CN107515985A - 一种用于低压断路器振动激励失效的力学分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于低压断路器振动激励失效的力学分析方法，其包括如下步骤：a)建立低压断路器的力学特性模型，包括如下操作步骤：①对振动激励下的低压断路器进行力学分析；②对经过步骤①力学分析后的低压断路器进行数学建模；③对建立的低压断路器的数学模型确定边界条件；b)分析低压断路器在振动激励下的响应特性。本发明首次提供了一种用于低压断路器振动激励失效的力学分析方法，通过建立低压断路器的数学模型、研究振动激励与低压断路器之间的力学关系，从而可掌握振动激励对低压断路器力学性能的影响，进而统计在外部环境和自身内部振动激励的影响下低压断路器的失效特性，为变载荷下载运工具的可靠性测试提供理论依据。

Description

一种用于低压断路器振动激励失效的力学分析方法
技术领域
本发明是涉及一种用于低压断路器振动激励失效的力学分析方法。
背景技术
低压断路器是一种不仅可以接通和分断正常负荷电流和过负荷电流，还可以接通和分断短路电流的开关电器。低压断路器在电路中除起控制作用外，还具有一定的保护功能，如过负荷、短路、欠压和漏电保护等。低压断路器作为高速载运工具中量大面广的元器件，对其品质和性能要求也越来越高，不仅需要其在静态条件下正常运行，还要能够在振动条件甚至冲击条件下安全适用。由于载运工具的可靠性基本上取决于所用元器件的可靠性，往往只要其中一个元器件发生故障，极有可能造成重大人身伤亡事故和经济损失，因此，低压断路器失效的问题是人们极为关注的问题，对载运工具的可靠性影响极大。
而载运工具在运行过程中，由发动机工作产生的振动以及地面不平、运动方向的变化、传动系的不平衡、紧急刹车等情况都会引起变载荷。随着载运工具速度的不断提高，变载荷的状态愈发严峻，载用低压断路器所处的振动环境更加激烈。根据资料显示，变载荷环境下低压断路器的可靠性大幅度降低，从而导致相应设备的故障率提高近12％。因此，研究基于变载荷下载用低压断路器的可靠性技术，将对测试载运工具的可靠性具有十分重要意义，但至今未见相关技术的报道。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题和需求，本发明的目的在于提供一种用于低压断路器振动激励失效的力学分析方法，通过建立低压断路器的数学模型、研究振动激励与低压断路器之间的力学关系，从而掌握振动激励对低压断路器力学性能的影响，进而统计在外部环境和自身内部振动激励的影响下低压断路器的失效特性，为变载荷下载运工具的可靠性测试提供理论依据。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于低压断路器振动激励失效的力学分析方法，包括如下步骤：
a)建立低压断路器的力学特性模型，包括如下操作步骤：
①对振动激励下的低压断路器进行力学分析；
②对经过步骤①力学分析后的低压断路器进行数学建模；
③对建立的低压断路器的数学模型确定边界条件；
b)分析低压断路器在振动激励下的响应特性。
作为优选方案，步骤①所述的力学分析包括惯性力、阻尼力及弹性力。
作为优选方案，步骤②采用牛顿第二定理进行数学建模。
作为优选方案，步骤③对建立的低压断路器的数学模型施加一个弹性预紧力的边界条件约束。
作为优选方案，将振动激励下的低压断路器简化为倒立摆系统，将低压断路器的动触头简化为倒立摆，将振动台简化为小车，利用牛顿第二定律建立的力学模型为：
其中：
M为小车(即：振动台)的质量；m为倒立摆(即：低压断路器的动触头)的质量；
x为小车水平方向的位移；为小车水平方向的速度；为小车水平方向的加速度；
