一种断路器操动机构行程曲线获取方法
技术领域
本发明涉及断路器故障诊断
技术领域
，尤其涉及一种断路器操动机构行程曲线获取方法。背景技术
断路器是供电系统中重要的开关设备，除开断、闭合线路外，还能够及时隔离故障线路，防止事故范围进一步扩大，保障系统的可靠运行。如果断路器出现开合不到位或误动、拒动等故障，轻则导致线路短暂停电，重则危及系统稳定性，诱发更加严重的停电事故，产生巨大经济损失。因此，考虑到断路器在供电系统中的重要作用，对其进行故障诊断是十分必要的。
根据资料统计，在断路器的所有故障中机械故障的占比最高，可达70％。而根据现场的报告，在所有机械故障中，操动机构卡涩、弹簧松弛、紧固螺丝松动、机构断裂故障最为常见。因此，有必要对这些故障进行研究，并提取出这些故障的特征。断路器操动机构的行程曲线包含着丰富的信息，从中能够获得诊断上述几种故障所需的特征量。但获取断路器操动机构的行程曲线较为困难，一方面是由于断路器的实物获取困难，另一方面是由于采集行程曲线的位移传感器会受到断路器型号、操动机构结构的影响，存在匹配困难、安装困难等问题。
发明内容
本发明提供了一种断路器操动机构行程曲线获取方法，以解决现有技术难以获取断路器操动机构的行程曲线的问题。
一种断路器操动机构行程曲线获取方法，包括：
步骤A：搭建断路器操动机构的装配体模型；
步骤B：将装配体模型导入ADAMS中，得到多体动力学模型，并在ADAMS中设置多体动力学模型中各零件的参数及各零件间的约束关系；
步骤C：设置多体动力学模型中弹簧、摩擦作用力的大小，并进行仿真；
步骤D：设置观测点，获取操动机构多体动力学模型的行程曲线及速度曲线。
进一步地，所述步骤A具体包括：
A1：根据断路器操动机构的设计图纸确定各零件的厚度、长度、弧形部分半径及角度、宽度；
A2：基于步骤A1获取的数据构建各零件的三维模型；
A3：根据断路器操动机构设计图纸中各零件的位置，将各零件的三维模型拼装在一起，形成装配体模型。
进一步地，所述步骤B包括：
B1：将多体动力学模型中所有零件的密度设置为7.85×10-6kg·mm-3；
B2：在多体动力学模型零件上设置运动副；
B3：设置多体动力学模型中的碰撞、弹簧、摩擦作用力。
进一步地，所述步骤B2具体包括：
设置旋转副R1，分别选定操动轴的几何中心点与界面空白处，并将旋转副放置在操动轴的几何中心点；
设置旋转副R2，分别选定储能轴的几何中心点与界面空白处，并将旋转副放置在储能轴的几何中心点；
设置旋转副R3，分别选定合闸保持掣子的旋转中心点与界面空白处，并将旋转副放置在合闸保持掣子的旋转中心点；
设置旋转副R4，分别选定操动轴与输出拐臂的几何中心点，并将旋转副放置在操动轴的几何中心点；
设置旋转副R5，分别选定操动轴与大拐臂的几何中心点，并将旋转副放置在操动轴的几何中心点；
设置旋转副R6，分别选定储能轴与凸轮的几何中心点，并将旋转副放置在储能轴的几何中心点；
设置旋转副R7，分别选定操动轴与棘轮的几何中心点，并将旋转副放置在棘轮的几何中心点；
设置旋转副R8，分别选定合闸传动杆与棘轮的几何中心点，并将旋转副放置在合闸传动杆弧形部件的中心点；
设置旋转副R9，分别选定分闸传动杆与输出拐臂的几何中心点，并将旋转副放置在输出拐臂右侧的中心点；
设置旋转副R10，分别选定大拐臂与滚轮的几何中心点，并将旋转副放置在滚轮的几何中心点；
设置旋转副R11，分别选定输出拐臂与传动杆的几何中心点，并将旋转副放置在输出拐臂左侧的中心点；
设置旋转副R12，分别选定传动杆与拐臂的几何中心点，并将旋转副放置在传动杆上部的中心点；
设置旋转副R13，分别选定拐臂与联动板的几何中心点，并将旋转副放置在联动板的几何中心点；
设置移动副T1，分别选定合闸传动杆末端的合闸弹簧放置点与界面空白处，并将移动副放置在合闸弹簧放置点上，同时规定移动副的方向与ADAMS界面中重力的方向相同；
设置移动副T2，分别选定分闸传动杆末端的分闸弹簧放置点与界面空白处，并将移动副放置在分闸弹簧放置点上，同时规定移动副的方向与ADAMS界面中重力的方向相同；
