基于ADAMS及ANSYS的低压开关操作机构优化研究

赵向杰

(西安航空职业技术学院 航空制造工程中心，陕西 西安 710089)

0 引 言

旋转手柄是低压开关常用的一种辅助操作机构，可在开关柜柜门上操作安装在开关柜内的断路器，作为手动助力机构，方便使用者轻松控制开关分合闸。其防护等级为IP56，能起到一定的隔离作用。同时通过内置在转轴内的锁定功能，它可以在断路器处于合闸或脱扣位置时禁止打开柜门[1]，以防止施工人员误操作而引起触电事故。为保证用电安全，旋转手柄操作机构必须保证开关的可靠分、合闸。但是由于大电流等级的工业用开关其合闸与分闸操作时的机构阻力较大，这就对旋转手柄内部零件的疲劳强度提出了较高的要求。

为较为准确地计算零件的疲劳强度，本文将利用ADAMS和ANSYS软件进行联合仿真，建立旋转手柄操作机构的刚柔耦合虚拟样机模型，分析关键零件在不同约束条件下的受力情况，得到零件内部不同位置的应力变化曲线，结合这些数据对零件疲劳强度进行计算，同时通过机械寿命试验对设计结果进行验证。

1 机构工作原理

操作机构的结构设计要求转柄的输入行程角与转盘的输出行程角相等且为90°,同时当在转柄上施加6 N·M的转矩时，转盘需输出6 N·M的扭矩。操作机构结构简图如图1所示。

图1 操作机构结构简图1-转柄；2-转臂；3-推杆；4-导向块；5-转盘；6-机座

该方案是通过操纵转柄2带动与其固联在一起的转臂3转动，再通过铰接在转臂上的导向块5推动推杆4，从而驱动转盘6转动。相较于老产品上采用的锥齿轮传动方案，该设计具有体积更小，传动结构简单[2]，机械效率高，机构运动精度高且能实现反向自锁的优点。

本研究以上述方案为原型制作了实体样机，并对其进行了操作实验，结果如图2所示。

图2 方案一样品变形图示

根据设计要求，机构的输入、输出转矩都是6 N·M，制样时除转臂3及推杆4选用45#钢外，其余零件均为塑料材质。实验结果可看出：转臂3发生了较明显的变形，需要对其结构设计做出改进和优化[3]。

2 机构分析

转臂在运动过程中承受弯矩与扭矩的组合作用，需具备较高的强度和刚度[4]。由于零件几何形状不规则且结构特征较复杂，手工计算该零件在受载情况下的应力和变形较为困难[5]。因此本研究借助ADAMS软件对整个操作机构进行多刚体动力学仿真，仿真结果如图3所示。

图3 旋转手柄的动力学仿真

据此可得到转臂各个转动副处的约束反力。本研究取其中的峰值作为边界条件，在ANSYS[6]中建立转臂的有限元模型，进行瞬态动力学求解，其结果图4所示。

图4 瞬态动力学分析结果

最后本研究依据仿真的应力云图对摇臂结构进行加强。由计算结果可看出：该转臂在承载时的应力集中区域为转臂固定端与悬臂部分的交界面以及右端为避免与导向块干涉而去料的薄壁部分。考察零件的整体受力情况，为改善转臂的刚度，减小受力后构件的变形和分布压力与磨损且不影响构件间的相对运动关系，可考虑在机构中引入虚约束，具体实现形式是给零件悬臂一侧增加支撑铰链，转臂新旧方案对比如图5所示(该铰链的转动轴线与整个转臂的转动轴线重合)。

图5 转臂新旧方案对比

本研究对机构进行自由度分析，该机构由6个零件组成，除机座外共有活动零件5个，该机构属于空间机构，机构间各零件连接关系如图6所示。

图6 机构连接关系图

转臂结构更改后，机构中有两个位置存在虚约束，分别是导向块与转臂的连接处以及转臂与机座的连接处。导向块与转臂间使用两个转动副连接，且转动轴线重合，所以可算作一个运动副。转臂与手柄间、推杆与转盘之间都是刚性连接，因此均可视为一个运动构件。除机座外共有3个运动构件，则该机构的自由度为：