c1为小车的阻尼系数；k1为小车的弹簧系数；l为倒立摆的长度；θ为倒立摆相对水平方向的倾斜角；为角速度；为角加速度；F为小车受到的外载荷；J为倒立摆绕质心O点的转动惯量；NB为B点所受到的倒立摆对它的压力；T为断路器动触头的平均预紧力偶；g为重力加速度；如果低压断路器的动触头与静触头脱开，则δ＝0，否则δ＝1。
作为优选方案，将力学模型的初始位置定义为低压断路器的两触头为闭合状态，将倒立摆的B端脱离小车产生相对运动，即：低压断路器的动触头与静触头为分开状态，视为低压断路器一种失效形式。
作为优选方案，步骤b)首先对低压断路器实行加载谐波激励载荷，然后通过将简谐激励转换成傅立叶级数后查看低压断路器的触头所产生的相对位移以判断是否发生了脱扣现象(即失效形式)，即：若未发生相对位移，表示倒立摆B端与小车相接触；若发生相对位移，表示倒立摆的B端脱离小车，发生了脱扣现象(即失效形式)。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明首次提供了一种用于低压断路器振动激励失效的力学分析方法，通过建立低压断路器的数学模型、研究振动激励与低压断路器之间的力学关系，从而可掌握振动激励对低压断路器力学性能的影响，进而统计在外部环境和自身内部振动激励的影响下低压断路器的失效特性，为变载荷下载运工具的可靠性测试提供了理论依据。
附图说明
图1是实施例所述低压断路器的结构示意图；
图2是实施例对低压断路器在振动环境下的力学系统简化为倒立摆系统的示意图；
图3是实施例对简化的倒立摆系统进行力学分析的示意图；
图4是实施例得到的低压断路器在振动激励下的加速度幅值与频率分布关系图。
图中标号示意如下：1、低压断路器的静触头；2、低压断路器的动触头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细阐述：
实施例
一种用于低压断路器振动激励失效的力学分析方法，所述低压断路器的结构如图1所示，包括静触头1和动触头2，所述力学分析方法包括如下步骤：
a)建立低压断路器的力学特性模型，具体为：
①对振动激励下的低压断路器进行力学分析，分析低压断路器在振动激励下实际的受力情况并获知各种力学特性参数，在进行力学分析前，首先将低压断路器在振动环境下的力学系统简化为图2所示的倒立摆系统，其中的振动环境由振动台提供，将振动台简化为小车，将低压断路器的动触头2简化为倒立摆；然后对简化的倒立摆系统进行力学分析，得到图3所示的力学分析图；
②对经过步骤①力学分析后的低压断路器进行数学建模；
根据图3所示的力学分析图，利用牛顿第二定律，首先对小车建立如下力学方程：
式中：
x为小车水平方向的位移；为小车水平方向的速度；为小车水平方向的加速度；M为小车(即：振动台)的质量；g为重力加速度；FAx、FAy与NB分别为倒立摆在A点受到的水平方向的力、垂直方向的力及B点所受到的倒立摆对它的压力；F1与F2分别为地面对小车的支撑力；c1为小车的阻尼系数；k1为小车的弹簧系数；fB为倒立摆在B点受到的摩擦力；F为小车受到的外载荷。
再利用牛顿第二定律对倒立摆建立如下力学方程：
式中：xo与yo分别为倒立摆质心O点在水平方向与垂直方向的位移，且 与分别为倒立摆质心O点在水平方向与垂直方向的加速度；m为倒立摆(即：低压断路器的动触头)的质量；J为倒立摆绕质心O点的转动惯量；θ为倒立摆相对水平方向的倾斜角；为角加速度；l为倒立摆的长度；T为断路器动触头的平均预紧力偶；对xo与yo进行两次微分可得到：
联立方程式(1)、(2)与(3)可得到：
由于断路器的动触头与静触头分开现象视为断路器的一种失效形式，而此状态下，倒立摆的B端将脱离小车产生相对运动，因此，当倒立摆的B端脱离小车时，NB＝0；当倒立摆的B端与小车相接触时，即：断路器的动触头与静触头相闭合时，小车与倒立摆具有相同的位移、速度与加速度，在此状态下，小车与倒立摆不发生相对运动；因而可得到上述两种状态下的力学方程组为：