设置固定副F1，分别选定棘轮与储能轴的几何中心点，并将固定副放置在储能轴的几何中心处；
设置固定副F2，分别选定储能轴与凸轮的几何中心点，并将固定副放置在储能轴的几何中心点；
设置固定副F3，分别选定大拐臂与操动轴的几何中心点，并将固定副放置在操动轴的几何中心点；
设置固定副F4，分别选定输出拐臂与操动轴的几何中心点，并将固定副放置在操动轴的几何中心点。
进一步地，所述步骤B3包括：
选择ADAMS软件作用力一栏中的碰撞模块Contact1，随后分别选定大拐臂与合闸保持掣子的外表面，完成碰撞作用力设置；
选择ADAMS软件作用力一栏中的碰撞模块Contact2，随后分别选定凸轮与滚轮的外表面，完成碰撞作用力设置；
选择ADAMS软件作用力一栏中的弹簧模块Spring1，随后分别选定合闸弹簧放置点与放置点正上方的界面空白处，构建合闸弹簧；
选择ADAMS软件作用力一栏中的弹簧模块Spring2，随后分别选择分闸弹簧放置点与放置点正上方的界面空白处，构建分闸弹簧。
进一步地，所述步骤C具体包括：
C1：获取断路器操动机构实物中合闸弹簧、分闸弹簧的线径d1、d2，外径D1、D2，弹簧总圈数N1、N2；合闸弹簧在自由状态下的高度l、储能状态下的高度h，以及分闸弹簧在自由状态下的高度l0、预压缩状态下的高度x；
C2：利用步骤C1中获取的数据，计算合闸弹簧、分闸弹簧的劲度系数k1、k2，以及施加在合闸弹簧、分闸弹簧上的压力F1、F2：
Nc1＝N1-2；Dm1＝D1-d1；G＝210GPa
Nc2＝N2-2；Dm2＝D2-d2；G＝210GPa
F1＝k1·(l-h)
F2＝k2·(l0-x)
C3：多体动力学模型中旋转副R1、R2用于等效操动机构实际设备中操动轴、储能轴上安装的滚动轴承；将多体动力学模型中除旋转副R1、R2外的所有旋转副的动摩擦系数均设置为0.1，静摩擦系数设置为0.12；
C4：将旋转副R1、R2的动摩擦系数均设置为0.0035，静摩擦系数设置为0.0040；
C5：设置ADAMS中Simulation Control模块的参数为：仿真结束时间0.1s，仿真步数100步。
进一步地，所述步骤D具体包括：
D1：选择ADAMS软件中Construction一栏中的Marker点，将其固定在拐臂的末端；
D2：固定Marker点后，选择该点的Measure选项，并选择Characteristic一栏中的Translational displacement，随后在Component一栏中点击“Y”；并命名为displacement；
D3：再次选择Marker点的Measure选项，并选择Characteristic一栏中的Translational velocity，随后在Component一栏中点击“Y”；并命名为velocity；
D4：对操动机构的多体动力学模型进行仿真计算，获取操动机构的行程与速度曲线；
D5：计算结束后，选择ADAMS中Result一栏的Postprocessor模块，在该模块的Measure一栏中分别选择displacement与velocity，得到操动机构的行程曲线及速度曲线。
进一步地，还包括：
步骤E：对操动机构的行程曲线进行验证，若行程曲线与实测数值的偏差小于预设值，则符合要求；否则，修改多体动力学模型中旋转副R1、R2的动摩擦系数，重新获取行程曲线，直至行程曲线符合要求；其中，多体动力学模型中旋转副R1、R2用于等效操动机构实际设备中操动轴、储能轴上安装的滚动轴承。
进一步地，所述步骤E具体包括：
E1：提取出行程曲线的峰值Xp及其对应的时间tp、动触头运动时间t、速度曲线的峰值vp及其对应的时间vt；
E2：获取步骤E1中五个物理量的实测数值；
E3：将步骤E1中提取的五个物理量值与步骤E2中对应的五个物理量的实测结果进行对比，计算五个物理量各自的偏差：
E4：如果步骤E3中五个物理量的偏差的绝对值均在20％以内，则操动机构的行程曲线符合要求；否则，修改多体动力学模型中旋转副R1、R2的动摩擦系数，重新获取行程曲线，直至步骤E3中五个物理量的偏差均小于20％。
有益效果