F=3×6-(5-2)×5-2×1=1

由计算结果可知，只需在转柄端施加转矩机构就能实现确定的机械运动，符合原设计意图。

3 疲劳强度设计

为保证产品的使用寿命要求，仅考虑静强度及在工况动载荷作用下的强度条件是不够的，还需对其进行疲劳强度校核。

该机构的设计要求的操作寿命N=2.5×104,属于高周疲劳范围，由于该转臂的材料拟定为调质后的45号钢，取其材料循环基数N0=107。因零件在承载运行时的循环特性值r未知，无法确定材料的持久疲劳极限值σr∞，从而无法计算零件在循环次数N=2.5×104时对应的的疲劳极限σrN。为得到转臂承在外力作用下的应力循环特性值r,需要准确分析零件内部各点处应力随时间的变化关系。借助ADAMS与ANSYS的刚柔耦合仿真可以较准确地计算该零件内部复杂的应力状态，继而计算出循环特性值。

本研究利用ADAMS/View Flex模块进行刚柔耦合仿真需要先建立柔性体[7]，选用在ANSYS中建立好MNF模态中性文件再调入动力学仿真环境的方式完成。合理建立柔性体文件需要对零件进行受力分析，在其有限元模型上建立恰当的外联节点以便于在动力学环境中施加约束。本研究取各转动副中心及转臂左端面圆的圆心为外联节点，将其与周围零件特征面上的节点自由度耦合后生成刚性区域，作为动力学仿真时的施力点，如图7所示。

图7 采用刚性区域法生成的模态中性文件

最后本研究利用ANSYS环境生成MNF文件[8]，其中包含节点20 707个，包含外连节点4个，抽取的模态阶数为45。

机构动作过程中，转臂所承受的外力通过运动副间的接触施加在该零件上。为全面了解边界条件的改动对零件强度的影响，对添加转臂与机座间虚约束转动副前后两种情况分别做了分析，转臂上其余运动副处受力情况是结构优化的关键。本文利用ADAMS/View Flex模块建立转接机构的刚柔耦合模型[9-11]，按照实验条件添加载荷及约束，考查转臂在运动过程中在外载作用下的受力和变形情况。本文为方便解析将铰链处约束反力分解为Z轴方向分力和Y轴方向分力考察，不同约束情况下各分力变化曲线如图8所示。

由仿真结果可知：转臂支脚移除前后其余运动副受力情况差别较大,为能更加准确地估算该零件的疲劳寿命需要关注转臂运动过程中其内部的应力分布及变化情况。笔者提取柔性体内部点的应力数据[12]，此处按照应力值由高到低的顺序提取前40个节点的数据，如图9所示。

图8 刚柔耦合仿真

图9 转臂内部节点应力分布情况

分析节点应力数据可知：添加虚约束前后转臂内部各点处的应力状态变化很大，零件内部产生的最大应力减小了一半。按照第四强度理论，当零件内部的Von Mises应力值达到许用应力值时即发生塑性变形，而此处的许用应力值应取零件的疲劳极限。取等效应力值大小靠前的5个节点研究其应力循环特性，转臂内部各节点应力随时间变化情况如图10所示。

由图10可知：在铰链添加前所考察的各个节点的应力状态均为不稳定循环变应力，而添加了铰链之后各节点的应力循环特性值r≈-1。

材料疲劳极限与强度关系经验公式如表1所示。

图10 转臂内部各节点应力随时间变化情况

材料对称循环应力的疲劳极限拉伸∂-1L弯曲∂-1扭转τ-1结构钢≈0.23(∂a+∂b)≈0.27(∂a+∂b)≈0.15(τa+τb)铸铁≈0.4∂b≈0.45∂b≈0.36∂b铝合金≈0.4∂b/6+75≈0.4∂b/6+75≈0.4∂-1L青铜≈0.21∂b

近似可求得材料在该工况下的疲劳极限σ-1=0.27(σs+σb)=411.9 MPa。对比图10中两种工况下的仿真结果可看出：原方案缺少虚约束铰链时其多个节点处的应力超过疲劳极限，而添加铰链后零件内部各节点处的应力值整体下降了一半且变化趋于平稳，满足设计所需的疲劳强度要求。基于上述分析结果，本研究按照新设计方案重新制作了样机并进行了机械寿命试验，结果如图11所示(样机在完成25 000次操作后未见任何变形)。

图11 机械寿命试验

4 结束语

本文首先通过研究虚约束对机构零件受力情况的影响以及分析在不同约束条件下零件的应力特性，对零件结构进行了优化；其次为较准确地计算零件的疲劳强度[13]，利用ANSYS建立了关键零件的模态中性文件，在ADAMS/View Flex的刚柔耦合环境中进行了动力学仿真，得到关键零件在运动过程中内部各节点的应力变化曲线，作为应力应变法计算疲劳强度的输入数据，计算了零件的疲劳极限；最后以该设计方案制作了样机，对其进行了机械寿命实验。

实验结果表明其满足25 000次操作寿命要求，从一定程度上说明了设计计算及刚柔耦合分析数据的可靠性。