CN109726467B

CN109726467B - 适用于断路器机构内各零件间相互作用力的快速计算方法

Info

Publication number: CN109726467B
Application number: CN201811601812.6A
Authority: CN
Inventors: 周学; 刘爽; 李东晖; 翟国富
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2021-12-31
Anticipated expiration: 2038-12-26
Also published as: CN109726467A

Abstract

本发明公开了一种适用于断路器机构内各零件间相互作用力的快速计算方法，所述方法步骤如下：步骤一、根据断路器内部各零部件的工作关系，构建断路器的各零件间的约束关系；步骤二、依照各零件间的约束关系确定关键零件，并忽略次要零部件，简化断路器整机模型，得到物理模型；步骤三、将物理模型简化为力学模型；步骤四、将力学模型转化为数学模型；步骤五、利用数学模型对集合中的元素进行处理，得到n个力学指标；步骤六、利用最小二乘法进行多项式拟合，得到某一影响因素的改变对机构中某力学指标的影响。该方法兼顾了计算效率和计算精度，通过最小二乘法可以准确、快速地评估公差对断路器内重要零部件的影响。

Description

适用于断路器机构内各零件间相互作用力的快速计算方法

技术领域

本发明属于断路器设计技术领域，涉及一种适用于断路器机构内各零件间相互作用力的计算方法。

背景技术

断路器在电路系统中起保护电路的作用，其性能直接关系到电路整体的安全性与稳定性，是重要的元器件。近年来随着电力系统及建筑等相关领域的发展，人们对断路器的机械可靠性提出了越来越高的要求，所以在设计断路器时有必要对其机械可靠性进行优化设计。断路器内重要零件的力学状态是评价断路器整机机械可靠性的重要指标。

目前，在计算断路器内重要零件的力学情况时，主要采用以下方法：(1)理论计算；(2)仿真计算。其中方法(1)的精度较低，未考虑因素较多，但计算较为简洁；方法(2)的精度虽然精确，但在对受到外界因素影响下的力学情况进行计算时，需要重复地对断路器的工作过程进行仿真计算，工作量较大。现有的方法不仅无法兼顾精度与效率，且未考虑实际加工中制造与装配误差所带来的影响。因此，一种能快速评估断路器机构内零件间相互作用力的方法是必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于断路器机构内各零件间相互作用力的快速计算方法。该方法能够考虑当存在公差影响时断路器机构中重要零部件力学情况的改变，兼顾了计算效率和计算精度，通过最小二乘法可以准确、快速地评估公差对断路器内重要零部件的影响，解决了现有设计过程中断路器力学计算方法不能同时兼顾计算效率及计算精度的问题，为断路器的优化设计提供捷径，且具有很好的实际应用和推广价值。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种适用于断路器机构内各零件间相互作用力的快速计算方法，包括如下步骤：

步骤一、根据断路器内部各零部件的工作关系，确定断路器内各零件间的约束关系；

步骤二、依照步骤一确定的各零件间的约束关系，将实际工作中发生过失效的零件确定为关键零件，并忽略断路器上的次要零部件，在保留关注区域的前提下对断路器整机模型进行简化，得到一个只留有关键零件、具备足够的力学计算特征的断路器物理模型；

步骤三、将步骤二中的断路器物理模型内的各零部件转化为有质量的块，并用二维杆系结构代替三维模型，通过杆系结构分析的方法得到一个能够对关键零件进行力学性能计算的断路器力学模型；

步骤四、确定断路器整机的力学指标和各二维杆的材料指标，将步骤三中的断路器力学模型利用各类力学计算公式转化为数学模型，其中：在转化力学模型中的非线性问题时，采用现有的多体动力学软件对给定边界条件下的接触力进行计算，再通过数据处理软件进行拟合，用拟合得到的函数替代此非线性问题，最终得到一个输入量为断路器整机的力学性能指标、输出量为关键零件主要力学指标的方程组；

步骤五、依照实际加工能力，确定某一影响因素的集合N，假定集合N内的元素个数为n，利用步骤四中已得到的数学模型对集合N中的元素进行计算，得到对应的n个力学指标；

步骤六、将步骤五中的n组采样点与n组力学指标组并用最小二乘法进行多项式拟合，通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，以得到某一影响因素的改变对机构中某力学指标的影响。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明将断路器操作机构的实物模型简化为物理模型，进而将物理模型转化为数学模型，并可得到受工艺公差影响时断路器内关键零件的力学指标变化情况。本发明中的方法相较于以往的计算方法更快，同时在计算过程中引入了工艺公差这一影响因素。

