CN114329845B - 一种基于制造参数的微型断路器动作可靠性预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于制造参数的微型断路器动作可靠性预测方法，所述方法如下：1)确定造成产品动作特性退化的关键铰链、失效阈值；2)将孔与轴的初始间隙作为初始制造参数；3)建立多体动力学模型；4)计算第一周期内磨损造成的孔与轴间隙增长量；5)将孔与轴间隙增长量与初始间隙加和作为新的制造参数；6)计算本周期内磨损造成的孔与轴间隙增长量；7)将孔与轴间隙增长量与初始间隙加和作为新的制造参数，记录工作周期内断路器的动作特性退化情况；8)结合阈值计算该批次断路器的动作可靠性。本发明能根据断路器生产过程中所记录的零件制造参数预测产品的动作可靠性，将产品的退化预测与生产过程紧密连接。

Description

一种基于制造参数的微型断路器动作可靠性预测方法

技术领域

本发明属于断路器设计技术领域，涉及一种断路器动作可靠性退化预测方法，具体涉及一种基于制造参数的磨损模型的微型断路器动作可靠性预测方法。

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。断路器的动作特性是其重要性能之一，在工作时会因磨损发生退化，使其工作性能和保护电路的能力降低。近年来，随着电力系统及航空航天等相关领域的发展，人们对断路器的动作可靠性提出越来越高的要求，在设计断路器时有必要对其动作可靠性进行预估。受工艺能力的影响，断路器内的零件尺寸及性能存在波动，这种波动称为制造参数。当断路器动作到一定次数后，零件的磨损使制造参数进一步远离设计值，使动作特性受到影响。因此，在预测断路器的动作可靠性时需要考虑制造参数的影响。

工程中常用的断路器动作可靠性预测方法主要有实验法和数值计算法，其中：实验法根据批量样本的寿命实验结果形成产品的可靠性预测模型，计算精度与样本数量直接相关，消耗大量的实验成本；数值计算法的精度高但计算效率低，在考虑产品的制造参数时需要大量的计算，不适用于批量化产品的可靠性评估。因此，以上两种动作特性退化预测方法不易直接应用于工业生产领域。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种基于制造参数的微型断路器动作可靠性预测方法。该方法能够根据少量样品的制造参数，通过多体动力学模型和Archard模型获得由磨损造成的断路器动作特性退化状态。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于制造参数的微型断路器动作可靠性预测方法，包括如下步骤：

步骤1)根据断路器的工作原理确定造成产品动作特性退化的关键铰链，并确定动作特性的失效阈值；

步骤2)在产品的制造过程中记录关键铰链内孔和轴的初始尺寸，将计算得到的孔与轴的初始间隙作为初始制造参数；

步骤3)根据断路器的工作原理建立考虑制造参数的多体动力学模型；

步骤4)计算初始制造参数影响下的断路器初始动作特性，并使用Archard模型计算第一周期内磨损造成的孔与轴间隙增长量；

步骤5)将孔与轴间隙增长量与初始间隙加和作为新的制造参数，替换多体动力学模型中的旧制造参数；

步骤6)使用多体动力学模型计算新的制造参数影响下的动作特性，使用Archard模型计算本周期内磨损造成的孔与轴间隙增长量；

步骤7)将孔与轴间隙增长量与初始间隙加和作为新的制造参数，重复进行步骤6中的计算直到断路器的目标工作周期，记录工作周期内断路器的动作特性退化情况；

步骤8)在完成批次断路器的退化计算后，统计工作周期时的动作特性情况，结合阈值计算该批次断路器的动作可靠性。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明提出一种使用断路器内各铰链间隙作为制造参数估算其动作特性退化过程的计算方法，能够在工厂的制造过程中对产品的动作可靠度进行预测；

2、本发明通过多体动力学和Archard模型相结合的技术手段，解决了现有方法耗费实验和计算成本的问题，具有较高的实际应用价值。

3、本发明能够根据断路器生产过程中所记录的零件制造参数预测产品的动作可靠性，将产品的退化预测与生产过程紧密连接。

附图说明

图1为本发明的计算原理图；

图2为常见的微型断路器结构图；

图3为铰链接触形式示意图；

图4为1#样品中各铰链内孔与轴间的接触力随时间的变化；

图5为铰链磨损深度随工作周期的变化；

图6为锁定力矩分布随工作周期的变化；

图7为锁定可靠性随工作周期的变化。

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制造参数的微型断路器动作可靠性预测方法，所述方法的具体实施步骤如下：

步骤1)根据断路器的工作原理确定造成产品动作特性退化的关键铰链，并根据产品的物理样机试验结果确定动作特性的失效阈值。

步骤2)如图1所示，在产品的制造过程中记录关键铰链内孔和轴的初始尺寸，将计算得到的孔与轴的初始间隙x_n作为初始制造参数，x_n＝R_i-r_i，R_i为孔半径，r_i为轴半径。

