摘 要：中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，各大城市之間的人流物流交往日益密切，隨著高鐵技術(shù)的發(fā)展，時(shí)空已經(jīng)不再成為人們交流的主要障礙。中國(guó)目前是世界上高鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)速最高的國(guó)家，高鐵已經(jīng)成為我國(guó)一到亮麗的風(fēng)景線。主斷路器作為高鐵動(dòng)車組的總開(kāi)關(guān)，其工作性能至關(guān)重要。本文利用SolidWorks建立主斷路器模型，采用ADAMS軟件對(duì)主斷路器進(jìn)行仿真分析，探究主斷路器彈簧的參數(shù)的最優(yōu)組合。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組 主斷路器 仿真

1 緒論

中國(guó)地大物博，陸地面積約960萬(wàn)平方千米，陸地面積是僅次于俄羅斯、加拿大的第三大國(guó)家。我國(guó)南北跨越約5500公里，東西跨越約5200公里。我國(guó)人口主要分布于中東部，大部分大城市位于沿海地帶，大城市與大城市直接的距離相對(duì)較遠(yuǎn)。我國(guó)是世界上第二大經(jīng)濟(jì)體，城市間的人流物流非常大，鐵路作為中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著不可代替的作用。交通強(qiáng)國(guó)，鐵路先行。我國(guó)鐵路客運(yùn)朝著快速化發(fā)展、鐵路貨運(yùn)重載化發(fā)展。目前，我國(guó)鐵路最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速最高達(dá)350km/h，是世界上高鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)速最高的國(guó)家。動(dòng)車組受電弓升弓后，電流經(jīng)受電弓流入動(dòng)車組主斷路器。主斷路器作為動(dòng)車組的電源的總開(kāi)關(guān)，是動(dòng)車組高壓電氣設(shè)備最重要的部分的之一，其性能影響著動(dòng)車組的安全運(yùn)行。因此，動(dòng)車主斷路器性能優(yōu)化研究成為各個(gè)國(guó)家研究熱點(diǎn)。

2 主斷路器的組成及工作原理

2.1 主斷路器的組成

主斷路器作為動(dòng)車組電源的總開(kāi)關(guān)，承擔(dān)著動(dòng)車組保護(hù)動(dòng)車組高壓電路和低壓電路保護(hù)的作用，主要由分流電流部分和機(jī)械動(dòng)作部分兩大部分組成；分流電流部分主要有滅弧室、靜觸頭和動(dòng)觸頭三大部分組成。分流電流的主要作用是控制正常電流的閉合和斷開(kāi)。由于動(dòng)車組采用工頻單相25kv的高壓電，在主斷路閉合和斷開(kāi)是會(huì)產(chǎn)生電弧，分流電流部分的另一功能是消除電弧。機(jī)械動(dòng)作部分主要功能是通過(guò)機(jī)械操動(dòng)部分控制主電路器觸頭合閘和分閘，控制正常電流的的開(kāi)斷和發(fā)生電路故障短路時(shí)保護(hù)電路。操動(dòng)部分主要有彈簧、液壓、氣動(dòng)、電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)具有穩(wěn)定性高、成本低和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用得最廣泛。

2.2 主斷路器的工作原理

動(dòng)車組主斷路器的動(dòng)作是靠空氣來(lái)進(jìn)行控制的，主斷路器動(dòng)作時(shí)所需要的空氣是由動(dòng)車組壓縮機(jī)組提供的，壓縮機(jī)組與主斷路器氣缸通過(guò)管路連接，壓縮機(jī)組產(chǎn)生的壓縮空氣通過(guò)連接管路到調(diào)壓閥，經(jīng)過(guò)調(diào)壓閥后進(jìn)入氣缸，給轉(zhuǎn)換閥提供空氣，同時(shí)壓力開(kāi)關(guān)檢測(cè)氣缸內(nèi)的氣壓，控制著氣缸的進(jìn)出氣。壓縮空氣到達(dá)調(diào)壓閥后，調(diào)壓閥將壓力調(diào)在483kPa～497kPa之間。調(diào)壓閥控制著主斷路器的電磁連接壓力開(kāi)關(guān)，當(dāng)調(diào)壓閥空氣壓力低于358kPa時(shí)，主斷路器開(kāi)關(guān)會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)。當(dāng)壓力大于390Kpa時(shí)，主斷路器才能自動(dòng)閉合。為了確保壓縮空氣經(jīng)轉(zhuǎn)換閥進(jìn)入氣缸，保證主斷路器主觸頭保持閉合狀態(tài)，電磁閥要確保始終保持通電狀態(tài)。輔助觸頭組裝的凸輪板會(huì)隨著主斷路器氣缸活塞移動(dòng)也相應(yīng)移動(dòng)，輔助觸點(diǎn)有 3 個(gè)常閉觸頭和3個(gè)常開(kāi)觸頭。