本发明提出了一种断路器操动机构行程曲线获取方法，具有如下优点：
1、本发明根据设备中分闸弹簧、合闸弹簧的尺寸，两者在不同状态下的长度，机构中零件材质等信息提供了模型中重要机构参数的设置方法，使模型更接近实物，搭建得更为合理，便于准确获取符合要求的行程曲线；
2、该发明能够解决机构间摩擦系数设置困难、实验场地受限、设备获取困难、传感器安装困难等一系列问题，简单准确的获取行程曲线；
3、基于该发明得到的多体动力学模型，能够为断路器机械故障的诊断、机构优化等研究提供基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的弹簧操动机构的装配体模型结构示意图；
图2是本发明实施例提供的拐臂、大拐臂、输出拐臂、传动杆、分闸传动杆、合闸传动杆零件端点的位置示意图；
图3是本发明实施例提供的一种断路器操动机构行程曲线获取方法流程图；
图4是本发明实施例提供的行程曲线及速度变化曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
如图1至图4所示，本发明提供了一种断路器操动机构行程曲线获取方法，包括：
步骤A：在Solidworks软件中搭建断路器操动机构的装配体模型。具体包括：
A1：根据断路器操动机构的设计图纸确定各零件的厚度、长度、弧形部分半径及角度、宽度。
A2：利用Solidworks软件构建各零件的三维模型，随后将搭建的所有三维模型以.SLDPRT格式依次进行保存，具体包括：
根据断路器弹簧操动机构中凸轮10的厚度、不同角度下半径的大小，利用Solidworks软件搭建凸轮10的三维模型；
根据断路器弹簧操动机构中联动板1的长度、柱体的半径，利用Solidworks软件搭建联动板1的三维模型；
根据断路器弹簧操动机构中输出拐臂4的厚度、弧形部位的半径以及弧度，利用Solidworks软件搭建输出拐臂4的三维模型；
根据断路器弹簧操动机构中大拐臂7的长度、宽度、厚度、弧形部分的半径及角度，利用Solidworks软件搭建大拐臂7的三维模型；
根据断路器弹簧操动机构中滚轮9的半径、厚度，利用Solidworks软件搭建滚轮9的三维模型；
根据断路器弹簧操动机构中合闸保持掣子8的长度、宽度、厚度、弧形部分的半径及角度，利用Solidworks软件搭建合闸保持掣子8的三维模型；
根据断路器弹簧操动机构中合闸传动杆13的长度、厚度、弧形部分的半径及角度，利用Solidworks软件搭建合闸传动杆13的三维模型；
根据断路器弹簧操动机构中分闸传动杆5的总长度、柱体长度、柱体半径，利用Solidworks软件搭建合闸传动杆5的三维模型；
根据断路器弹簧操动机构中传动杆3的总长度、柱体长度、柱体半径，利用Solidworks软件搭建传动杆3的三维模型；
根据断路器弹簧操动机构中棘轮12的半径、厚度、棘轮上棘爪的数量，利用Solidworks软件搭建棘轮12的三维模型；
根据断路器弹簧操动机构中拐臂2的总长度、厚度、弧形部分的半径及角度，利用Solidworks软件搭建拐臂2的三维模型；
根据断路器弹簧操动机构中操动轴6的长度、半径，利用Solidworks软件搭建操动轴6的三维模型；
根据断路器弹簧操动机构中储能轴11的长度、半径，利用Solidworks软件搭建储能轴11的三维模型；
将搭建的所有三维模型以.SLDPRT格式依次进行保存。
A3：根据断路器操动机构设计图纸中各零件的位置，将导入到Solidworks装配界面中的各零件的三维模型拼装在一起，形成装配体模型。具体包括：
将A2中以.SLDPRT格式保存的各零件的三维模型全部导入到Solidworks的装配界面中；
在装配界面固定操动轴，并规定装配界面的正视图为基准面，操动轴的中轴线为基准线，操动轴的几何中心点为基准点；
将储能轴11的中轴线设定为与基准线平行，随后根据储能轴11中轴线与基准线间的距离、储能轴11几何中心点到基准面垂直方向的高度、储能轴11几何中心点到基准点的直线距离，在装配界面中固定储能轴11；
