譚 韡 查海林 肖 星

1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海,2000302. 西門(mén)子(中國(guó))有限公司上海分公司，上海,201108

低壓開(kāi)關(guān)的機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真分析與優(yōu)化

譚 韡1,2查海林2肖 星2

1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海,2000302. 西門(mén)子(中國(guó))有限公司上海分公司，上海,201108

低壓開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析對(duì)于其優(yōu)化設(shè)計(jì)非常重要，機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中碰撞接觸導(dǎo)致的彈跳會(huì)引起電弧燒蝕，直接影響開(kāi)關(guān)的電氣壽命。采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)的閉合過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，獲得機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)過(guò)程及各接觸位置的接觸狀態(tài)變化，并通過(guò)與開(kāi)關(guān)閉合過(guò)程的彈跳時(shí)間測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以及與電氣壽命試驗(yàn)后樣品的燒蝕位置進(jìn)行對(duì)比，證明了仿真模型的正確性。最后通過(guò)仿真模型的正交試驗(yàn)研究了相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)彈跳的影響，分析得到機(jī)構(gòu)的優(yōu)化方案并進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出方案的有效性。

低壓開(kāi)關(guān)；動(dòng)態(tài)仿真分析；開(kāi)關(guān)彈跳；正交試驗(yàn)

0 引言

虛擬樣機(jī)技術(shù)已成為開(kāi)發(fā)新型低壓電器的關(guān)鍵技術(shù)[1]。機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真方法可以展現(xiàn)低壓開(kāi)關(guān)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程以及測(cè)量部件的受力情況，解釋在不同設(shè)計(jì)參數(shù)下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變情況，方便尋找結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方向。目前低壓電器動(dòng)態(tài)仿真的研究主要建立在接觸器、斷路器等電器產(chǎn)品上,此類(lèi)產(chǎn)品機(jī)構(gòu)分為3個(gè)部分：觸頭接觸系統(tǒng)、電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及這兩個(gè)部分的互連機(jī)構(gòu)。對(duì)觸頭部分的關(guān)注體現(xiàn)在電接觸的電弧分析方面[2-3]；對(duì)電磁系統(tǒng)的研究大部分是數(shù)值分析、設(shè)計(jì)仿真等[4-5]；對(duì)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析進(jìn)行仿真[6-9]。本文研究的低壓開(kāi)關(guān)裝置不涉及電磁系統(tǒng)，僅觸頭機(jī)構(gòu)的電接觸和電弧原理與前述產(chǎn)品相同，驅(qū)動(dòng)及聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式較多，完全不同于接觸器、斷路器等產(chǎn)品，所以上述研究方法和仿真模型不能直接適用于開(kāi)關(guān)裝置。近年來(lái)，涉及同類(lèi)型低壓開(kāi)關(guān)裝置的動(dòng)態(tài)特性仿真的文獻(xiàn)[10-12]主要研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)觸頭接觸壓力的影響，雖然發(fā)現(xiàn)了觸頭彈跳現(xiàn)象，但并未在機(jī)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中考慮彈跳問(wèn)題，脫離了實(shí)際產(chǎn)品研發(fā)測(cè)試過(guò)程中需要解決的最終問(wèn)題，即彈跳引起電弧燒蝕而導(dǎo)致的電氣壽命縮短問(wèn)題。

本文的目的是利用Creo軟件的建模及機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真模塊，針對(duì)蹺板式低壓開(kāi)關(guān)的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)建立無(wú)縫連接的三維實(shí)體模型和動(dòng)態(tài)仿真模型，找出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的彈跳位置，以縮短彈跳時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)，確定優(yōu)化參數(shù)和方案并進(jìn)行驗(yàn)證。Creo軟件提供了參數(shù)化建模，對(duì)于開(kāi)關(guān)裝置能很方便地建立設(shè)計(jì)圖紙，其集成的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析模塊Mechanism可直接在其三維實(shí)體模型上設(shè)置機(jī)構(gòu)連接、驅(qū)動(dòng)條件和載荷狀態(tài)，并通過(guò)自帶求解器完成動(dòng)力學(xué)仿真分析，展現(xiàn)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

