(泰安泰山高压开关有限公司 山东泰安 271000)
摘要：本文对高压开关操动机构的技术原理进行分析，并通过动态仿真实验，针对主弹簧刚度、触头弹簧刚度、弹簧预紧力三相参数对触头弹簧的影响进行分析，最后提出科学有效的优化措施。仿真结果显示，当触头弹簧的刚度为923.58N/mm，预紧力数值为96.64N时，电磁操动机构达到理想的运行状态。
关键词：高压开关机构；动态仿真；优化设计
引言：为了强化高压开关的性能，延长其使用寿命，应对高压开关的各项参数进行科学选择。在动态设计的基础上，将CAD/CAE技术融入其中，针对高压开关电磁操动机构进行仿真分析，并采取恰当方式进行机构优化，以此提高机构的动态性能，促进操动机构的健康可持续发展。
1新型高压开关操动机构原理
以某高压电磁操动机构为例，主要操作12KV户外真空开关，包括机构机架、凸轮连杆机构、合闸电磁铁以及指示装置等内容。该机构采用直流操作方式，传动部分为凸轮机构，主要优势在于简单可靠，其运动部件较少，可降低故障发生概率，更加稳定可靠。该机构的技术原理如下：在合闸运行中，前凸轮与垂直位置较为接近，待发出合闸信号后，合闸电磁铁的线圈受电，铁芯朝着右侧运动，推动凸轮以固定轴为中心开始逆时针转动。同时，分闸弹簧的储能被压缩。凸轮带动摆臂围绕着固定轴转动。当铁心到达终点后，合闸信号消失，线圈断电，铁芯回退，凸轮与脱扣杆相互支撑，使开关始终保持在合闸处。在分闸运行中，脱扣杆以电磁铁为中心开始顺时针转动，凸轮在脱扣后，在弹簧驱动下围绕原点开始顺时针转动，此时真空灭弧室内动触头处于静止状态，在拐臂运行时带动其一起运动，当凸轮位于分闸限位后，动/静触头分开，分闸操作完毕[1]。
2高压开关操动机构动态仿真分析
2.1仿真模型导入
Pro/E接口是三维实体建模软件与机械动力仿真软件相连接的接口模块，二者之间可实现无缝衔接，无需退出应用环境便可将装配的总成定义为机械系统模型。本文采用该接口导入模型，确保模型单位与ADAMS单位相同，均为MMKS单位制，且长度为mm，质量单位为kg、温度为c。因此，在模型导入前应首先确定Pro/E构建的全部零件图，以此保障模型导入成功。在应用过程中，可在该Pro模块下新增约束副，对电磁箱添加固定副，使其安装在机构机架上；主轴摆臂处增加圆柱副，使其围绕轴线运动；在四个螺栓处添加固定副，将其固定在电磁箱中，沿着输出轴线做于东；摆臂凸轮增加圆柱副，以主轴为中心进行摆臂运动等等，导入后的模型如下图1所示。
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图 1 电磁操动机构模型
2.2电磁操动机构仿真
该模型仿真的自由度为0，因此操动机构属于有确定运动系统的运动。在仿真时间方面，对开始仿真到最终结束的仿真时间进行确定，为0.015s；在仿真过程中，由ADAMS/VIEW输出仿真结果频率为100步，也就是每间隔0.15ms便输出一次仿真结果。对于原机械来说，其主要参数为：触头弹簧刚度为900N/mm，分闸弹簧刚度为40N/mm，预紧力数值为100N。仿真结果如下：当动触头在运动11.6ms之后，与静触头之间相接触。针对位移与时间两项指标绘制动态仿真曲线，通过仿真曲线可知，在合闸过程中动触头具有反弹过程，速度变化增加，但其反弹量仅为0.725mm，相对较小。针对速度与时间两项指标绘制仿真曲线，通过曲线可知，在二者相互接触之前，动触头的运行速度均值为0.860m/s，最高速度为1.644m/s，受惯性作用与触头弹簧速度影响，虽然有所变化，但仍然较为平缓。针对静触头受力与动态仿真曲线可知，在合闸结束后，动/静触头之间存在3000N左右的力，可使合闸之后两个触头紧密接触不再分开，在合闸过程中，触头受到的最大力数值为14825N。由此可见，该操动机构的主弹簧与触头弹簧之间的刚度设计能够符合规定要求[2]。
2.3参数对动触头弹跳影响仿真
通过实际应用可知，在合闸时存在一定的弹跳现象，此类问题对机械寿命、断路器寿命、触头熔焊等多个方面产生影响。对此，可利用ADAMS进行动态仿真分析，探究部分参数对动触头弹跳产生的影响，具体如下。
