塑壳式低压断路器操作机构的仿真研究毕业设计正文

塑壳式低压断路器操作机构的仿真研究毕业设计正文内容摘要：

系列充计思想引领着欧美新一代产品发展。 西门子公司推出了 3VF新一代塑壳断路器，主要特征是全系列带电子式可通信控制器。 美国凯马公司在 C系列基础上，已开完成 E系列新一代塑壳断路器，但尚未推向市场。 日本寺崎公司也推出了产品，但尚未销售，日本三菱公司在 PSS系列产品上，又推出了 WS系列，产品结构完会采用模块化设计，触头系统仍采用单断点。 该产品最大的特点是电子脱扣器与剩余电流脱扣器可同时安装在一个产品上。 韩国 LG公司推出 MEC系列产品，部分采用双断点结构。 近年来电动机保护塑壳式断路器也有很大发展，以西门子公司为代表推出 3RV系列最具代表性。 新一代产品分断能力、机械寿命显著提高，可作为手动启动器使用，与新一代交流接触器可组合控制与保护开关电器。 塑壳式低压断路器的发展现状 塑壳外壳式断路器曾称为空气式断路器，这种断路器的所有零部件都安装在一个塑料外壳中，没有裸露的带电部分，使用比较安全，主要由绝缘外壳、触头系统、操作机塑壳式低压断路器操作机构的仿真研究 3 构和脱扣器等四部分组成。 塑料外壳式断路器多为非选择型，而且容量较小，一般在 600A以下，新型的塑料外壳式断路器也可制成选择型，而 且容量不断增大，有的容量已达3000A以上。 小容量的断路器（ 50A以下）一般采用非储能闭合、手动操作；万能式断路器的操作机构多采用储能式闭合，可以手动操作，也可由电动机操作，而且还可进行远距离遥控。 塑料外壳式断路器可以装设多种附件以适应各种不同控制和保护的要求，具有较高的短路分断能力、动稳定性和比较完备的选择性保护功能。 国外产品开发和改进的动向主要是与国际标准化、环境化相接轨，以产品外形的小型化为基础，不断提高产品的额定电流和分断能力，并向多用途和多功能化方向发展。 对安全性、可靠性、经济性及维护等方面提出 了更高的要求。 电子式可通信断路器的开发主要是扩大电子脱扣器的功能，向网络型断路器发展，但由于国际上还没有一个完善的统一标准，加之各大公司各行其是 ， 至今还没有一个可普遍适用于各种现场总线运行的可通信断路器，这限制了总线型断路器的蓬勃发展，是一种遗憾。 跟国外产品相比 ,国内大多数产品不是孪生的，并缺少热磁式整定电流可调的系列品种。 大多数情况下 ，而 的高低是产品技术水平的标志之一。 模块化和安全性考虑不多。 操作循环次数基本上与 IEC 相同或略高一点。 我国的企业通过十几年的仿制设计和生产，积累了一定的实力和经验，计算 机辅助设计的应用提升了开发手段，高精度的数控机床设备使模具加工有了长足的提高，目前所缺的是设计理念和工艺水平，然而这是至关重要的。 要设计出具有自主知识产权且国际领先水平的塑料外壳式断路器，必须大力加强人力资源的培训 ,加强基础技术、新材料和新工艺的研究，不断分析国外产品的优劣及标准的不足之处进行自主开发。 虚拟样机技术的发展现状 机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真，是国际上 80 年代随着计算机技术发展起来的计算机辅助工程 (CAE)技术。 工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分 析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实物样机实验 .运用虚拟样机技术可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周 期，大量减少产品开发费用和成本，明显改善产品质量，提高产品的系统级性能，获得最优化和创新的产品。 虚拟样机研究的是机械系统。 它的研究范围主要是机械系统运动 学和动力学，其核心是利用计算机辅助分析技术进行分析，以确定系统及其各构件在任意时刻的位置、速度和加速度，通过求解代数方程组确定引起系统及各构件运动所需的作用力和反作用力，同时还融合了其它相关技术，如三维 CAD 建模技术、有限 元分析技术、机电液控制技术、最优化等。 可以预见，传统的实物实验研究方法，将在很大程塑壳式低压断路器操作机构的仿真研究 4 度上会被虚拟样机技术取代。 目前虚拟验机技术己广泛应用到汽车、航天、铁路等多个方面，产生了很大的经济效益。 日本 Mitsubishi ，从电器开关至汽车和卫星。 Mitsubishi ElectricCompany 工程师利用 ADAMS 建立了参数化断路器模型，修改其设计方案，使开发阶段的物理样机减少至一个，大大地降低了开发成本，节约了数十亿日元。 目前，国际上已出现了基于虚拟样机技术的商业软件，Adams 是其中非常著名的虚拟样机分析软件。 虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学分析，其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件在任意时刻的位置、速度和加速度，通过求解代数方程组确定引起系统及其个构件运动所需的作用力及其反作用力。 PRO/E 软件的简介 来自 PTC 公司的 Pro/E 是一款设计自动化中最成功的一个软件。 从它问世以来，很短时间就成了全世界最普及的三维设计软件，广泛的应用于机械、汽车、航天、家电、玩具、模具、工业设计等行业，通过对低压断 路器操动机构进行三维实体造型，可以让我们全面控制机构从概念到产品的整个过程。 PRO/E 能够让多个部门同时致力于单一的产品模型。 包括对大型项目的装配体管理、功能仿真、制造、数据管理等。 其中 PRO/E V2020I 更增加了行为建模技术使其成为把梦想变为现实的杰出工具。 它共有六大主模块 ，包括： 1） 工业设计 (CAID)模块； 2） 机械设计 (CAD)模块； 3） 功能仿真 (CAE)模块； 4） 制造 (CAM)模块； 5） 数据管理 (PDM)模块； 6） 数据交换 (Geometry Translator)模块。 它强大的功能 包括三维实体造型、装配模拟、加工仿真、 NC 自动编程、有限元分析等常规功能模块外，同时也有模具设计、板金设计、电路布线、装配管路设计等专有模块，可以实现 DFM（ Design For Manufacturing—面向制造的设计）、 DFA（ Design For Assembly—面向装配的设计）、 ID（ Inverse Design—反求工程）、 CE（ Concurrent Engineer—并行工程）等先进的设计方法和模式。 塑壳式低压断路器操作机构的仿真研究 5 ADAMS 软件简介 机械系统动力学自动分析软件 ADAMS（ Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems） ,是美国 MDI（ Mechanical Dynamics Inc.）开发的非常著名的虚拟样机分析软件。 Adams 软件包括 3 个核心模块， View(用户界面模块 )、 Slover(方程求解器 )、PostProcessor(仿真结果后处理 )。 View 可以满足一般机械系统的运动学和动力学的仿真，对于一些特殊领域， Adams 提供了如 Car(轿车模块 )、 Aircraft Landing Gear(飞机起落架模块 )、 Rail(铁道模块 )等专业软件包。 在 Adams 的 3 个基本程序中， Adams/View 提供了一个直接面向用户的基本操作对话环境和虚拟样机分析的前处理功能，其中包括样机的建模和样机模型数据的输入与编辑、与求解器 (Adams/Slover) 和后处理(Adams/PostProcessor)等程序的自动连接、虚拟样机分析参数设置、各种数据的输入和输出、同其它应用程序的接口等。 ADAMS/Solver 模块在 Adams 中处于心脏的地位，它自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。 Adams/PostProcessor 模块用 来输出高性能的动画，各种仿真结果数据曲线，还可以进行曲线编辑和数字信号处理等，使用户可以方便、快捷地观察和研究 ADAMS 的仿真结果。 课题研究的主要内容与要求 本课题要求针对采用串联方式，双断口的塑料外壳式单极低压断路器的操动机构的动态特性进行研究。 该断路器主要由导电系统，灭弧室，脱扣器和手柄直接传动操动机构等组成。 主要技术参数为交流 50HZ，额定工作电压 230V，额定电流 160A，主要用与配电网络电能分配时线路与电源设备的过载，短路保护，在正常条件下，可做为线路的不频繁转换之用。 主要设计内容包括 操作机构的设计、结合 Pro/e 和 Adams 软件，利用虚拟样机技术，完成操作机构的优化等。 塑壳式低压断路器操作机构的仿真研究 6 第 2 章 断路器操作机构的设计 操作机构简介 操动机构这里指分合闸操作机构，它们的作用是实现操作手柄或电动合闸装置和各种脱扣器对锄头的分闸与合闸控制。 断路器有两种操作方式：手动操作和电动操作。 又可以分为手柄传动、电磁铁传动、电动传动、液压传动和气动传动五种。 按闭合方式又可分为储能闭合和非储能闭合两种。 储能闭合是预先将一弹簧压缩，然后利用弹簧释放的能量使触点闭合，其优点是能保证有恒定 的闭合速度，而与操作速度无关。 操动机构通常为四连杆式弹簧储能机构。 电动操作具有快速合闸与快速分闸功能，而与操作速度无关。 手动操作有正面直接手柄操作（上下扳动或旋转扳动）和正面杠杆传动操作等方式；电动操作有电磁铁操作和电动机操作等方式。 有的产品兼具手动和电动操作方式。 