1 開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)樣機(jī)模型的建立

蹺板式開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)是最常見(jiàn)的低壓開(kāi)關(guān)裝置運(yùn)動(dòng)方式，如圖1 所示。驅(qū)動(dòng)條件來(lái)自于人手按壓開(kāi)關(guān)按鈕，按鈕旋轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)部的彈簧通過(guò)壓頭帶動(dòng)動(dòng)觸片繞支軸做蹺板運(yùn)動(dòng)，動(dòng)觸片的觸頭最終與靜觸頭閉合，由按鈕內(nèi)部的彈簧力提供兩個(gè)觸頭間的接觸壓力，電路閉合，電流通過(guò)，實(shí)現(xiàn)通斷功能。

圖1 開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of switch

研究機(jī)構(gòu)問(wèn)題可先從靜態(tài)分析入手，對(duì)于動(dòng)觸頭組件可按照單個(gè)剛體的平衡問(wèn)題進(jìn)行靜力學(xué)分析，計(jì)算出平衡狀態(tài)的觸頭接觸壓力，動(dòng)觸頭組件的受力分析如圖2所示，它主要由動(dòng)靜觸頭部分和彈簧壓頭部分組成。

圖2 蹺板式開(kāi)關(guān)動(dòng)觸片靜力分析簡(jiǎn)圖Fig.2 Static analysis of toggle-switch

建立平衡方程如下：

(1)

式中，F(xiàn)a為支軸處接觸壓力；Fb為銀點(diǎn)處接觸壓力；F為彈簧壓力(受控于彈簧剛度及壓縮量)；θ為按鍵轉(zhuǎn)動(dòng)角度；l1為支軸距離壓頭與動(dòng)觸片接觸點(diǎn)的水平距離；l2為靜觸頭距離壓頭與動(dòng)觸片接觸點(diǎn)的水平距離。

求解式(1)可得

(2)

其中，l1和l2通常在設(shè)計(jì)中由H、θ及靜觸頭距離產(chǎn)品中心的水平距離l1+l2決定，可知觸點(diǎn)接觸壓力除了受彈簧壓力控制外，還主要取決于以上幾個(gè)尺寸參數(shù)。

通過(guò)靜態(tài)分析可以了解系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下的電接觸穩(wěn)定性，但開(kāi)關(guān)裝置的機(jī)械系統(tǒng)問(wèn)題屬于多剛體系統(tǒng)碰撞接觸問(wèn)題，需要進(jìn)一步對(duì)開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，找到影響機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的關(guān)鍵因素。因此，CAE在設(shè)計(jì)初期對(duì)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，建立動(dòng)力學(xué)仿真模型，分析其動(dòng)態(tài)特性及受力情況，對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、試制很有幫助，能夠顯著提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的科學(xué)性，減少盲目性，提升設(shè)計(jì)效率，在圖紙階段通過(guò)建立分析模型對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)動(dòng)、強(qiáng)度等性能預(yù)測(cè)，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)得到保證，有效提高設(shè)計(jì)的可靠性，縮短設(shè)計(jì)周期。

Creo軟件可建立開(kāi)關(guān)裝置的機(jī)構(gòu)模型，包括按鈕(PC材料)、壓頭(PA66材料)、彈簧、動(dòng)觸片(黃銅)、靜觸頭(黃銅)、支軸(黃銅)。除了彈簧以外，各零件均設(shè)置為剛體，并分配材料屬性、重力方向，然后定義各構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)副及各接觸位置的3D接觸，最后設(shè)置按鈕上的驅(qū)動(dòng)力，完成初始條件的設(shè)置。

本仿真模型根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)建模，利用軟件自動(dòng)建立系統(tǒng)的拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程，對(duì)每個(gè)物體分別列出帶乘子的拉格朗日方程及相應(yīng)的約束方程：

