蔡元钦
(上海森立电气有限公司，上海200062)
摘要：通过运用仿真计算软件ADAMS建立了机构储能状态下的动力学仿真模型，实现万能式断路 器的储能机构部件释能的全过程仿真。针对操作机构储能、释能系统进行力学分析，通过仿真以及采用二 维表格的形式，对万能式断路器释能状态合闸冲量的优化设计改进提供了方案的仿真研究结果。 关键词：万能式断路器；操作机构；合闸冲量
Analysis and Design Improvement of Air Circuit Breaker Closing Impulse
CAI Yuanqin
(Shanghai Senli Electric Co. ,Ltd. ,Shanghai 200062, China)
Abstract: By simulation computational software ADAMS dynamics simulation model is built in mechanical energy storage, which realized the whole energy storage simulation process of energy stor
age mechanical parts of air circuit breaker. The operational mechanical energy storage parts are analyzed with mechanics. Based on the mechanical analysis of the energy storage and energy release system of the operating mechanism, the simulation results are provided for the optimization design and improvement of the closing impulse of the energy release state of the universal circuit breaker through simulation and the form of two-dimensional table.
Key words：air circuit breaker( ACB) ；actuating mechanism；closing impulse
〇引言
随着对万能式断路器在电网中的运行安全可 靠性的认识增加，企业开始对已供应已久的第三 代断路器DW45系列进行优化升级，尽可能的提 高产品的分断指标及操作寿命，从而保证断路器 在使用过程中的安全性、可靠性；仅仅达到国家标 准GB 14048.2—2008中的操作寿命要求并不能 充分体现企业产品的可靠性[1]，同时大大提高了 断路器的分断指标。
操作机构是实现断路器闭合与断开动作的 执行机构，断路器的合闸冲击力主要与操作机构 的储能弹簧与合闸杠杆相关（机构合闸力与动触 头压力的比值）。本文以HTW65系列某款万能 式断路器机构部分零件为基础建立仿真模块，通 过运用ADAMS运动仿真分析从某一角度对操作 机构储能合闸系统部分进行力学研究，对其进行 设计改进从而提高机构合闸可靠性。 1机构储能过程分析
1.1机构储能过程
机构释能状态零件位置如图1所示；机构储能状态零件位置如图2所示。
I一储能弹簧：2—驱动轴：3—凸轮；4一储能杠杆s
5—凸轮滚子：6—杠杆；7—合闸半轴：8—合闸杠杆：
9~合闸按钮；10■—储能杠杆轴承
图1机构释能状态零件位置
图1中，当手动操作部件或电动操作机构储 能带动驱动轴2与凸轮3的配合使凸轮3绕0, 逆时针旋转。凸轮3逆时针转动与储能杠杆轴承 10配合，迫使储能杠杆4绕02逆时针旋转，同时 不断压缩储能弹簧1，直至凸轮3上的滚子5抵 住杠杆6，经受到凸轮滚子5的力，致使杠杆6上
—
41
端扣在合闸半轴7上，完成了机构从释能状态到 储能状态的过程。
储能过程结束时，储能杠杆4绕02逆时针旋 转4°，储能弹簧1被压缩到B mm ，杠杆6因合闸 半轴7而锁住了凸轮3，促使储能弹簧被压缩，让 能量得以储存在储能杠杆4上，使机构保持平衡 达到储能状态。
1.2机构储能过程受力分析
断路器操作机构中储能系统和释能是一个整 体。在储能系统中寻提高机构释放力，从而达 到提高断路器触头压力与机构力之比，满足断路 器分断能力的提高（前提是触头材料、导电截 面已满足热容量的需求，增大触头压力）。
力^是由储能弹簧1压缩到mm 高度而释 放的初始力6 ；经过杠杆的转换，最后F 4的力传 递到合闸半轴7(静态受力分析计算中忽略了摩 擦系数）。
由图3受力分析图中可见，设F ，为6 000 N :
F 'L ' ==f 2l 2
(1)
f 2l ,==f \L 4(2)f 3l 5 ：:f \Lb
(3)
经过式（1) ~式（3)力臂转换后，得出F 4 = 115.65 N 。此时为机构储能部分的弹簧力F ，释放 传递过来形成力平衡，最终止停于力f 4过程分析。
2机构释能合闸过程分析
2.1释能合闸过程
机构杠杆保持平衡后，力F 4 —直施压在合闸
半轴7上(机构二次储能后的状态），若机构合闸，必
—42 —
—储能弹簧1压缩到B 的力：厂2—储能杠杆轴承10的力：