2、本发明采用理论计算与仿真计算相结合的方式，相较于以往的计算方法极大的减少了设计人员的工作量。

3、本发明基于最小二乘法建立断路器内部零件间的力学关系模型，可以计算当断路器内某一零件位置或几何尺寸发生波动时，断路器中各零件的受力情况以便优化分析，与传统方法相比其计算精度相差无几，但计算速度极大地增加。

4、本发明的方法同样适用于产线上的质量监管。在零件流入产线前，可以将零件的尺寸公差作为输入量，得到断路器的力学性能因输入量而发生的改变，对断路器整机的力学性能是否超差进行预估。

附图说明

图1为本发明适用于断路器机构内各零件间相互作用力的快速计算方法的流程图。

图2为发明中简化的物理模型，1-分闸半轴，2-合闸半轴，3-上连杆，4-储能杠杆，5-悬臂，6-下连杆，7-跳扣，8-凸轮，9-连杆，10-触点，11-触头。

图3为物理模型简化后的连杆平面图。

图4为数学模型计算流程图。

图5为断路器内打击杆受力情况随上连杆角度的变化情况。

图6为断路器内打击杆零件的受力情况与滚子公差波动的关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种基于最小二乘法的断路器力学特性快速计算方法，如图1所示，所述方法具体实施步骤如下：

一、根据断路器的设计图纸确定断路器内各零部件尺寸。根据断路器的实际工况确定断路器中各零件间的约束关系。依照断路器的设计要求，确定其力学输出指标要求。查找断路器内各零部件的材料力学性能参数。

二、忽略断路器中不参与力学计算的次要零件，简化断路器机构为物理模型，并确定关键零件：

(1)找出各零件间的约束关系核心区域中的易失效零件，并根据以往实验中出现过的机械失效问题，确定需要分析的关键零件；

(2)依照已得到的各零件间的约束关系，简化断路器模型，去除不影响力学计算的次要零件及不需要考虑力学性能的限位零件。

三、根据断路器内实际力学传递路径和工作过程，将步骤二中的断路器物理模型内的各零部件转化为有质量的块，并用二维杆系结构代替三维模型，将物理模型简化为力学模型。

四、对简化后的力学模型进行力学计算。根据各零件间的约束及驱动关系，求出断路器内的力学传递过程，将力学模型转化为数学模型。以断路器整机需要输出的指标为输入点，各零件的力学状态为输出点，完成数学模型对物理模型的替换。

五、依照实际加工能力，确定某一影响因素的可加工的公差范围为集合N，假定集合内的元素个数为n，n的取值根据精度要求。利用步骤三中的数学模型对集合N中的元素进行处理，可以得到n个力学指标(f₁,f₂,...f_n)。

六、将步骤五中的n组采样点与n组力学指标组并用最小二乘法进行多项式拟合，得到某一影响因素的改变对机构中某力学指标的影响。

针对某型号万能式断路器，计算其关键零件在工作过程中的载荷峰值，并求出在零件尺寸受公差影响时的力学状态波动。具体计算步骤如下：

一、根据断路器的设计图纸确定断路器内各零部件尺寸。根据断路器的实际工况确定断路器中各零部件间的约束关系。依照断路器的设计要求，确定触点在合闸时的接触压力F₁和弹簧拉力F₂。

二、找出机构中的易失效零件，并根据以往实验中出现过的机械失效问题，确定需要分析的关键零件。忽略断路器中不参与力学计算的次要零件，简化断路器机构为物理模型，并确定关键零件。此断路器的物理模型如图2所示。

三、根据各零件间的约束及驱动关系，求出断路器内的力学传递过程。将断路器二维平面机构简化为图3的平面连杆模型。其中，OA是机构中的触点压簧，OA受到的压力F₁大小、方向都已知。而块ABC是触头部件的一般分，A点受到弹簧的作用力，铰点B连接触头部分和悬臂并受二力杆BD的作用，C点与机构中固定件铰接。L₁和L₂分别是铰点C与铰点A、B间的长度，α₁为触头系统中连杆与水平方向的夹角，α₂为连杆与水平方向的夹角。