(3)

φi=0j=1,2,…,6

(4)

其中，K為動(dòng)能;qj為系統(tǒng)的全部廣義坐標(biāo);φi為系統(tǒng)約束方程;Fj為廣義坐標(biāo)方向上的作用力;λi為m×1拉格朗日乘子列陣;j為單個(gè)剛體自由度數(shù)。每個(gè)剛體由6個(gè)拉格朗日方程和相應(yīng)的約束方程加以描述，Creo軟件通過(guò)自動(dòng)求解這些方程來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)特征進(jìn)行仿真。

2 機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析

蹺板開(kāi)關(guān)的運(yùn)動(dòng)是由按鈕上的驅(qū)動(dòng)力來(lái)帶動(dòng)的，所以只需對(duì)按鈕進(jìn)行初始值的定義。該驅(qū)動(dòng)力根據(jù)實(shí)際的壽命試驗(yàn)機(jī)上設(shè)置的沖擊力計(jì)算及測(cè)量得來(lái)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有對(duì)相關(guān)的開(kāi)關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行明確規(guī)定，實(shí)際的試驗(yàn)過(guò)程也會(huì)根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)整，但該力偏大或偏小都會(huì)給試驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)很大影響，文獻(xiàn)[13]對(duì)此問(wèn)題有相關(guān)驗(yàn)證。Creo軟件可根據(jù)輸入的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真求解運(yùn)算，得到開(kāi)關(guān)閉合的動(dòng)態(tài)虛擬過(guò)程，并且運(yùn)用測(cè)量工具可以得到各接觸位置的接觸狀態(tài)變化以及接觸壓力的值。

2.1 開(kāi)關(guān)閉合過(guò)程分析

圖3為開(kāi)關(guān)裝置閉合過(guò)程的運(yùn)動(dòng)仿真圖。整個(gè)仿真過(guò)程周期設(shè)置為6 ms，在不考慮電因素的情況下，此動(dòng)態(tài)過(guò)程屬于碰撞類(lèi)問(wèn)題，可以觀察到觸頭碰撞后導(dǎo)致的彈跳現(xiàn)象(圖3e和圖3f)，并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(a)初始狀態(tài) (b)啟動(dòng)狀態(tài)

(c)趨于接觸 (d)首次碰撞

(e)支軸位置起跳 (f)支軸回落接觸后，觸頭起跳

(g)支軸位置再次短暫起跳 (h)最終穩(wěn)定接觸圖3 開(kāi)關(guān)閉合過(guò)程Fig.3 Switch on phase of seesaw switch

2.2 彈跳現(xiàn)象分析

開(kāi)關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求產(chǎn)品需達(dá)到一定的電氣壽命，并要求壽后溫升在45 K以?xún)?nèi)，溫升取決于開(kāi)關(guān)內(nèi)部電阻的大小，在電氣壽命測(cè)試中，電接觸位置彈跳引起的電弧燒蝕會(huì)增加內(nèi)阻，影響到溫升指標(biāo)，因此，彈跳現(xiàn)象的分析在開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)中相當(dāng)重要。

圖4所示為靜動(dòng)觸頭發(fā)生沖擊碰撞過(guò)程中接觸狀態(tài)隨時(shí)間變化的過(guò)程(圖4中縱軸坐標(biāo)“0”表示兩者未接觸，“1”表示兩者接觸)：第一階段(0～3.47 ms)，靜動(dòng)觸頭趨于接觸;第二階段(3.48 ms)，靜動(dòng)觸頭發(fā)生了第一次碰撞接觸;第三階段(3.48～4.73 ms)，觸頭間發(fā)生了多次彈跳分離;第四階段(4.74～6 ms)，觸頭接觸并穩(wěn)定，形成了靜動(dòng)觸頭的終壓力。