6—凸轮滚子5的力；—杠杆6传递到合闸半轴7的力
图3机构储能受力分析图翠鸟靶机
突变体
定使杠杆6脱扣，这个脱扣过程:①手指按压合闸按 钮9，绕05顺时针旋转(F 6)扣到杠杆8上;②或闭 合电磁铁打击力/^直接释压到杠杆8上，使杠杆8 绕逆时针旋转，将力传递到合闸半轴7上，传递 过来的力匕大于储能弹簧1传递过来的力与 摩擦系数的乘积，使合闸半轴7顺时针旋转，待转 到合闸半轴7的缺口处瞬间释放F 4的压力，则杠 杆6顺时针旋转，凸轮3受到储能杠杆4的压力也 同时释放逆时针旋转，储能弹簧1释放，促使储能
杠杆4部件中的打击杆15撞击机构传动杆上连杆 11，
使得机构合闸（见图2、
图4、
图5)。
图4释能合闸受力分析
11 一上连杆：12—下连杆；14 一上连杆滚轮：15—储能杠杆打击杆
图5
释能合闸示意1
2.2机构释能过程受力分析
机构释能过程中，由弹簧压缩储满力的杠杆 4，从静止的状态依靠弹簧的释放力转换成撞击上 连杆11的动力尽〇。使得机构上连杆11连接着 下连杆12向断路器本体方向推动，促使机构悬臂 17转动，到达上下连杆设计过死点达到设计间隙 距离C，机构完成释能合闸过程（见图1、图5、图6、图7)。
图6释能合闸示意2
图7释能合闸示意3
由分析知机构的储能受力过程，清晰了解机 构合闸力/来源于弹簧力Z7,。快速释放力6
使上下连杆快速冲过死点，最后受力止停。在这 个过程中，由图6可以得出：
八W20(4)设& =6 000 N，经过式（4)力臂转换后，得初始 力f1()= 3 782 N。这是机构合闸的初始力F,0的值。
3优化措施分析与改进
从力臂分析可见，机构释能合闸力的大小主要与合闸储能的弹簧力有关。2. 2小节中分析力
心只是静态的力分析，如何提高力方向的
动量？
当机构储能系统已被结构空间限定，机构中
力F，的来源让弹簧重新设计的空间局限，很难重
新设计。由于指标的提高，触头压力的增大，机构
不改进会导致断路器出现假合闸。
从机构合闸的动量方面进行优化考虑：动量
公式为/ = &,/为冲量，/r为恒力（这里的恒力就
是心=6000 N)，《为时间，增加时间可以增大力 处的动量/。物体在外力过程中所受的和外力
的冲量等于该物体的动量的增量，即/ =巧=
m为质量为速度[2]。这里可以理解靠增加速 度?；来换取冲量中的时间
从图3机构储能受力图可见，弹簧蓄力经
传递到力的值即为机构冲量中的值〇
变相让力&快速输出是优化机构的重点（方 案）：改变力臂的值，达到提高储能弹簧力G
的输出速度，增加力处的动量/。
4 A D A M S运动仿真数据分析
通过ADAMS运动仿真，观察两组运动仿真
力心。的变化。两组仿真三维模型中，设定参数:
总时间设定为0.5 S，步数为500步，忽略转动中
心与支撑面的摩擦阻尼；唯一不同的就是仿真中
凸轮3零件进行了改进（力臂心减小），分别采集
了:①储能杠杆4击到上连杆滚轮4的F,。;②储
能杠杆轴承10抵住凸轮3的F2;③储能弹簧1
压缩到B mm的F，之间的参数变化。
跳线帽
改进前、后仿真数据如表1、表2所示。
(1)改进前后方案的弹簧储能力均为6 000 N。
(2)从表1、表2数据对比，可以看到改进前 的机构动作，合闸半轴开始旋转直到凸轮3启动
旋转，储能杠杆打击杆15撞击上连杆滚轮14时,
表1中心。受力耗时17〇 ms(170步为储能杠杆接
触上连杆）；同时看查看表2数据:F,。受力时耗时
穿针引线器165 m s，从时间上提前了 5 m s。
(3)改进前后储能杠杆打击杆15刚接触上连 杆滚轮14时，由于储能的压力相同，起始撞击力 F,。几乎相同（见表1第170步，表2第165步）。
—43
—
表1改进前仿真数据
步数时间/s F,/N f2/n F10/N 00.000 6 025.1790.0000.000
10.001 6 017.1381586.7130.000 20.002 6 015.5171544.6070.000 30.003 6 015.6471539.7060.000 40.004 6 015.7471544.1220.000 50.005 6 015.8971551.5160.000 1600. 160 6 015.4591528.5360.000 1610. 161 6 015.8541578.5110.000 1620. 162 6 015.7021546.2730.000 1630. 163 6 015.4331538.2290.000 1640. 164 6 015.1541515.5700.000 1650. 165 6 015.7411542.0810.000 1660. 166 6 015.6491536.8670.000 1670. 167 6 015.4781533.4710.000 1680.168 6 014. 1301507.4050.000 1690. 169 6 004.5641354.2240.000 1700. 170 5 962.7920.000 3 305.005 1710. 171 5 864.2910.000 3 266.909 1720. 172 5 632.2820.000 3 398.090 1730. 