2.3 主斷路器合閘過(guò)程

當(dāng)動(dòng)車組受電弓升起后，司機(jī)室乘務(wù)員閉合主斷路器開(kāi)關(guān)，合閘指令傳遞到主斷路器，調(diào)壓閥氣壓滿足主斷路器閉合要求，轉(zhuǎn)換閥閥芯會(huì)由于壓縮空氣的推動(dòng)而打開(kāi)，壓縮空氣經(jīng)轉(zhuǎn)換閥進(jìn)入氣缸內(nèi)，推動(dòng)活塞動(dòng)作，活塞驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)盤(pán)，壓縮復(fù)位彈簧使靜觸頭和動(dòng)觸頭接觸，動(dòng)車組上的電路連通，復(fù)位彈簧和超程彈簧由于活塞的運(yùn)動(dòng)壓縮，當(dāng)壓緊塊與傳動(dòng)盤(pán)相接觸時(shí)，活塞就會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。

2.4 主斷路器分閘過(guò)程

當(dāng)需要斷開(kāi)主斷路器時(shí)，乘務(wù)員在司機(jī)按下主斷分按鈕，分閘指令經(jīng)列車總線傳遞到主斷路器，主斷路器收到分閘指令后電磁閥閥芯開(kāi)始動(dòng)作回到原位，截?cái)鄽飧椎墓夤苈酚捎谵D(zhuǎn)換閥芯回到原位被截?cái)啵財(cái)鄽飧字械目諝馀懦?，活塞因?fù)位彈簧恢復(fù)形變產(chǎn)生的推力推到底部位置，使動(dòng)觸頭和靜觸頭分離，此時(shí)復(fù)位彈簧和超程彈簧也回到初始安裝位置，動(dòng)車組主電路被斷開(kāi)。

3 主斷路器計(jì)算理論基礎(chǔ)

3.1 氣壓傳動(dòng)技術(shù)

氣動(dòng)控制型彈簧操動(dòng)式真空斷路器因其成本低，工作性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因而使用得最廣泛。動(dòng)控制型彈簧操動(dòng)式真空斷路器是利用壓縮機(jī)提供的壓縮空氣推動(dòng)主斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主斷路器合閘，利用彈簧機(jī)構(gòu)的復(fù)位實(shí)現(xiàn)主斷路器的分閘。氣動(dòng)傳動(dòng)主要用于搬運(yùn)、輸送和加工等機(jī)械設(shè)備。氣動(dòng)控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和降低成本，因其還具有安全、可靠、防火、高效等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展越來(lái)越迅速，應(yīng)用得越來(lái)越廣泛。

氣動(dòng)系統(tǒng)主要有氣源裝置、執(zhí)行元件、控制元件、氣動(dòng)輔件和工作介質(zhì)五部分組成。氣源裝置是指產(chǎn)生壓縮空氣的設(shè)備（動(dòng)車組空氣壓縮機(jī)），承擔(dān)著壓縮空氣的產(chǎn)生、輸送和儲(chǔ)存的功能，為氣動(dòng)系統(tǒng)管路提供合格的壓縮空氣；執(zhí)行元件是將一般指氣缸和氣馬達(dá)等設(shè)備，他們的功能是將氣源系統(tǒng)提供的壓縮空氣產(chǎn)生的空氣能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；控制元件是參與控制管路氣體的元件，如單相閥和節(jié)流閥等，控制氣體的流向、流量等。氣動(dòng)輔件是管路等輔助元件；工作介質(zhì)是指壓縮空氣，為氣動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力和能量。