使用Solidworks中的同轴心约束模块，分别选定凸轮10与储能轴11、棘轮12与储能轴11，将凸轮10、棘轮12分别放置在储能轴11上；随后根据凸轮10、棘轮12各自的几何中心点到基准点的直线距离，在储能轴11上修改凸轮10、棘轮12的位置；
使用Solidworks中的同轴心约束模块，将输出拐臂4、大拐臂7分别放置在操动轴6上，根据两个零件各自的几何中心点与操动轴6几何中心点的距离，修改操动轴6上零件的位置；
使用Solidworks中的同轴心约束模块，将分闸传动杆5的上端与输出拐臂的右端19相连、将传动杆的下端点17与输出拐臂的左端18相连、将合闸传动杆弧形部件的中心点22与棘轮12相连、将传动杆的上端点16与拐臂2相连、将拐臂2的右侧端点与联动板的几何中心点14相连、将滚轮9的几何中心点与大拐臂的下端点21相连；模型中上述零件的端点位置如图2所示；
使用Solidworks中的接触约束模块，并选定合闸保持掣子8与滚轮9，同时根据合闸保持掣子旋转中心24到操动轴6几何中心点的距离、到基准面的高度调整合闸保持掣子8的位置；装配完成的模型如图1所示。完成装配体模型后，将装配体模型以.x_t格式保存。
步骤B：将装配体模型导入ADAMS软件，生成操动机构的多体动力学模型；在ADAMS中设置多体动力学模型中各零件的参数及各零件间的约束关系。具体包括：
B1：操动机构中零件的材质包括45号钢、Q235A、20CrMnTi、60Si2CrVA，本实施例中，将多体动力学模型中所有零件的密度统一设置为7.85×10-6kg·mm-3。
B2：在多体动力学模型零件上设置运动副；具体包括：
设置旋转副R1，分别选定操动轴6的几何中心点与界面空白处，并将旋转副放置在操动轴6的几何中心点；
设置旋转副R2，分别选定储能轴11的几何中心点与界面空白处，并将旋转副放置在储能轴11的几何中心点；
设置旋转副R3，分别选定合闸保持掣子旋转中心点24与界面空白处，并将旋转副放置在合闸保持掣子旋转中心点24；
设置旋转副R4，分别选定操动轴6与输出拐臂4的几何中心点，并将旋转副放置在操动轴6的几何中心点；
设置旋转副R5，分别选定操动轴6与大拐臂7的几何中心点，并将旋转副放置在操动轴的6几何中心点；
设置旋转副R6，分别选定储能轴11与凸轮10的几何中心点，并将旋转副放置在储能轴11的几何中心点；
设置旋转副R7，分别选定操动轴6与棘轮12的几何中心点，并将旋转副放置在棘轮12的几何中心点；
设置旋转副R8，分别选定合闸传动杆13与棘轮12的几何中心点，并将旋转副放置在合闸传动杆弧形部件的中心点22；合闸传动杆弧形部件的中心点22在模型中的位置如图2所示；
设置旋转副R9，分别选定分闸传动杆5与输出拐臂4的几何中心点，并将旋转副放置在输出拐臂右侧的中心点19；输出拐臂右侧的中心点19在模型中的位置如图2所示；
设置旋转副R10，分别选定大拐臂7与滚轮9的几何中心点，并将旋转副放置在滚轮9的几何中心点；
设置旋转副R11，分别选定输出拐臂4与传动杆3的几何中心点，并将旋转副放置在输出拐臂左侧的中心点18；输出拐臂左侧的中心点18在模型中的位置如图2所示；
设置旋转副R12，分别选定传动杆3与拐臂2的几何中心点，并将旋转副放置在传动杆上部的中心点16；传动杆上部的中心点16在模型中的位置如图2所示；
设置旋转副R13，分别选定拐臂2与联动板1的几何中心点，并将旋转副放置在联动板的几何中心点14；
设置移动副T1，分别选定合闸传动杆13末端的合闸弹簧放置点23与界面空白处，并将移动副放置在合闸弹簧放置点23上，同时规定移动副的方向与ADAMS界面中重力的方向相同；合闸弹簧放置点23在模型中的位置如图2所示；
设置移动副T2，分别选定分闸传动杆5末端的分闸弹簧放置点20与界面空白处，并将移动副放置在分闸弹簧放置点20上，同时规定移动副的方向与ADAMS界面中重力的方向相同；分闸弹簧放置点20在模型中的位置如图2所示；
设置固定副F1，分别选定棘轮12与储能轴11的几何中心点，并将固定副放置在储能轴11的几何中心处；
设置固定副F2，分别选定储能轴11与凸轮10的几何中心点，并将固定副放置在储能轴11的几何中心点；
