计算机仿真在断路器操作机构设计中的应用

王豫

（新乡职业技术学院，河南 新乡 453000）

计算机仿真在断路器操作机构设计中的应用

王豫

（新乡职业技术学院，河南 新乡 453000）

通过运用计算机仿真技术，可以对断路器操作机构的运动过程进行精确仿真，甚至对其疲劳寿命加以预测，而在此基础上对设计方案进行调整和优化就可以最大限度地保障操作机构的工作可靠性。文章对计算机仿真技术在断路器操作机构设计中的应用问题进行了一些有意义的探讨，希望对断路器的设计工作能够有所借鉴。

计算机仿真；断路器操作机构；设计

1 提升断路器操作机构设计质量的重要性

在断路器中，操作机构负责为触头状态的转换提供操作运动，是重要的组成部分之一。通常来说，断路器的操作机构大多为多连杆形式的弹簧机构，其性能受部件之间的配合性能影响。为保障断路器能够发挥其应有的作用，首先要确保的就是操作机构的性能满足使用要求。一般而言，操作机构会在较小的空间内使用较大储能的弹簧，而这会导致其内各个部件都承受较大的应力，再加上各个部件在配合的过程中也难免会发生冲击，长此以久就可能造成操作机构疲劳失效，进而产生严重的隐患。

鉴于此，有必要对操作机构的可靠性提高重视，而要提升操作机构的工作可靠性，首先要做的就是从设计源头加以保障。现阶段，随着计算机技术在设计领域的应用不断扩大，断路器操作机构的设计工作也引入了计算机技术。通过运用计算机仿真技术，可以对设计方案的运动状态进行精确分析，甚至对其疲劳寿命加以预测，而在此基础上对设计方案进行调整和优化就可以最大限度地保障操作机构的工作可靠性。笔者结合自己多年的工作实践经验，就计算机仿真技术在断路器操作机构设计中的应用问题进行了一些有意义的探讨，希望对断路器的设计工作能够有所借鉴。

2 基于动力学仿真的操作机构部件干涉检查和误差分析

以往因为缺乏运动仿真手段，造成设计方案中的尺寸设计不合理难以被及时有效地发现，而这可能造成操作机构各个部件之间出现运动干涉。同时，部件在加工过程中会出现误差，而这个误差经过多个加工阶段的累积可能会变地比较大，进而也可能对最终操作机构的运动性能造成影响。而计算机动力学仿真技术的出现使得上述问题的解决迎来了曙光。在形成断路器操作机构的初步设计方案后，即得到产品的CAD模型后，可以将其导入Adams、RecurDyn、DADS、UM、Simpack、Matlab SimMechanics等动力学仿真软件进行运动状态分析，进而实现对各个部件运动轨迹干涉问题的检查，这显然可以有效解决干涉问题。

一般来说，运用动力学仿真软件进行干涉检查的过程可以概括为以下几步：第一步，设计人员运用UG、CATIA、ProE、SolidWorks等三维设计平台对断路器操作机构进行三维造型，然后将形成的操作机构CAD模型按照需求进行格式转换，一般推荐转换为中立或通用格式的文件；第二步，将经过格式转换后的三维模型输入到Adams、RecurDyn等动力学仿真软件中，并对组成模型的各个部件间的运动约束关系进行定义，如定义部件之间的固定副、铰接副、接触约束、约束运动等，这些定义具体则表达了操作机构的装配关系；第三步，对组成部件的物理属性进行定义，具体则包括材料密度和碰撞参数等；最后，添加激励，完成运动过程仿真。

一般来说，只要确保建模准确，运动参数设置合理，整个运动仿真过程就会非常贴近实际情况。当前的动力学仿真软件一般都提供动画演示功能，可以将断路器操作机构的实际运动过程直接以动画视频的形式展现给设计人员，设计人员可以直观地观察出部件运动是否会出现干涉，以及对不允许出现干涉的部件间的最小间隙进行判断。