在氣動(dòng)系統(tǒng)中，氣缸是儲(chǔ)存壓縮空氣的裝置，同時(shí)也是氣動(dòng)系統(tǒng)將空氣能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，使氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)和往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。通過(guò)控制壓縮空氣的流量、大小來(lái)控制氣動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)系統(tǒng)的氣缸工作參數(shù)可以通過(guò)職工空氣的流量和方向來(lái)控制。我國(guó)動(dòng)車組主斷路器合閘是利用氣缸的往復(fù)直線活塞運(yùn)動(dòng)。通過(guò)控制進(jìn)入氣缸的壓縮空氣，增大氣缸內(nèi)壓強(qiáng)，壓縮空氣推動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)合閘，當(dāng)排出氣缸內(nèi)空氣時(shí)，壓強(qiáng)減少，利用彈簧的復(fù)位裝置恢復(fù)彈性形變實(shí)現(xiàn)主斷路器的分閘

當(dāng)機(jī)車乘務(wù)員按下主斷分按鍵后，分閘指令傳遞到主斷路器，斷路器電磁閥工作，壓縮空氣從壓縮機(jī)組產(chǎn)生后經(jīng)管路進(jìn)入到氣缸，活塞的推力 F 和運(yùn)動(dòng)速度 V 可以分別表示為

F=P·A

（3-1）

V=Q/A

式中 P——作用在氣缸內(nèi)的氣體壓強(qiáng)

A——?dú)飧谉o(wú)桿腔活塞的面積

Q——?dú)飧變?nèi)氣體的流量

3.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)

虛擬樣機(jī)技術(shù)可以解決傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法研發(fā)周期長(zhǎng)、方案反復(fù)修改、試驗(yàn)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。相較于傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)必須經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)方案、樣機(jī)研制、樣機(jī)測(cè)試、樣機(jī)方案修改、重新進(jìn)行樣機(jī)試制和試驗(yàn)，得到最終滿意結(jié)果，最后再大批量生產(chǎn)上市虛擬樣機(jī)技術(shù)只有數(shù)字化物理樣機(jī)、功能虛擬樣機(jī)和虛擬工廠仿真三個(gè)部分，基于仿真技術(shù)面向系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。通過(guò)軟件物理樣機(jī)取代實(shí)體物理樣機(jī)，從而減少虛擬樣機(jī)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)間。解決產(chǎn)產(chǎn)品研發(fā)周期長(zhǎng)，降低設(shè)計(jì)成本，提升產(chǎn)品的性能。在計(jì)算機(jī)相應(yīng)軟件上建立產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)模型，通過(guò)仿真分析評(píng)估測(cè)試產(chǎn)品的工作性能，在評(píng)估測(cè)試產(chǎn)品的工作性能中及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的問(wèn)題，并通過(guò)修改設(shè)計(jì)方案解決產(chǎn)品的問(wèn)題。

利用虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)動(dòng)車組主斷路器，可以解決傳統(tǒng)主斷路器研發(fā)周期長(zhǎng)，研發(fā)成本高等問(wèn)題。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)主斷路器的方法，首先第一步是確定主斷路器的一組參數(shù)，建立生產(chǎn)主斷路器的第一臺(tái)樣機(jī)，然后測(cè)試其工作性能是否滿足需求，在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，歸納整理問(wèn)題再繼續(xù)修改設(shè)計(jì)方案，然后再生產(chǎn)制造物理樣機(jī)再進(jìn)行測(cè)試，不斷重復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題修改方案直至得到滿足要求的結(jié)果為止。而利用樣機(jī)虛擬技術(shù)，在計(jì)算機(jī)軟件上建立主斷路器的虛擬樣機(jī)模型，然后通過(guò)仿真測(cè)試主斷路器性能，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題就不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并在軟件上不斷測(cè)試，直到符合要求，然后再制造第一臺(tái)物理樣機(jī)加以實(shí)物驗(yàn)證，這樣不僅可以縮短設(shè)計(jì)成本，同時(shí)極大縮短時(shí)間，提升了設(shè)計(jì)主斷路器的設(shè)計(jì)效率。