1)当倒立摆的B端与小车相接触时，即：断路器的动触头与静触头相闭合时：
2)当倒立摆的B端脱离小车产生相对运动时，即：断路器的动触头与静触头分开发生失效时：
由于倒立摆在运动过程当中，发生旋转角位移非常小，因此可以对系统力学方程进行简化，即当θ≈0，得到：最后将方程(7)代入方程(5)和方程(6)，即得到小车-倒立摆系统在外激励下的力学模型方程式：
上述式中：为角速度；如果低压断路器的动触头与静触头脱开，则δ＝0，否则δ＝1。
③对建立的低压断路器的数学模型确定边界条件；
本实施例将低压断路器结构中保持稳定的弹簧力设为预紧力偶T，初始位置定义为低压断路器的两触头为闭合状态，并且各力学性能参数为：
b)分析低压断路器在振动激励下的响应特性
首先对低压断路器实行加载谐波激励载荷，然后通过将简谐激励转换成傅立叶级数后查看低压断路器触头所产生的相对位移，观察其是否发生了脱扣现象。
由所述的低压断路器触头在振动冲击下发生的相对位移可得知：相对低压断路器加载的简谐激励，触头输出的相对位移具有非线性特性。
另外，根据分析结果可以得知：从使低压断路器脱扣的最小激励加速度与激励频率的频率分布图(详见图4所示)看，低压断路器在85Hz需要脱扣的加速度幅值最大。因此说明，通过本发明方法可对低压断路器在振动激励下失效形式进行分析研究，从而为变载荷下载用低压断路器的可靠性测试提供理论支持和依据。
最后有必要在此指出的是，上述说明只用于对本发明的技术方案作进一步详细说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于低压断路器振动激励失效的力学分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)建立低压断路器的力学特性模型，包括如下操作步骤：
①对振动激励下的低压断路器进行力学分析；
②对经过步骤①力学分析后的低压断路器进行数学建模；
③对建立的低压断路器的数学模型确定边界条件；
b)分析低压断路器在振动激励下的响应特性。
2.根据权利要求1所述的力学分析方法，其特征在于：步骤①所述的力学分析包括惯性力、阻尼力及弹性力。
3.根据权利要求1所述的力学分析方法，其特征在于：步骤②采用牛顿第二定理进行数学建模。
4.根据权利要求1所述的力学分析方法，其特征在于：步骤③对建立的低压断路器的数学模型施加一个弹性预紧力的边界条件约束。
5.根据权利要求1所述的力学分析方法，其特征在于：将振动激励下的低压断路器简化为倒立摆系统，将低压断路器的动触头简化为倒立摆，将振动台简化为小车，利用牛顿第二定律建立的力学模型为：
其中：
M为小车，即：振动台的质量；m为倒立摆，即：低压断路器的动触头的质量；
x为小车水平方向的位移；为小车水平方向的速度；为小车水平方向的加速度；
c1为小车的阻尼系数；k1为小车的弹簧系数；l为倒立摆的长度；θ为倒立摆相对水平方向的倾斜角；为角速度；为角加速度；F为小车受到的外载荷；J为倒立摆绕质心O点的转动惯量；NB为B点所受到的倒立摆对它的压力；T为断路器动触头的平均预紧力偶；g为重力加速度；如果低压断路器的动触头与静触头脱开，则δ＝0，否则δ＝1。
6.根据权利要求5所述的力学分析方法，其特征在于：将力学模型的初始位置定义为低压断路器的两触头为闭合状态，将倒立摆的B端脱离小车产生相对运动，即：低压断路器的动触头与静触头为分开状态，视为低压断路器一种失效形式。
7.根据权利要求1所述的力学分析方法，其特征在于：步骤b)首先对低压断路器实行加载谐波激励载荷，然后通过将简谐激励转换成傅立叶级数后查看低压断路器的触头所产生的相对位移以判断是否发生了脱扣失效，即：若未发生相对位移，表示倒立摆B端与小车相接触；若发生相对位移，表示倒立摆的B端脱离小车，发生了脱扣失效。
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