173 5 137.8410.000 3 282.777 1740. 174 4 151.9920.0001467.147 1750. 175 2 486.7380.0000.000 1760. 176 2 541.0060.0000.000 1770. 177 2 543.8710.0000.000 1780. 178 2 540.5490.0000.000 1790. 179 2 540.0210.0000.000 1800. 180 2 540.5860.0000.000 1810. 181 2 539.7251411.0040.000 1820. 182 2 542.999 2 107.0020.000 1830. 183 2 548.2521676.7520.000 1840. 184 2 548.941337.7330.000 1850. 185 2 543.4970.0000.000 1860. 186 2 540.1000.0000.000
表2改进后仿真数据
步数时间/s F,/N f2/n F 丨0/N
00.000 6 010.2650.0000.000
10.001 5 999.8821686.1160.000
20.002 5 998.5701636.9580.000
30.003 5 998.5821636.9120.000
磨具制造
40.004 5 998.9311657.2160.000
50.005 5 998.1771567.3660.000
1600. 160 5 998.3141626.2010.000
1610. 161 5 998.3091626.4910.000
1620. 162 5 998.3901626.8040.000
1630. 163 5 998.1661604.6630.000
1640. 164 5 992.6291447.0300.000
1650. 165 5 957.2770.000 3 321.375
1660. 166 5 875.0510.000 3 172.176
1670. 167 5 677.4380.000 3 419.989
1680. 168 5 248.4420.000 3 467.195
1690. 169 4 390.7350.0001759.476
1700. 170 2 771.3460.0000.000
1710. 171 2 534.4630.0000.000
1720. 172 2 532.9500.0000.000
1730.173 2 532.9710.0000.000
1740.174 2 537.036 2 932.8540.000
1750. 175 2 578.987 3 000.0760.000
1760. 176 2 615.894 2 886.5920.000
1770. 177 2 609.825 2 864.4610.000
1780. 178 2 561.948 2 852.7340.000
1790. 179 2 536.7780.0000.000
自动加油泵1800. 180 2 531.9150.0000.000
(4)当储能杠杆接触上连杆滚轮后，启动上 下连杆使机构主轴旋转；在上下连杆过死点的时
刻F,。力发生变化，改进前为1 467 N，改进后为
1 759 N，两者相差29
2 N(差距是速度发挥出来
的动能）。
(5)释放力的刹那间，储能杠杆因储能弹簧 的力击出，凸轮片还未掉落到指定设计位时，储能
—44 —
杠杆轴承10碰撞到凸轮3，改进前与改进后的数 值最大相差值为（3 000 - 2 107) N=893 N。
仿真关键数据对比如表3所示。
表3仿真关键数据对比
项目 F./N F2 V N F10/N
改进前 6 017.00 2 1071467
改进后 5 999.80 3 0001759
^释能后，储能杠杆撞击凸轮的力值。
从表3可以看出，储能杠杆输出力F，不变的 情况下，对凸轮片零件3进行优化后，储能杠杆传 递到上下连杆过死点时的力八。增大19. 9% ，从 而提高机构可靠合闸。
5注意事项
优化设计改进后，需要平衡整个机构的强度、功能，做相对应的改进优化设计。本次优化设计 后，从数据表1、表2中得出：储能杠杆释能后，凸轮3力明显的增大。这个力的增大会引起最 主要问题：储能凸轮提前预储能（假设原设计储能手柄需拉7次后储能完毕，而因为释放力过大 后，提前储能了 2下）。从断路器的现象反映出，则是二次手动储能时很难将手柄拉开再次储能(储能弹簧已施加压力），造成用户使用困难，电机寿命降低。具体优化可从凸轮与储能杠杆轴承 接触这段过程中，增加减速器装置或增加凸轮转 动的某个角度内转动阻力。
6 结语
本文分析断路器机构合闸、分闸的机构过程，选出易改的零件进行优化设计，并进行了改进前 与改进后运动仿真分析的数据对比，提高了由储 能弹簧传递过来的冲击力和机构合闸过程中的可 靠性，减少开关假合的故障。
【参考文献】
[1 ]低压开关设备和控制设备第2部分：断路器：GB
14048.2—2008 [S],
[2]程守洙，江之永.普通物理学[M].5版.北京：高等
教育出版社，1998.
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