在判断出最小间隙的基础上，可结合公差等因素将各部件间的最大位置误差计算出来，然后将这个误差和最小间隙进行比对。若不允许发生干涉的两个部件在接触方向上的最大位置误差之和大于最小间隙，那么这两个部件在实际制造装配出来后就可能会发生干涉；反之则不会发生干涉。

3 基于疲劳分析仿真的操作机构部件疲劳寿命预测

在传统的设计阶段，设计人员一般凭借着经验或者用简单的公式对断路器操作机构部件的寿命进行估计，而对估计结果正确性的验证往往是通过物理样机的耐久试验得到，这种方式的缺陷是成本较高且周期较长，已经无法跟得上产品开发的需要。同时，传统手段也无法对各个设计参数与设计成果之间的相关性进行分析，验证结果也可能受到偶然因素的影响，进而造成传统设计手段的精确性不高。正是在这种背景形势下，计算机仿真技术开始引起了越来越多设计人员的重视。

在断路器操作机构的设计阶段使用疲劳分析仿真技术可以实现对操作机构部件寿命的预测，这种预测可以在设计方案形成三维模型后就直接进行，进而可以省略制造物理样机的过程和耐久试验过程，显然可以极大地节约成本和研制时间。同时，借助于疲劳分析仿真技术可以大幅度提升寿命预测的准确性，避免了耐久试验结果中的潜在偶然性，这对提升断路器操作机构设计质量具有极其重要的现实意义。

一般来说，运用计算机仿真技术进行疲劳寿命预测的过程可以概括为以下两步：第一步，对组成操作机构的各个部件进行应力分布计算，此过程需要借助ANSYS、Patran/Nastran、Abaqus、Hypermesh等有限元分析软件实现，具体则包括网格划分和载荷添加；第二步，将第一步得到应力计算结果代入软件的fe-safe模块进行疲劳寿命预测。基于计算机仿真技术得到的结果不仅可以对部件寿命进行准确预测，而且还可以定量地得到某些设计参数对寿命的影响，进而实现对设计参数的优化和调整。

现阶段，一些三维设计平台中也集中了运动仿真模块和有限元分析模块，对于断路器操作机构这类结构和约束都较为简单的产品，可以直接在三维设计平台上就进行相关的运动仿真和应力计算，进而实现在同一平台上就能够完成产品的整个设计和验证过程，从而促使产品的设计效率获得进一步提升。

4 结语

（1）计算机仿真技术在设计阶段可以对设计方案进行运动干涉检查。通过对操作机构组成部件进行三维建模，并定义它们之间的运动约束关系，就可以对部件的运动状态进行仿真分析，从而方便设计人员直观地对部件间的可能运动干涉情况进行检查。

（2）计算机仿真技术在设计阶段可以实现对设计方案疲劳寿命的预测。通过对操作机构组成部件模型进行网格划分，并添加与实际情况相一致的载荷约束，就可以对部件的应力分布情况进行计算，然后将得到的应力计算结果代入疲劳寿命预测模块就能实现对产品疲劳寿命的计算。

（3）根据以上两个方面的仿真分析结果对设计方案进行调整和优化。通过对操作机构的运动仿真分析和疲劳寿命仿真分析，可以对设计方案的优劣性进行评价，并进一步根据分析结果对设计方案进行优化，促使断路器操作机构的设计方案更加合理。

App lication of Computer Simulation in Design of Circuit Breaker Operating M echanism

WANG Yu
（Xinxiang Vocational and Technical College，Xinxiang，Henan 453000，China）

Through the use of computer simulation technology，it is possible to accurately simulate themotion of the circuit breakeroperatingmechanism and even to predictits fatigue life.On thisbasis，the design scheme can beadjusted and optimized to maximize the protection of the operatingmechanism work reliability.This papermakes somemeaningful discussion on the application of computer simulation technology in the design of circuit breaker operating mechanism，hoping to offer reference for breakerdesign.

computersimulation；circuitbreakeroperatingmechanism；design

TM561

A

2095-980X（2017）05-0025-02

2017-05-11

王豫（1983-），女，山西临猗人，大学本科，助理讲师，主要研究方向：机床电气控制，自动控制技术。