电系统乃至电网的稳定性和安全性[1]。在断路器的弹簧操作机构的设计中，储能弹簧的弹性系数和预载荷等特性将会影响到整个断路器运行的机械特性。对于储能弹簧的选用和设计。一般是采用经验手段，经过多次的实物样机实验后才能最终确定，这就导致了设计效率过低，开发时间过长的现象。而往往设计所用的储能弹簧并不是最优的，因此还需要对储能弹簧进行分析与优化设计，确保断路器能够获得更好的机械性能，从而保证运行中的安全性与稳定性[2]。
本文利用ADAMS强大的动力学解算能力，建立该操动机构的虚拟样机，对操作机构进行运动仿真和动力学分析。分析考虑储能弹簧的改变对断路器产生的影响，获得断路器优化设计中储能弹簧设计的重要依据。并且采用数学建模的方式，对储能弹簧进行可靠性分析和优化分析设计。为断路器的设计与优化提供理论依据，从而提高断路器在设计过程中的效率和质量。
1 三工位开关的建模
ADAMS是集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件，是目前使用范围较广的机械系统仿真分析软件，可以产生复杂机械系统的虚拟样机，并仿真其运动过程，迅速地分析和比较多種参数方案，直至获得优化的工作性能[3]。从而减少昂贵的物理样机制造及试验次数，提高了产品设计质量， 大幅度地缩短产品研制周期和费用。虽然ADAMS具有强大的动力学计算能力，但是三维建模能力较差，因此一般运用SolidWorks先进行三维建模，然后再导入到ADAMS中进行约束的添加。其求解器是采用多刚体系统运动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，然后输出位移、速度、加速度等曲线。所建立的ADAMS三工位开关模型如图1所示。
从SolidWorks中导入ADAMS，中间文件的格式为Para solid，以*.x_t文件名导入。在模型正确导入后，就是要进行约束的添加。在约束添加的过程中，应该逐步的对构件进行各种约束的施加，并适时地进行约束的测试，以保证添加的正确性，及时排除错误。约束过程中，约束对象选择的顺序和约束的方向也是有影响的。操作机构的约束关系主要有弹簧约束、转动约束、固定约束、碰撞约束和接触约束等。
2 储能弹簧的仿真分析
在弹簧操作机构中多采用螺旋压缩弹簧作为储能弹簧。在三工位开关中，机构需要满足具有“合闸”、“隔离”、“接地”三种位置的功能。因此在整个操作机构中需要设置两个储能弹簧。下拉弹簧是接地操作过程的储能弹簧，上拉弹簧是合闸与分闸过程中的储能弹簧，均承受变负荷，设计作用次数>5000。由于设计负荷比较大，同时受安装尺寸的限制，采用组合弹簧。为了保证组合弹簧的同心关系，防止弹簧产生歪斜，两个弹簧旋向应相反，一个为左旋、一个为右旋；组合弹簧的间隙应满足中径差≥弹簧丝直径差；弹簧端部的支撑设计必须考虑防止内、外弹簧工作过程中的偏移。根据操作机构的性能要求进行弹簧的设计，采用碳素弹簧钢丝B组，弹簧的最大工作载荷为Pn=1400N，最小工作载荷为P1=300N，弹簧工作行程为h=40mm。通过计算可以得到内外弹簧的弹簧刚度、最大工作载荷、工作极限变形、工作高度等重要参数，从而对弹簧进行选择使用。而在满足条件的情况下，以三工位开关的接地过程为研究对象，将内外弹簧简化为一个弹簧约束，分析在操作机构中弹簧的预载荷和弹簧刚度的变化对操作机构的性能的影响。根据计算可以得到理论的弹簧刚度为26000N/m。此时，弹簧操作机构的输出，即驱动板的输出如图2所示。
由图2中可以得到弹簧的最大压力为1030N，驱动板角速度最大为9100deg/s，而接地过程中触头闭合时，驱动板需要转过的角度为45°，计算可得触头闭合时间为0.005s。通过改变弹簧的弹簧刚度，可以发现驱动板的角速度也会得到一定的提高，如图3所示。
可以得到接地时驱动板的角速度，触头闭合时间如表1所示。
从计算的结果来看，在弹簧刚度增大的情况下，可以提高三工位开关驱动触头闭合的速度。但是，当弹簧刚度增大的情况下，三工位开关在弹簧储能时需要输入的力矩也就增大，并且在触头闭合的瞬间，驱动板，弹簧支架对定位柱等会造成强烈的冲击，引起操作机构系统的振动，减少机构的使用寿命。如图4所示，是接地瞬间，下压弹簧的左支撑架对弹簧操作机构的左定位柱造成的冲击力。