步骤3)根据断路器的工作原理建立考虑制造参数的多体动力学模型，具体建立过程如下：当孔与轴的轴心距离小于初始间隙时，认为孔与轴间不发生接触；当孔与轴的轴心距离等于初始间隙时，认为孔与轴间刚刚接触；当孔与轴的轴心距离大于初始间隙时，认为轴心距离-初始间隙为孔与轴间的侵入深度，侵入深度×接触刚度即为孔与轴之间的接触力。

步骤4)如图1和图2所示，计算初始制造参数影响下的断路器初始动作特性，并使用Archard模型计算第一周期内磨损造成的孔与轴间隙增长量，具体步骤如下：

(1)以时间为变量，记录孔与轴之间的接触合力Fi，接触合力在平面坐标系上的投影为Fx和Fy；

(2)通过三角函数根据Fx和Fy获得时间与接触力角度变化的情况；

(3)使用接触合力Fi和孔与轴间的相对线速度vi，根据Archard公式(5)计算时间与间隙增长量(磨损深度dh)变化的情况，最终获得间隙增长量(孔的磨损量)随接触力角度变化的曲线(图5)(孔上的接触位置)。

在对连杆系统的动作特性进行计算时，需要通过对测量零件样品获得各铰链的初始间隙x_n，根据铰链的转动角度θ查找对应的孔与轴的间隙x输入到多体动力学模型中，计算v_i、孔轴间的接触合力F_i、F_i在x和y坐标轴上的投影F_x与F_y。基于Archard方程使用v_i、F_i、F_x和F_y计算铰链的转动角度θ_origin和它对应的磨损深度h_origin。多体动力学计算可以通过方程(1)表示：

在方程(1)中，M₀为各零件受到的合力矩，ω₀为扭簧的压缩角度，F_μi为各零件间的摩擦力，ω_i为零件的角速度，J_i为各零件的转动惯量，ρ为各材料密度，Vi为各零件体积，v_i为孔与轴间的相对线速度。为描述含有间隙的孔与轴间的接触状态，使用Hertz方程将孔和轴间的接触力视作一个含阻尼的压缩弹簧，通过孔与轴间的轴心距离和孔与轴间的距离x_origin计算孔和轴间的接触力F_i和摩擦力F_μi：

F_μi＝-μ_i(v_i)F_i (3)；

在方程(2)中，k_i为接触刚度，x₀＝R_i-r_i，当x₀≥0时孔与轴间不发生接触，R_i和r_i分别为孔与轴的半径，e为力指数，对于金属间的接触可以认为e＝1.5，D为碰撞过程中的阻尼系数，δ为孔和轴间的相对碰撞速度。

在方程(3)中，μ_i为孔和轴之间的摩擦系数。

接触刚度k_i的计算过程如下：

在方程(4)中，υ_i,j为材料的泊松比，E_i,j为材料的弹性模量。

h的计算方程(5)基于Archard模型建立，方程(5)中，p_i为孔和轴间的接触压强，E^*为等效弹性模量，由材料的弹性模量和泊松比计算，L_i为孔零件的厚度，R_i ^*为等效接触半径，K为磨损系数，H为材料的硬度，v_n为孔和轴之间接触点的相对切向线速度。

在描述每个孔的磨损状态时，需要以各孔的轴心为原点在x-y平面建立每个孔的直角坐标系。通过F在直角坐标系x轴和y轴上的投影分量F_x及F_y，可以计算接触位置相对该孔的圆心角度θ＝arctan(F_x/F_y)。为使角度与磨损深度的对应结果更加均匀，需要找出θ_origin的开始角度θ_start和结束角度θ_end，并以1°为步长重新划分获得θ’。使用h_origin,θ_origin训练神经网络，预测θ’对应的h’。根据Hertz方程，孔与轴的接触形式为面接触。使用接触合力F_i所计算的结果中未考虑接触开始区域和接触结束区域部分的磨损深度，需要通过曲率外推进行补充。O_hole为孔的圆心位置，当半径为r_i的轴在半径为R_i的孔内发生逆时针转动时，O_shaft和O_shaft分别为磨损开始和结束时轴的轴心位置。磨损区域的起始深度和结束深度分别为h_start和h_end，结合r_i计算开始区域的开始角度θ_start’和结束区域的结束角度θ_end’，并通过三角函数获得开始区域和结束区域中圆心角度与磨损深度的对应集合(h_start’，_end’,θ_{start’，end’})。将计算获得的磨损结果(θ’,h’)，曲率外推的磨损结果(h_{start’，end’},θ_{start’，end’})，未发生磨损区域的磨损深度(0,θ_else)和本周期的接触间隙[x_n]组合，获得本周期内孔圆心角与接触间隙的对应集合(x_n+1，θ_i)。

在方程(6)中，h_orign表示某铰链在转动角度为θ_orign时所对应的磨损深度，f^l为隐藏层2和输出层之间的线性传递函数，f^s是输入层与隐藏层1、隐藏层1和隐藏层2之间的传递函数，ω表示各层之间的连接权重。在完成神经网络的训练后，以1°为步长在θ_orign中重新划分出获得θ’，并通过神经网络计算出对应的h’。