觸頭從首次接觸到最終穩(wěn)定，整個(gè)過(guò)程時(shí)間為1.25 ms，即觸頭的總彈跳時(shí)間。文獻(xiàn)[10]中的仿真模型也發(fā)現(xiàn)了觸頭的彈跳現(xiàn)象。

圖4 靜動(dòng)觸頭的接觸變化Fig.4 Contact status between contacts

仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的另一個(gè)重要現(xiàn)象是導(dǎo)電部件支軸與動(dòng)觸片間也發(fā)生了分離(圖3e)，這個(gè)位置也是導(dǎo)電連接處，這種分離由于距離較小，達(dá)不到滅弧距離，會(huì)造成支軸與動(dòng)觸片間產(chǎn)生電弧燒蝕，影響開(kāi)關(guān)壽命，實(shí)際在試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了某些開(kāi)關(guān)產(chǎn)品在此位置有燒蝕現(xiàn)象，如圖5所示。在本仿真模型中也可以測(cè)量支軸與動(dòng)觸片間的接觸狀態(tài)，如圖6所示。第一階段(0～3.48 ms)，動(dòng)觸片與支軸穩(wěn)定接觸；第二階段(3.49～3.81 ms),動(dòng)觸片與支軸間發(fā)生了分離;第三階段(3.82～4.56 ms)，兩者接觸后多次發(fā)生彈跳分離;第四階段(4.57～6 ms)，兩者恢復(fù)接觸并穩(wěn)定。

圖5 電接觸位置的電弧燒蝕Fig.5 Electric arc erosion on the Contact position

圖6 動(dòng)觸片與支軸的接觸變化Fig.6 Contact status between moving contact and pivot

由此可知，蹺板機(jī)構(gòu)的開(kāi)關(guān)裝置由于觸點(diǎn)的碰撞，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)觸片的整體反彈，兩個(gè)接觸位置均會(huì)發(fā)生分離現(xiàn)象。仿真模型中彈跳現(xiàn)象發(fā)生位置與實(shí)際產(chǎn)品的電弧燒蝕位置相同，可以初步判斷仿真模型的正確性。

通過(guò)測(cè)量開(kāi)關(guān)兩端的電壓波動(dòng)可反映開(kāi)關(guān)觸頭閉合的過(guò)程中發(fā)生的彈跳情況，得到圖7所示的彈跳實(shí)測(cè)波形圖，圖中Δt即彈跳過(guò)程時(shí)間。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量后求平均值，得出開(kāi)關(guān)的測(cè)試彈跳時(shí)間為1.2 ms左右。與仿真模型數(shù)值基本相符，證明本仿真模型是有效的。

圖7 開(kāi)關(guān)彈跳時(shí)間實(shí)測(cè)波形圖Fig.7 Bounce test of seesaw switch

3 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

開(kāi)關(guān)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的彈跳會(huì)加劇導(dǎo)電部件的燒蝕，特別是支軸接觸位置因其功能設(shè)計(jì)是不需要產(chǎn)生分離的，因此,控制支軸位置的彈跳時(shí)間是蹺板式開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)。

對(duì)于減小支軸接觸位置的彈跳，需進(jìn)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可大致通過(guò)以下4種方式進(jìn)行優(yōu)化:①對(duì)彈跳發(fā)生位置的支軸和靜觸頭零件增加減振結(jié)構(gòu)，將沖擊動(dòng)能損耗在減振結(jié)構(gòu)上；②通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的變化來(lái)改變動(dòng)觸片上各位置點(diǎn)的受力方向，避免其與支軸的彈跳；③動(dòng)觸頭在與支軸接觸的位置采用復(fù)合銀層材料，使其在發(fā)生電弧燒蝕后仍存在銀層接觸，從而減小接觸電阻，保障電氣性能；④機(jī)構(gòu)形式不變，優(yōu)化結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)。前兩種方式對(duì)機(jī)構(gòu)形式有較大變化，需建立新的仿真模型分析優(yōu)化[14]；方式③受產(chǎn)品成本限制，不利于資源的有效利用與節(jié)約；方式④即通過(guò)建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真模型并采用正交試驗(yàn)方法獲得相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化方案。本文建立了機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)仿真模型，故采用方式④進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)優(yōu)化