2.3.1主弹簧刚度
分别将主弹簧刚度设置为35N/mm、40N/mm与45N/mm，针对动触头的运动速度、位移情况进行动态仿真分析。根据仿真曲线可知，当主弹簧刚度分别为上述三者时，动触头的位移曲线几乎相同，甚至几乎重合为一条曲线。同时，速度曲线的变化也相对较小。由此可见，主弹簧刚度的变化对触头运动的影响不明显。同时，分别将主弹簧刚度设置为10N/mm、40N/mm与200N/mm，针对动触头的运动速度、位移情况进行动态仿真分析。根据仿真曲线可知，当弹簧刚度为10N/mm时，对动触头运动状态的影响较小；当弹簧刚度为200N/mm时，对动触头运动状态的影响相对较大。由此可见，随着刚度不断增加，位移与速度曲线逐渐平缓，究其原因，主要是主弹簧受反作用的影响，对合闸运动造成阻碍，但整体上对触头弹跳的影响较小，该项指标不属于主要影响因素，因此在本文中不对其进行分析。
2.3.2触头弹簧刚度
分别将触头弹簧设置为800N/mm、900N/mm与1000N/mm，针对动触头的运动速度、位移情况进行动态仿真分析。通过测量计算可知，当触头弹簧刚度为800N/mm时，动/静触头首次接触时受力值为17825.25N；当触头弹簧刚度为900N/mm时，受力值为22458.26N；当触头弹簧刚度为1000N/mm时，受力值为25635.84N。根据仿真曲线可知，当触头弹簧的刚度不同时，位移与速度的仿真曲线也不尽相同。当弹簧刚度增加时，动/静触头接触后反弹量越小，回弹频率越少。由此可见，动触头弹簧刚度应是越大越好。但是，在刚度增加时势必会对静触头产生一定的作用力，这就要求弹簧刚度越小越好。因此，弹簧刚度应处于合适的值，才可尽量减少触头反弹量，又可确保静触头的受力需求。
2.3.3弹簧预紧力
分别将触头弹簧设置为90N/mm、100N/mm与110N/mm，针对动触头的运动速度、位移情况进行动态仿真分析。通过测量计算可知，在三种刚度状况下动/静触头所受压力分别为2465.25N、3025.58N与4326.67N。根据仿真曲线可知，当弹簧预紧力越小时，回弹量便越小，二者接触时速度变化越小，回弹频率越少。可见，弹簧预紧力越小越好。根据仿真曲线可知，当预紧力减小时，动/静触头之间的压力也就越小，在分闸过程中速度越小，可见应使该指标处于合适的值，才可既减少合闸时动触头的弹跳，还可满足分闸要求。
3高压开关操动机构仿真优化
在实际应用中，可采用ADAMS/View技术，通过参数化建模与分析的方式，使分析效率得到显著提升。通过构建参数模型，可将参数设置为可变量，也可由程序预先设置可变数值，自动开展后续的仿真分析工作，观察多个参数下样机发生的变化。根据上文研究可知，当触头弹簧与预紧力之间发生改变时，在合闸操作中动触头速度、位移也将随之而变。对此，应对这两项指标进行参数化，采用ADAMS工具箱对二者进行综合优化，达到最小反弹量的目标，优化结果如下表1所示。
表 1 优化结果
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当触头弹簧的刚度为923.58N/mm，预紧力数值为96.64N时，动触头位移与速度仿真曲线可知，动触头回弹量较小，速度变化较慢，且静触头方面受到的冲击力较小，能够确保合闸结束后静、动触头之间的压力需求。因此，该结果为电磁操动机构中较为理想的数值。
结论：综上所述，在本文研究中通过Prp/E与ADAMS仿真软件相结合的方式，对电磁操动机构进行研究，并构建仿真模型开展动态仿真分析。根据仿真结果可知，当触头弹簧的刚度为923.58N/mm、预紧力数值为96.64N时，电磁操动机构处于理想的运行状态。
参考文献：
[1]宋庆环,高志,才卫国.高压开关电磁操动机构动态仿真研究[J].煤炭工程,2018,000(005):101-103.
[2]田阳.高压断路器永磁操动机构优化设计的研究[D].沈阳工业大学,2019.
作者简介：张蕾（1984.04.14）；性别：女，籍贯：辽宁省本溪市，学历：本科，现有职称：中级工程师；研究方向：电气工程、GIS。