设置固定副F3，分别选定大拐臂7与操动轴6的几何中心点，并将固定副放置在操动轴6的几何中心点；
设置固定副F4，分别选定输出拐臂4与操动轴6的几何中心点，并将固定副放置在操动轴6的几何中心点。
B3：设置多体动力学模型中的碰撞、弹簧、摩擦作用力；具体包括：
选择ADAMS软件作用力一栏中的碰撞模块Contact1，随后分别选定大拐臂7与合闸保持掣子8的外表面，完成碰撞作用力设置；
选择ADAMS软件作用力一栏中的碰撞模块Contact2，随后分别选定凸轮10与滚轮9的外表面，完成碰撞作用力设置；
选择ADAMS软件作用力一栏中的弹簧模块Spring1，随后分别选定合闸弹簧放置点23与放置点正上方的界面空白处，构建合闸弹簧；
选择ADAMS软件作用力一栏中的弹簧模块Spring2，随后分别选择分闸弹簧放置点20与放置点正上方的界面空白处，构建分闸弹簧。
步骤C：设置多体动力学模型中各作用力的大小。具体包括：
C1：获取实物中合闸、分闸弹簧的线径d1、d2，外径D1、D2、弹簧总圈数N1、N2；合闸弹簧在自由状态下的高度l、储能状态下的高度下的高度h以及分闸弹簧在自由状态下的高度l0、预压缩状态下的高度x；
C2：利用C1中的数据，计算合闸、分闸弹簧的劲度系数k1、k2以及施加在二者上的压力F1、F2：
Nc1＝N1-2；Dm1＝D1-d1；G＝210GPa
Nc2＝N2-2；Dm2＝D2-d2；G＝210GPa
F1＝k1·(l-h)
F2＝k2·(l0-x)
C3：经过润滑后的铁合金的动摩擦系数为0.1，静摩擦系数为0.12，将模型中除旋转副R1、R2外的所有旋转副的动摩擦系数均设置为0.1，静摩擦系数设置为0.12；
C4：旋转副R1、R2用于等效操动机构实际设备中操动轴、储能轴上安装的滚动轴承，将旋转副R1、R2的动摩擦系数均设置为0.0035，静摩擦系数设置为0.0040；
C5：设置ADAMS中Simulation Control模块的参数为：仿真结束时间0.1s，仿真步数100步。
步骤D：设置观测点，获取操动机构多体动力学模型的行程曲线及速度曲线。具体包括：
D1：选择ADAMS软件中Construction一栏中的Marker点，将其固定在拐臂末端15；拐臂末端15的具体位置如图2所示；
D2：固定Marker点后，选择该点的Measure选项，并选择Characteristic一栏中的Translational displacement，随后在Component一栏中点击“Y”；并命名为displacement(操动机构行程)；
D4：再次选择Marker点的Measure选项，并选择Characteristic一栏中的Translational velocity，随后在Component一栏中点击“Y”；并命名为velocity(操动机构运动速度)
D5：对操动机构的多体动力学模型进行仿真计算，获取操动机构的行程与速度曲线；
D6：计算结束后，选择ADAMS中Result一栏的Postprocessor模块，在该模块的Measure一栏中分别选择displacement与velocity，得到操动机构的行程曲线及速度曲线。
步骤E：操动机构行程曲线的验证。具体包括：
E1：提取出计算结果中行程曲线的峰值Xp及其对应的时间tp、动触头运动时间t、速度曲线的峰值vp及其对应的时间vt；
E2：获取步骤E1中五个物理量的实测数值；
E3：将步骤E1中提取的五个物理量值与步骤E2中对应的实测结果进行对比，计算五个物理量各自的偏差：
E4：如果步骤E3中五个物理量的偏差的绝对值均能够控制在20％以内，则操动机构的行程曲线是符合实际的，可用于断路器的故障诊断研究；否则，需返回步骤C4修改旋转副R1、R2的动摩擦系数，直至计算结果满足偏差小于20％的要求。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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