動(dòng)觸片自身重力對(duì)碰撞后的受力及動(dòng)態(tài)特性有影響，所以減小動(dòng)觸片的質(zhì)量可以起到結(jié)構(gòu)上的性能優(yōu)化作用，如圖8所示。

圖8 動(dòng)觸片質(zhì)量減小Fig.8 Weight loss of movable contact

如圖9所示，蹺板式開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)包括：按鈕擺動(dòng)角度θ、旋轉(zhuǎn)中心間距L1、動(dòng)靜觸頭開(kāi)距L2、靜觸頭間距L3、壓頭頭部直徑D、彈簧彈性系數(shù)Ks及預(yù)壓量h。以上尺寸參數(shù)決定了開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)特性(彈跳過(guò)程)及觸頭接觸壓力(包括過(guò)程中的壓力變化和終壓力)。其中，靜觸頭間距L3受產(chǎn)品外形、安裝要求以及生產(chǎn)裝配的限制，需要固定尺寸；動(dòng)靜觸頭開(kāi)距L2按產(chǎn)品的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的電氣間隙要求大于3 mm，但觸頭開(kāi)距越大，碰撞后的反彈也會(huì)越大，因此，該尺寸也可以按留取一定余量的最小值固定；而壓頭零件本身體積很小，其頭部直徑越大，摩擦力越大，頭部直徑太小，則會(huì)磨損動(dòng)觸片，所以也可按經(jīng)驗(yàn)值固定尺寸。因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，L2、L3、D這三項(xiàng)都可定義為設(shè)計(jì)常量。在大氣空氣中頻繁操作的低壓接觸器、開(kāi)關(guān)等，其單位電流的接觸力需達(dá)到0.06～0.15 N，本文中的開(kāi)關(guān)裝置按照10 A的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，其動(dòng)靜觸頭間的接觸壓力應(yīng)控制在0.6～1.5 N，因此，接觸壓力定義為約束條件，按鈕擺動(dòng)角度、旋轉(zhuǎn)中心間距、彈簧彈性系數(shù)及預(yù)壓量可選取為設(shè)計(jì)變量。另外，觸頭位置的彈跳不能大范圍波動(dòng)，也應(yīng)該作為約束條件，其范圍值可在優(yōu)化迭代過(guò)程中用數(shù)據(jù)篩選來(lái)參考控制。

圖9 蹺板式開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)及其尺寸參數(shù)Fig.9 Key dimensions of switch

本文仿真模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型如下。

優(yōu)化目標(biāo)：支軸接觸位置彈跳時(shí)間最小。

約束條件：動(dòng)靜觸頭接觸壓力F為0.6～1.5 N；觸頭接觸位置彈跳時(shí)間較短。

設(shè)計(jì)變量：4°≤θ≤6°；15 mm≤L1≤17 mm；1.5 N/mm≤Ks≤2.5 N/mm；4 mm≤h≤5 mm。

目前低壓電器的優(yōu)化設(shè)計(jì)基于仿真模型上的優(yōu)化方法通常采用仿真軟件中的優(yōu)化分析工具進(jìn)行，將需要分析的參數(shù)設(shè)定為設(shè)計(jì)變量，分別改變各設(shè)計(jì)變量的值，通過(guò)選擇的優(yōu)化算法迭代計(jì)算出目標(biāo)函數(shù)的輸出值。對(duì)于本仿真模型，由于是接觸碰撞問(wèn)題，其中設(shè)置了大量的3D接觸連接，軟件計(jì)算非常耗時(shí)，故不能直接采用軟件的自動(dòng)迭代。為此，本文采用正交試驗(yàn)法，以較少的仿真次數(shù)來(lái)計(jì)算得到各設(shè)計(jì)變量對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的影響的顯著性，提高優(yōu)化設(shè)計(jì)效率，并得到最優(yōu)的參數(shù)設(shè)計(jì)方案。