4 主斷路器仿真模型

4.1 主斷路器三維仿真模型

SolidWorks是當(dāng)今應(yīng)用得最廣泛的三維建模軟件，它具有易于學(xué)習(xí)，易于操作和功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，可以解決復(fù)雜實(shí)體的三維建模、裝配和生成實(shí)體產(chǎn)品的二維圖紙。雖然ADAMS也可以建立一些比如圓柱體、球體和圓柱體等一些簡(jiǎn)單的圖形，ADAMS相較于專業(yè)的三維繪圖軟件在建模功能上相對(duì)較弱，對(duì)于主斷路器這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的實(shí)體模型建立模型十分困難，利用ADAMS對(duì)模型參數(shù)化分析比如彈簧要求自帶的模型庫(kù)進(jìn)行建模。利用SolidWorks建立主斷路器模型過(guò)于復(fù)雜，為了減少計(jì)算量和建模的難度，在不影響仿真結(jié)果的情況下，需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，保留主要的零部件刪除多余零部件，合并具有相同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的零部件。簡(jiǎn)化后的動(dòng)車組主斷路器模型如圖1所示。

4.2 動(dòng)車組主斷路器虛擬樣機(jī)模型

利用ADAMS 軟件迅速準(zhǔn)確搭建動(dòng)車組主斷路器虛擬樣機(jī)計(jì)算模型，運(yùn)用 ADAMS 與 AMESim 軟件聯(lián)合仿真數(shù)學(xué)計(jì)算模型，首先第一步先利用動(dòng)車組主斷路器現(xiàn)有的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，然后主斷路器實(shí)體試驗(yàn)結(jié)果分析比較，驗(yàn)證主斷路器仿真分析結(jié)果的正確性，確保后續(xù)的優(yōu)化分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

ADAMS不能直接使用利用SolidWorks 軟件建立的主斷路器三維圖形，因此先將主斷路器三維模型另存文件格式，文件格式為.Parasolid，然后從ADAMS 文件導(dǎo)入窗口導(dǎo)入主斷路器三維模型。導(dǎo)入模型后，定義主斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)各零部件的材料，從ADAMS文件庫(kù)中創(chuàng)建超程彈簧和復(fù)位彈簧。再對(duì)主斷路器施加約束和施加載荷。動(dòng)車組主斷路器虛擬樣機(jī)模型如圖2所示。

5 主斷路器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果可知，彈跳和合閘成正比例關(guān)系，合閘速度越快，彈跳也越大，反之，合閘速度越慢，跳彈也越小。合閘速度同時(shí)也會(huì)影響著主斷路器的使用壽命，當(dāng)合閘速度變大時(shí)，合閘觸頭觸頭的彈跳力會(huì)變大，過(guò)大的會(huì)影響合閘觸頭的使用壽命，從而影響主斷路器的使用壽命。合閘彈片的大小、氣缸的物理參數(shù)和工作氣壓是影響著合閘速度的主要因素，改變它們的參數(shù)就可以改變合閘速度。目前，主斷路器的合閘速度及彈力大小均處于一個(gè)合理期間，滿足使用要求，因此通過(guò)改變氣動(dòng)回路改變減少?gòu)椞臎](méi)有多大意義。

經(jīng)受電弓引入動(dòng)車組的電壓達(dá)25KV，因此在主電路器合閘期間，動(dòng)、靜觸頭在接觸后會(huì)由于高電壓產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力引起彈跳，為了減少?gòu)椞鲾嗦菲髟黾釉O(shè)置彈簧機(jī)構(gòu)減少振動(dòng)起到緩沖的作用。彈簧屬于操動(dòng)機(jī)構(gòu)的一部分，因此操動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)彈跳有很大影響，因此，研究彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化減少主斷路器合閘時(shí)彈跳有重要意義。實(shí)踐證明對(duì)合閘彈跳起到重要影響的是預(yù)載荷和彈簧的剛度，彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要部件為超程彈簧和復(fù)位彈簧。如果通過(guò)傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)主斷路器，就得事先生產(chǎn)制造多個(gè)不同組合的彈簧剛度組合，這樣就會(huì)延長(zhǎng)研發(fā)時(shí)間和成本。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以直接在軟件仿真分析彈簧剛度參數(shù)變化對(duì)彈跳的影響，尋找最佳的彈簧剛度組合。通過(guò)仿真分析可得：超程彈簧剛度為12361.7 N/m，超程彈簧預(yù)載荷80.6N，復(fù)位彈簧剛度11535.5N/m，復(fù)位彈簧預(yù)載荷 90.5 N。

基金項(xiàng)目：廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目《基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的動(dòng)車組主斷路器開(kāi)閉特性分析及優(yōu)化》項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號(hào)：2024KY1467。

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