四、根据以下公式对简化后的力学模型进行力学计算：

F₁×L₁-F₃×(L₁-L₂×sinα₁)＝0 (1)

F₃×L₃×sinα₂+F₄×L₄×sinα₃+F₅×L₄×cosα₃＝0 (2)

F₄×L₅×cosα₄-F₅×L₅×sinα₄-F₂×L₅×cosα₄＝0 (3)

F₇+F₅-F₂＝F₄+F₆＝0 (4)

公式(1)中F₃为BD杆受到的压力，具体数值可由公式(1)求出，即得到触头与连杆间铰点力学状态，得到连杆与悬臂间铰点力学状态。块DEF是悬臂的简化模型，铰点D连接的是悬臂与连杆，铰点E连接的是悬臂与机构中的固定件，铰点F连接的是悬臂与上连杆，L₃和L₄分别是铰点E与铰点D、F间的长度，α₃是EF边与竖直方向的夹角。对于块DEF，在D点受BD杆的作用力，在E点与机构中固定件铰接，F点受已知弹簧作用力F₂和杆FG的作用。由块DEF可以得到公式(2)。对于下连杆FG的简化模型，铰点F连接的是悬臂与上连杆，铰点G连接的是上连杆与下连杆，L₅是下连杆的长度，α₄是下连杆与水平方向的夹角。由杆FG可以得到公式(3)。联立公式(2)、(3)，可以得到F₄和F₅，即F点水平和竖直方向的受力情况，即求得悬臂与下连杆铰点的力学状态。再对铰点G单独分析，可以得到G点水平和竖直方向的受力F₆和F₇，即上连杆与下连杆铰点的力学状态。块GHL是上连杆的简化模型，铰点G连接的是上连杆和下连杆，铰点H受到与水平方向角度为α₇的打击力F₈，L点连接上连杆与跳扣，L₆和L₇分别是铰点L与铰点H、G间的长度，α₅是下连杆与水平方向的夹角，α₆是下连杆中L₆和L₇之间的夹角。对于块GHL，在G点受FG杆的作用力，在L点的合力矩为零，可以得到公式(5)。可以求出铰点H受到与水平方向角度为α₇的打击力F₈，即得到目标零件打击杆的受力情况得到下连杆与储能杠杆接触点的力学状态。按照图4的推理关系，输入触点在合闸时的接触压力F，可以依次得到各个零件间的相互作用力，进而得到关键零件在断路器工作过程中的受力情况。

五、依照实际加工能力，确定关键零件尺寸公差的集合N(-0.5,+0.5)，设定集合内的元素个数为11。利用步骤四中的数学模型对集合N中的元素组合进行处理，可以得到11个力学指标(F₁,F₂,...F₁₁)。

六、将步骤五中的11组采样点与11组力学指标组并用最小二乘法进行多项式拟合，得到某一影响因素的改变对机构中某力学指标的影响。

七、利用传统方法进行计算，将结果与快速算法结果进行对比。对比结果包括断路器打击杆受力情况随上连杆角度的变化曲线(如图5所示)、断路器打击杆受力情况随滚子半径的变化曲线(如图6所示)。

由验证结果可知，快速计算结果与传统方法计算结果基本一致，各曲线误差均在5％以内。通过传统方法计算断路器各零件间受力情况需要反复绘制、更改三维模型，而本发明中的快速算法只需改变一些数字再进行求解，可见本发明的方法更加简便，更加节约时间。

Claims

1.一种适用于断路器机构内各零件间相互作用力的快速计算方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤二、依照步骤一确定的各零件间的约束关系，将实际工作中发生过失效的零件确定为关键零件，并忽略断路器上的次要零部件，在保留关注区域的前提下对断路器整机模型进行简化，得到一个只留有关键零件、具备力学计算特征的断路器物理模型；

2.根据权利要求1所述的适用于断路器机构内各零件间相互作用力的快速计算方法，其特征在于所述步骤二中，确定关键零件，并忽略断路器上的次要零部件的方法如下：

（1）找出各零件间的约束关系核心区域中的易失效零件，并根据以往实验中出现过的机械失效问题，确定需要分析的关键零件；

（2）依照已得到的各零件间的约束关系，简化断路器模型，去除不影响力学计算的次要零件及不需要考虑力学性能的限位零件。