本正交試驗(yàn)的因素來(lái)源于優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型中的設(shè)計(jì)變量，即按鈕擺動(dòng)角度、彈簧彈性系數(shù)、預(yù)壓量及旋轉(zhuǎn)中心間距，這四個(gè)因素記作A、B、C、D，其中，因素A、B、D分別取三個(gè)水平，因素C范圍較小，取兩個(gè)水平。因素水平見(jiàn)表1。

表1 因素水平表Tab.1 Level of factor form

建立L9(34)正交表，按照正交表中各試驗(yàn)號(hào)對(duì)應(yīng)的水平組合進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得到極差分析結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 支軸位置彈跳時(shí)間的正交試驗(yàn)極差分析Tab.2 Range analysis of bounce time on pivot position

從極差分析結(jié)果比較可以看出，各項(xiàng)因素?zé)o顯著影響，只是相對(duì)來(lái)說(shuō)因素B的影響大一些，總地來(lái)說(shuō)，本試驗(yàn)最優(yōu)方案應(yīng)該是A1B3C2D3，最優(yōu)方案仿真后的各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 優(yōu)化方案仿真分析結(jié)果Tab.3 Simulation analysis result of the optimization scheme

從本試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果看來(lái)，觸頭接觸壓力和彈跳時(shí)間均處于合理水平，綜合指標(biāo)較好。即對(duì)于蹺板機(jī)構(gòu)，增大彈簧預(yù)壓力并通過(guò)控制按鍵擺動(dòng)角度來(lái)適當(dāng)減小壓頭滑動(dòng)距離有助于解決支軸位置的彈跳問(wèn)題，但需控制參數(shù)改變帶來(lái)的對(duì)觸頭接觸壓力和彈跳時(shí)間的影響。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

現(xiàn)有低壓電器方面的機(jī)構(gòu)優(yōu)化通常是基于典型的連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化，其大致分為兩個(gè)方向：一種是提高開(kāi)斷速度的優(yōu)化設(shè)計(jì)；一種是減小動(dòng)觸頭合閘彈跳的優(yōu)化設(shè)計(jì)[15-16]。而對(duì)于蹺板式開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)這種帶接觸碰撞的多體機(jī)械系統(tǒng)，主要優(yōu)化方向就是縮短系統(tǒng)彈跳時(shí)間，但與連桿機(jī)構(gòu)的合閘彈跳不同，該機(jī)構(gòu)自由度更高，彈跳位置不止于動(dòng)靜觸頭之間，現(xiàn)有的優(yōu)化設(shè)計(jì)通常根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，采用簡(jiǎn)單的枚舉法來(lái)計(jì)算合適的觸頭接觸壓力，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比獲取相對(duì)較優(yōu)的目標(biāo)值，因此，對(duì)于優(yōu)化結(jié)果往往具有不確定性及低效率。

為了驗(yàn)證本文優(yōu)化方法結(jié)果的可靠性，在對(duì)實(shí)體樣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化后，對(duì)原機(jī)構(gòu)和優(yōu)化機(jī)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比。將開(kāi)關(guān)試樣按國(guó)標(biāo)進(jìn)行熒光燈負(fù)載測(cè)試。圖10所示為測(cè)試后的試樣對(duì)比，左邊為優(yōu)化前試樣，右邊為優(yōu)化后試樣，可以看到除了觸頭處的正常燒蝕外，支軸處僅輕微燒蝕，且被機(jī)械磨損將積碳清潔了，可以認(rèn)為動(dòng)觸片與支軸間的彈跳很小、時(shí)間很短，與仿真結(jié)果吻合。

圖10 優(yōu)化前后測(cè)試樣品狀態(tài)對(duì)比Fig.10 Specimens compare between before and after of optimization