在同一弹簧刚度条件下，操作机构弹簧施加的预载荷的大小会对弹簧的储存和释放的能量起到影响，从而影响到弹簧释放能量时对操作机构造成的冲击和振动。如图5所示，在不同预载荷下，弹簧释放能量后的驱动板的能量的改变。 在预载荷适当增加的情况下，储能弹簧的释放的能量将实现驱动板以最优的速度驱动触头闭合，并对操作机构造成最小的冲击。
3 储能弹簧的优化设计
在上述内容中讨论到，操作机构的储能弹簧弹簧刚度和操作机构中储能弹簧的预载荷都会对储能弹簧储存和释放的能量造成影响。因此，可以对弹簧刚度和预载荷进行变量设计，来优化操作机构的整体性能。利用ADAMS中优化分析的功能进行优化设计。
设储能弹簧的原长度为X，储能位置长度X1，释放能量位置长度X2，压力为N，则有：
弹簧释放能量为：
由公式（1）、（2）可得：
根据公式（3），在ADAMS中设置优化目标函数为：
1/2*.MODEL_kaiguan.SPRING_2.stiffness_coefficient*.MODEL_kaiguan.SPRING_2.deformation*（2*.MODEL_kaiguan.SPRING_2.preload/.MODEL_kaiguan.SPRING_2.stiffness_coefficient-.MODEL_kaiguan.SPRING_2.deformation）
其中：
.MODEL_kaiguan.SPRING_2.stiffness_coefficient为参数变量弹簧刚度系数，取范围为（23000，30000），单位为Newton/meter。
.MODEL_kaiguan.SPRING_2.preload为参数变量弹簧预载荷，取范围为（15，30），单位为Newton。
.MODEL_kaiguan.SPRING_2.deformation为接地过程储能弹簧形变量。
进行仿真优化中，储能弹簧刚度变量、储能弹簧预载力变量在每次迭代中的取值如图6、图7所示。
目标函数与迭代次数关系曲线，目标函数与时间t关系曲线如图8、图9所示。
计算结果可以得到，在弹簧刚度为27536 Newton/meter，预载荷为15Newton下，弹簧储存释放的能量达到最小，也就是对操作机构造成最小的冲击力。
4 结论
本文利用ADAMS的仿真分析求解功能，对应用于高压电路中的三工位开关断路器得的弹簧操作机构进行虚拟样机动力学仿真，以三工位开关的接地过程为例，分析了机构中储能弹簧对整个操作机构的重要性，并利用ADAMS中的优化分析功能，对储能弹簧进行了优化设计，以达到储能弹簧在实现接地过程后有最小的残余能量对操作机构造成冲击。为弹簧操作机构的优化设计提供思路和依据。
参考文献
[1] 张晓锋， 郭旭红. 基于虚拟样机技术的断路器机构弹簧优化[J]. 机械工程师， 2008： 88-90.
[2] 白艳平. 储能弹簧的最优化设计[J]. 太原机械学院学报， 1991： 81-86.
[3] 王成， 王效岳. 虚拟样机技术及ADAMS[J]. 机械工程与自动化， 2004： 66-68.
[4] 师慧倩， 周书堂. 弹簧操动机构的仿真分析[J]. 船电技术， 2014， 34： 43-45.
[5] 管瑞良， 周敏琛. 斷路器操作机构储能弹簧的可靠性设计[C]， 中国电工技术学会低压电器专业委员会第十一届学术年会论文集2002.
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[8] 周勇， 周北岳， 李小松. 基于ANSYS的断路器保持弹簧冲击响应分析[J]. 高压电器， 2009， 45： 15-17.
[9] Ji W U， Shijie A I. Simulation and Optimization Analysis of Circuit Breaker Operating Mechanism[J]. Machine Tool & Hydraulics， 2013.