[h_origin]＝f^l(∑ω₃f^s(∑ω₂f^s(∑ω₁f^s[θ_orign]))) (6)

步骤5)在未达到目标的计算周期时将(x_n+1，θ_i)代替(x_n，θ)输入到下一周期的计算中，以模拟发生磨损后系统的多体动力学初始条件。重复进行该计算直到断路器的目标工作周期，记录工作周期内断路器的动作特性退化情况。

步骤6)使用多体动力学模型计算新的制造参数影响下的动作特性，使用Archard模型计算本周期内磨损造成的孔与轴间隙增长量。

步骤7)将孔与轴间隙增长量与初始间隙加和作为新的制造参数，重复进行步骤6中的计算直到断路器的目标工作周期，记录工作周期内断路器的动作特性退化情况。

步骤8)在完成批次断路器的退化计算后，统计工作周期时的动作特性情况，结合阈值计算该批次断路器的动作可靠性。

下面结合具体实例描述本方法的实施过程：

针对某型号的单相微行断路器，计算其工作到10000次时的锁定可靠性，其内部结构如图2所示。具体计算步骤如下：

1)根据断路器的工作原理确定造成产品锁定力矩M_L退化的关键铰链为图2中的①～⑦，根据前期实验确定锁定力矩M_O的失效阈值为0.2N·mm。

2)在产品的制造过程中记录20支产品关键铰链内孔和轴的初始尺寸，将计算得到的孔与轴的初始间隙作为制造参数。

3)根据断路器的工作原理建立考虑制造参数的多体动力学模型。

4)计算初始制造参数影响下的断路器初始动作特性，1#样品中各铰链内孔与轴间的接触力随时间的变化如图3所示。使用Archard模型计算第一周期内磨损造成的孔与轴间隙增长量。

5)将孔与轴间隙增长量与初始间隙加和作为新的制造参数，替换多体动力学模型中的旧制造参数。

6)使用多体动力学模型计算新制造参数影响下的动作特性，使用Archard模型计算本周期内磨损造成的孔与轴间隙增长量，将孔与轴间隙增长量与初始间隙加和作为新的制造参数，重复进行该计算直到10000个工作周期，记录工作周期内断路器锁定力矩的退化情况。铰链孔①～⑦在10000个工作周期内的磨损深度变化如图4所示。

7)在完成批次断路器的退化计算后，统计工作周期时的动作特性情况，锁定力矩M_L的退化分布如图5所示。结合阈值计算该批次断路器的动作可靠性，该结果如图6所示。

Claims (3)

1.一种基于制造参数的微型断路器动作可靠性预测方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤1)根据断路器的工作原理确定造成产品动作特性退化的关键铰链，并确定动作特性的失效阈值；

步骤2)在产品的制造过程中记录关键铰链内孔和轴的初始尺寸，将计算得到的孔与轴的初始间隙作为初始制造参数；

步骤3)根据断路器的工作原理建立考虑制造参数的多体动力学模型，具体步骤如下：当孔与轴的轴心距离小于初始间隙时，认为孔与轴间不发生接触；当孔与轴的轴心距离等于初始间隙时，认为孔与轴间刚刚接触；当孔与轴的轴心距离大于初始间隙时，认为轴心距离-初始间隙为孔与轴间的侵入深度，侵入深度×接触刚度即为孔与轴之间的接触力；

步骤4)计算初始制造参数影响下的断路器初始动作特性，并使用Archard模型计算第一周期内磨损造成的孔与轴间隙增长量；

步骤5)将孔与轴间隙增长量与初始间隙加和作为新的制造参数，替换多体动力学模型中的旧制造参数；

步骤6)使用多体动力学模型计算新的制造参数影响下的动作特性，使用Archard模型计算本周期内磨损造成的孔与轴间隙增长量；

步骤7)将孔与轴间隙增长量与初始间隙加和作为新的制造参数，重复进行步骤6中的计算直到断路器的目标工作周期，记录工作周期内断路器的动作特性退化情况；

步骤8)在完成批次断路器的退化计算后，统计工作周期时的动作特性情况，结合阈值计算该批次断路器的动作可靠性。

2.根据权利要求1所述的基于制造参数的微型断路器动作可靠性预测方法，其特征在于所述步骤4)的具体步骤如下：

(1)以时间为变量，记录孔与轴之间的接触合力F_i，接触合力在平面坐标系上的投影为Fx和Fy；

(2)通过三角函数根据Fx和Fy获得时间与接触力角度变化的情况；

(3)使用接触合力F_i和孔与轴间的相对线速度vi，根据Archard公式计算时间与间隙增长量变化的情况，最终获得间隙增长量随接触力角度变化的曲线。

3.根据权利要求2所述的基于制造参数的微型断路器动作可靠性预测方法，其特征在于所述Archard公式为：

其中，p_i为孔和轴间的接触压强，E^*为等效弹性模量，L_i为孔零件的厚度，R_i ^*为等效接触半径，dh为磨损深度，K为磨损系数，H为材料的硬度，v_n为孔和轴之间接触点的相对切向线速度。

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