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以證實(shí)本文仿真模型及優(yōu)化方法能有效地提高低壓開(kāi)關(guān)的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)效率，多次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明，本優(yōu)化方法具有較高的魯棒性，對(duì)于研發(fā)設(shè)計(jì)具有一定的價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

有別于現(xiàn)有的低壓開(kāi)關(guān)仿真模型研究，本文使用Creo軟件建立了完整的一體化虛擬樣機(jī)模型，該模型具有很好的靈活性，并且通過(guò)采用同一軟件平臺(tái)，避免了傳統(tǒng)方法中實(shí)體建模和仿真建模采用各自特有軟件而導(dǎo)致的每次調(diào)整設(shè)計(jì)都需重復(fù)設(shè)置的繁瑣操作。CAD與CAE之間的無(wú)縫鏈接，保證了模型傳遞過(guò)程中的一致性，大大提升了仿真設(shè)計(jì)的效率。利用了參數(shù)化的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)及修改過(guò)程簡(jiǎn)便，結(jié)果體現(xiàn)方便，提高了設(shè)計(jì)效率。本文采用的正交試驗(yàn)優(yōu)化方法對(duì)本領(lǐng)域開(kāi)關(guān)裝置的優(yōu)化研究具有普遍的適用性，能有效縮短優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)間，避免大量重復(fù)試驗(yàn)，且有助于降低產(chǎn)品成本，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1] 陳德桂. 虛擬樣機(jī)成為開(kāi)發(fā)新型低壓電器的關(guān)鍵技術(shù)[J].低壓電器，2002(6):3-7. CHEN Degui. Virtual Prototype to Be a Key Technique for Development of New Low Voltage Electrical Apparatus [J]. Low Voltage Apparatus,2002(6):3-7.

[2] 任曉霞. ANSYS在低壓電器觸頭接觸穩(wěn)態(tài)熱分析中的應(yīng)用[J].電氣技術(shù)，2008(12):83-85. REN Xiaoxia. The Application of ANSYS on Steady Thermal Characteristic Analysis of Low Voltage Electrical Apparatus Contacts [J]. Electrical Engineering,2008(12):83-85.

[3] 王偉宗，吳翊，榮命哲，等.低壓開(kāi)關(guān)電器穩(wěn)態(tài)電弧特性的仿真[J].低壓電器，2009(23):6-9. WANG Weizong, WU Yi, RONG Mingzhe, et al. Simulation of Electric Arc in Low-voltage Switch[J]. Low Voltage Apparatus,2009(23):6-9.

[4] 李興文，陳德桂，孫志強(qiáng)，等.交流接觸器動(dòng)態(tài)過(guò)程及觸頭彈跳的數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,24(9):229-233. LI Xingwen, CHEN Degui, SUN Zhiqiang,et al. Numberial Analysis and Experimental Investigation of Dynamic Behavior and Contact Bounce of AC Contactor[J]. Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering,2004,24(9):229-233.

[5] 孫園，許志紅.基于ANSYS 軟件的智能交流接觸器電磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].低壓電器,2006(11):3-8. SUN Yuan, XU Zhihong. Design of Electromagnetic System for Intelligent AC Contactor Based on ANSYS[J]. Low Voltage Apparatus,2006(11):3-8.

[6] 潘鋒，鄒慧君，李廣利.小型斷路器機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2007,23(6):98-108. PAN Feng, ZOU Huijun, LI Guangli. Dynamic Research of Mechanism in Miniature Circuit Breaker[J].Machine Design and Research,2007,23(6):98-108.

[7] 張迎春. 基于ADAMS的低壓斷路器優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2005. ZHANG Yingchun.Optimization Design and Simulation Research of Low-voltage Circuit Breaker Based on ADAMS[D].Zhenjiang:Jiangsu University,2005.

[8] 葛永斌，許利戰(zhàn).基于Pro/E的微型斷路器仿真分析[J]. 低壓電器,2010(24):16-19. GE Yongbin, XU Lizhan. Simulation Analysis of Miniature Circuit Breaker Based on Pro/E[J]. Low Voltage Apparatus,2010(24):16-19.