为保证操作机构具有优良的操作性能，在设计中应尽量做到以下几点： 1）操作机构应有足够的合闸功能。 2）应具有保持合闸功能。 3）具有较短的分闸时间。 4）要有防跳跃装置。 5）要有联动装置。 塑壳断路器操作机构的分析及设计 塑壳断路器的机构运动分析 塑壳式断路器的操作机构实际上是一种四连杆机构，其基本原理如图 所示： 图中， A、 D 为支座， AB 为主动杆， BC 为连杆， CD 为被动杆，当机构工作时，主动杆首先运动，然后通过连杆带动被动杆运动。 被动杆与主动杆的角速度之比称为机构的联动比 ： 12C () 式中 2 — 被动杆的角速度； 1 —主动杆的角速度。 又 因 塑壳式低压断路器操作机构的仿真研究 7 图 四连杆机构图 211212 MMC    () 式中 2 、 1M —分别为主动杆的角位移和转矩。 1 、 2M —分别为被动杆的角位移和转矩。 所以 C 又是机构的转矩比 ， 它不是一个常数，而是和机构的位置有关。 )( 112  cfC   () 由此式所得曲线称为联动比曲线，可看出：从运动特性曲线 )( 12  cf 可求出联动比曲线。 在 )( 12  cf 上选定点的斜率，即从该点作切线与横坐标相交之夹角的正切，即 [1] Ctg   12 () 如此逐点作图就可得出 )( 1cfC 曲线。 当主动杆与连杆成一直线时，则 02121  MMC ， 01M 或 02  () 此时称为四连杆机构的死点。 载接近死点时，主动轴很大的位移只能导致被动轴极小的位移。 利用这 一特性 可使塑壳式低压断路器操作机构的仿真研究 8 触头在接近闭合位置时位移很小，以减少制造误差对超程的影响。 以上是不考虑摩擦的情况，如果考虑摩擦的话，则上述力学上的死点变成死带或称为死区。 如下 图表示四连杆机构的死带图例。 1O 为主动轴， 2O 为被动轴。 图 四连杆机构的死带图 当作用力作用线切于被动轴的摩擦圆时，机构不能运动，这时死点变为死带。 按作用线与摩擦圆相切的原则，可以求出死带两边的界限点 a 和 b。 设 1l 为连杆长度， r 为连杆两轴销之半轴， 2l 为被动杆长度， f 为摩擦系数， R 为被动轴半径，由图 23 可求出 的临界值。 当机构接近于 b 点的位置时，其临界条件为： )(2 rRfh  （ ） 当机构接近于 a 点的位置时，其临界条件为： )(39。 2 212 l llrRfh  （ ） 则 )( 2)( 212 21s i n lll rlrRlf  （ ） 在设计时，为保证机构可靠动作，应采取比计算值大 ~2 倍的数值。 四连杆机构的效率 ： 21 21 )]([))((1 drRfd ddrRf   （ ） 塑壳式低压断路器操作机构的仿真研究 9 式中 1d 、 2d 分别为转轴 1O 、 2O 对连杆轴线所作的垂直线长度。 由式（ ）可知，当 1d =0（主动杆变成力学上的死点）或 )(2 rRfd  （被动杆进入死带）时效率为零。 当两只轴销均离其死点位置很远时，则 ： 1)( drRf  ))((1 21 11 ddrRf  （ ） 可见轴与轴销的直径越小，四连杆机构的效率越高。 转轴越光滑（摩擦系数越小），效率越高， d1 和 d2 越大，效率也越高。 d1 和 d2 的极限是主动杆和被动杆的长度，所以两根杠杆均能垂直于连杆时，机构的效率为最高。 当要求实现某些特殊要求时，可用多连杆机构，但多数多连杆机构均可由四连杆机构演化而成，例如用五连杆机构实现传动与自由脱扣。 当被动杆长度为零，代之以移动滑块 ,即有三个转动副和一个移动副，成为滑块机构，可把转动变为直线运动。 如图已四杆 AB,BC,CD,DA的长度分别为 a,b,c,d。 由于四杆机构两连 架杆的运动特性取决于机构各构件的长度，因此，这时各个构件的长度为机构参数。 又因为当机构各构件长度按照同一比例变化时，各构件间的转角关系不变，故只需取各构件的相对长度作为机构参数即可。 设机架 (长度为 d)为基准，则三个机构参数为 : dax1 dbx2 dcx3 按封闭矢量法列出四杆机构的方程 : DCADBCAB  () 按欧拉公式展开上式可得 : acos(Oi+O0)+bcosσ =d+ccos(ψ i+ψ 0)s asin(Oi+O0)+bsinσ =csin(ψ i+ψ 0) i=1,2,3 在上式中，取各构件的相对长度，并移顶得 : X2cosσ =1+x3cos(ψ i+ψ 0)x1cos(Oi+O0) X2sinσ =x3sin(ψ i+ψ 0)x1sin(Oi+O0) i=1,2,3 将上式两边平方之和，并整理得 : p1p2cos(Oi+O0)+p3cos(ψ i+ψ 0)cos[(Oi+O0) (ψ i+ψ 0)]=0 () 其中 P1=( 21x + 23x 22x +1)/2 1x 3x 塑壳式低压断路器操作机构的仿真研究 10 其中 p2=1/ 3x。