銀引森，吳利軍，周國(guó)強(qiáng)

（雷頓電氣科技有限公司，浙江 溫州 325600）

1 引言

自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器（Automatic Transfer Switch Equipment，ATSE）是主要用于兩路電源間的轉(zhuǎn)換，可檢測(cè)和監(jiān)視電源質(zhì)量，當(dāng)一路電源發(fā)生故障時(shí)，將負(fù)載電路轉(zhuǎn)換到另一路電源（備用）的開關(guān)電器。

按照我國(guó)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，一、二級(jí)用電負(fù)載應(yīng)采用兩路或兩路以上的電源供電。因此，轉(zhuǎn)換開關(guān)電器已被廣泛應(yīng)用到醫(yī)療、金融、通信、機(jī)場(chǎng)、商務(wù)大樓、大型商場(chǎng)、體育場(chǎng)、工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域及軍事設(shè)施等重要供電場(chǎng)所，以及建筑消防供配電等領(lǐng)域，保障重要負(fù)載的連續(xù)、可靠供電。

國(guó)標(biāo)和IEC標(biāo)準(zhǔn)中將ATSE分為三類：CC級(jí)、CB級(jí)和PC級(jí)。CC級(jí)即接觸器式轉(zhuǎn)換開關(guān)，主要由2臺(tái)交流接觸器及其機(jī)械和電氣聯(lián)鎖裝置組成，只能用于小電流轉(zhuǎn)換，且因機(jī)械聯(lián)鎖不可靠、耗電量大等缺點(diǎn)，在工程中越來越少地被采用。CB級(jí)即斷路器式轉(zhuǎn)換開關(guān)，由2臺(tái)斷路器構(gòu)成，由一套機(jī)械和電氣聯(lián)鎖相連接，具有短路和過載保護(hù)。PC級(jí)分為兩種類型，一種是派生型，是由兩臺(tái)隔離開關(guān)組合而成的，另一種是專用型，整體開發(fā)設(shè)計(jì)，具有可靠性高，性能優(yōu)異，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，是未來PC級(jí)ATSE的發(fā)展趨勢(shì)。而機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性是決定了其技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵因素。因此通過有限元分析優(yōu)化各參數(shù)具有重大的意義[1,2]。

本文主要闡述產(chǎn)品在進(jìn)行機(jī)械壽命測(cè)試時(shí)，較多部件存在磨損，運(yùn)動(dòng)部件與基座發(fā)生碰撞。通過運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真來合理配比彈簧參數(shù)以及控制運(yùn)動(dòng)限位，以減輕磨損、避免碰撞，從而達(dá)到提高產(chǎn)品機(jī)械壽命的目的。

2 建模與描述

自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器是一個(gè)比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，建模時(shí)應(yīng)盡量簡(jiǎn)化模型的規(guī)模，對(duì)分析影響不大的部件或特征都可以被忽略掉，主要由驅(qū)動(dòng)齒輪組、主軸傳動(dòng)部分、驅(qū)動(dòng)彈簧、聯(lián)動(dòng)件、觸頭部件及殼體等零件組成。合閘：驅(qū)動(dòng)齒輪動(dòng)主軸傳動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)彈簧被壓縮，當(dāng)過死點(diǎn)之后機(jī)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)彈簧的作用下完成合閘。分閘的過程與合閘類似，只是與驅(qū)動(dòng)彈簧產(chǎn)生的動(dòng)力反向。在Creo軟件中建立模型，簡(jiǎn)化模型如圖1所示，通過與ANSYS Workbench 軟件的接口導(dǎo)入 ANSYS Workbench中。

圖1 簡(jiǎn)化模型

3 仿真分析

3.1 驅(qū)動(dòng)彈簧力分析

觸頭壓簧做功計(jì)算：安裝位的彈簧力為45N，工作時(shí)壓縮增量為0.6mm，可計(jì)算出四組彈簧在合閘時(shí)總做功222N·mm。

動(dòng)觸頭做功計(jì)算：在靜摩擦系數(shù)為0.2、動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1的情況下，對(duì)動(dòng)觸頭的切向力、速度、時(shí)間進(jìn)行積分，并通過降低動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)速度，確保計(jì)算準(zhǔn)確性。

動(dòng)觸頭做功約為492.8N，此外，動(dòng)觸頭對(duì)靜觸頭的摩擦力做功（動(dòng)觸頭做功-觸頭壓簧做功）約為

270.8N。

當(dāng)觸頭壓簧安裝位的彈簧力為45N，剛度為4.17N·mm（設(shè)計(jì)值），分析不同驅(qū)動(dòng)彈簧力下（剛度不變）的分閘時(shí)間、合閘時(shí)間，分離時(shí)間以及效能轉(zhuǎn)換率（驅(qū)動(dòng)彈簧做功與動(dòng)觸做功的比值）。分離時(shí)間為分閘過程中的一部分，不同彈簧力下的統(tǒng)計(jì)分析表見表1。