[9] 張敬菽，陳德桂，劉洪武.低壓斷路器操作機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,24(3):102-107. ZHANG Jingshu, CHEN Degui, LIU Hongwu. Dynamic Simulation and Optimum Design of Low-voltage Ciricuit Breaker[J]. Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering,2004,24(3):102-107.

[10] 翟芳，張威，李東波.蹺板式開(kāi)關(guān)裝置動(dòng)力學(xué)建模與仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2009，25(5):7-9. QU Fang, ZHANG Wei, LI Dongbo. The Dynamic Modeling and Simulation Analysis of the Toggle-switch[J].Machine Design and Research,2009,25(5):7-9.

[11] 瞿芳，李東波. 蹺板式開(kāi)關(guān)裝置觸點(diǎn)力影響因素[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2012，28(6):121-123. QU Fang, LI Dongbo. Analysis on Influence Factors of Toggle-switch Contact Force[J].Machine Design and Research,2012,28(6):121-123.

[12] 何新. 蹺板式開(kāi)關(guān)裝置機(jī)械動(dòng)態(tài)性能分析[D].南京:南京理工大學(xué)，2008. HE Xin. Mechanical Dynamic Performance Analysis of the Toggle-switch[D]. Nanjing:Nanjing University of Science and Technology, 2008.

[13] 陳鋒. 家用開(kāi)關(guān)的力學(xué)參數(shù)需規(guī)定[J].中國(guó)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督，2004(8):36. CHEN Feng. Mechanical Parameter of Switch for Household Need Be Regulated[J]. China Quality Supervision, 2004(8):36.

[14] 劉向軍，黃蔚偈，蘭太壽.磁保持繼電器動(dòng)作機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真分析和驗(yàn)證[J].低壓電器,2013(2):5-9. LIU Xiangjun, HUANG Weijie, LAN Taishou.Dynamic Process Simulation and Verification of Magnetic Latching Relay’s Action Mechanism[J]. Low Voltage Apparatus,2013(2):5-9.

[15] 巫世晶, 李菲, 趙文強(qiáng),等.含多間隙副特高壓斷路器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2015,26(13):1719-1724. WU Shijing, LI Fei, ZHAO Wenqiang, et al. Research on Driving Mechanism Dynamics in UHV Breaker with Multiple Clearance Joints [J]. China Mechanical Engineering,2015,26(13):1719-1724.

[16] 陳文華，張文，潘駿,等.小型斷路器操作機(jī)構(gòu)的動(dòng)作可靠性分析[J].中國(guó)機(jī)械工程,2015,26(21):2918-2922.

CHEN Wenhua, ZHANG Wen, PAN Jun,et al.Action Reliability Analysis of Operating Mechanism in Miniature Circuit Breaker [J]. China Mechanical Engineering,2015,26(21):2918-2922.

(編輯 陳 勇)

Dynamic Simulation Analysis and Optimization of Low-voltage Switches

Tan Wei1,2Zha Hailin2Xiao Xing2

1.School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai,200030 2.Siemens Ltd., China, Shanghai Branch, Shanghai,201108

In the optimum design of low-voltage switches, it was necessary to analyze the dynamic behaviors. The bounces caused by impact contacts in the mechanical system would lead to arc ablations, and directly a effect the electrical lifetimes of the switches. With virtual prototyping technologies to do the dynamic simulations for the closing processes of the switches, the dynamic behaviors of the mechanical system and the changes of the contact status were investigated. The simulation model was verified by comparing with the bounce time tests of the switch closing processes, and the bounce positions were the same as the arc ablation positions of the test samples. The influences of the design parameters on the contact bounce of the switches were investigated through the orthogonal test of the simulation model, and the optimization method was designed and verified by the test samples.

low-voltage switch; dynamic simulation; contact bounce；orthogonal test

2016-06-15

TH122

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.09.013