表1 不同彈簧力下的統(tǒng)計(jì)分析表

根據(jù)表1內(nèi)容數(shù)據(jù)散點(diǎn)值進(jìn)行擬合，如圖2、圖3所示。驅(qū)動(dòng)彈簧力在40~50N時(shí)，分閘時(shí)間、合閘時(shí)間及效能的斜率變化較大，可作為兼顧機(jī)械壽命及電壽命的選擇。(注：文中驅(qū)動(dòng)彈簧力為平均到每個(gè)觸頭的力。)

圖2 合閘時(shí)間擬合圖

圖3 效能似合圖

3.2 動(dòng)能分析

根據(jù)機(jī)構(gòu)各個(gè)部件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，計(jì)算在驅(qū)動(dòng)彈簧力為84N時(shí)各部件的動(dòng)能，其中觸頭端包含動(dòng)觸頭、動(dòng)觸頭外殼、轉(zhuǎn)盤等部件，驅(qū)動(dòng)端包含與主彈簧保持固定接觸的各部件。共分析兩個(gè)時(shí)刻的動(dòng)能：t1時(shí)刻為合閘動(dòng)作中，動(dòng)靜觸頭完成嚙合后的最大相對(duì)速度，t2時(shí)刻為動(dòng)靜觸頭分離過程中的最大收尾速度。

驅(qū)動(dòng)初始力為84N時(shí)，t1、t2時(shí)刻各部件動(dòng)能見表2。t1時(shí)刻，相比驅(qū)動(dòng)彈簧做功2.361J，在完成嚙合動(dòng)作后，機(jī)構(gòu)仍有47.18%的剩余動(dòng)能；t2時(shí)刻，剩余動(dòng)能69.64%，單個(gè)觸頭的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能占比為7.05%。

表2 驅(qū)動(dòng)力初始力為84N時(shí)各部件動(dòng)能

驅(qū)動(dòng)初始力為50N時(shí)，t1、t2時(shí)刻各部件動(dòng)能見表3。相比驅(qū)動(dòng)彈簧做功1.783J，剩余動(dòng)能45.04%；t2時(shí)刻，剩余動(dòng)能63.05%，單個(gè)觸頭的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能占比6.42%。

表3 驅(qū)動(dòng)力初始力為50N時(shí)各部件動(dòng)能

根據(jù)動(dòng)能計(jì)算結(jié)果，可以得出：

1）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)末端（4個(gè)）擁有最大的動(dòng)能，其次為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的初始端，機(jī)構(gòu)末端（單個(gè)）動(dòng)能最小。

2）t2時(shí)刻為最大動(dòng)能時(shí)刻，缺少動(dòng)靜觸頭的接觸作為緩沖，剛性沖擊和零件變形量最大。

3.3 機(jī)構(gòu)限位

由于存在生產(chǎn)誤差和裝配誤差，四個(gè)動(dòng)觸頭限位不可能同時(shí)起作用，故對(duì)最先產(chǎn)生接觸的部件進(jìn)行能量分析。

驅(qū)動(dòng)彈簧初始力為84N，分閘時(shí)，不同第一限位下分閘承受能量占比見表4。

表4 不同第一限位下分閘時(shí)承受能量占比

1）根據(jù)計(jì)算結(jié)果分閘時(shí)的剩余動(dòng)能要大于合閘，減少分閘時(shí)的剩余能量為首要目標(biāo)；

2）優(yōu)先將連桿限位作為最先接觸，其次將傳遞盤限位作為最先接觸，能有效降低觸頭支架的齒輪及外壁上的沖擊能量；

3）主彈簧P1值為零，僅靠P2值也能使機(jī)構(gòu)正常工作，所以主彈簧力的大小主要受電壽命的限制，以及對(duì)觸頭磨損后摩擦力上升等因素的考量。

4）降低主彈簧力能有效降低分閘時(shí)的剩余能量，且P1從85N降至40N，分閘時(shí)間只降了0.5ms（分離時(shí)間降0.2ms）。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文的研究是為了提高產(chǎn)品的機(jī)械壽命，為了驗(yàn)證仿真模型和仿真方法的有效性，對(duì)兩組不同的開關(guān)進(jìn)行壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相同。

5 結(jié)束語

應(yīng)用ANSYS Workbench的SHAPE FINDER功能，對(duì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，通過對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，在保證產(chǎn)品性能的前提下，減輕了對(duì)結(jié)構(gòu)件的沖擊，從而提高了機(jī)械壽命，為整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種高效、可行的方法。