基于ADAMS的塑壳断路器机构参数化设计

胡正勇，赵 莹，冷北雪，徐湘忆

(1.国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437；2.四川电力职业技术学院，成都 611133)

对断路器机构仿真分析的最终目的，是改进优化断路器机构，因此建立用于分析改进的断路器参数化仿真模型是非常必要的[1]。通过建立简单便捷的中文操作菜单和参数化部件，可以使工程技术人员不深入学习仿真软件就能仿真分析和改进优化断路器模型。参数化仿真模型是低压电器数字化设计的重要模块之一，通过建立专用的低压断路器机构仿真模型，可以有效地提高低压电器设计水平。

由于商用软件ADAMS计算求解精度高，使用普遍[2]，本文利用ADAMS软件包及二次开发功能，建立了某款塑壳断路器参数化设计模型，可方便地修改样机模型，进行仿真分析、优化设计。

1 参数化模型的建立

1.1 建立参数化部件

虽然ADAMS提供了图形接口，以便用户导入专业三维软件建立的模型，但是ADAMS对于导入的模型是不能进行参数化的，即不能修改模型部件。为了建立参数化模型，必须使用ADAMS自带的建模器进行建模。同时，受限于ADAMS的建模功能，对于一些对参数化模型没有影响的复杂部件，只部分建模或者不重新建模。

对于参数化模型的自建模，ADAMS提供了四种类型的几何体：刚性形体、柔性形体、点质量和地基形体。参数化模型的自建模需要用圆柱形体(cylinder)来模拟各种转轴和限位杆；利用片体(plate)来实现复杂连杆，动触头等的建模；利用连接件(link)来实现简单连杆的建模。

ADAMS提供了参数表达式、参数化点坐标、运动参数化和设计变量四种参数化方法[3]。为了实现对参数化模型部件的修改，采用marker点和point点结合的方式参数化。在模型里建立任何部件和约束，都会在相应的位置生成marker点，或者说模型部件的构建是以marker点为基础的。因此，通过修改marker点就可以实现修改模型。同时为了使多个marker点自动联系，同步运动，建立与周围marker点相关联的point点。

point点的修改决定marker点的修改，而marker点又决定了部件形状和模型参数。同理，模型中的各种约束也利用此特征实现自适应调整。因此，仿真模型的参数化是以大量的可参数化marker点为基础的，结合多个关联point点，再辅以软件包函数输入功能，实现了完整的塑壳断路器部件参数化模型。

1.2 开发人机交互输入对话框

交互对话框包括各种界面对象，如标题、数据区、按钮等。参数化模型使用对话框编辑器(Dialog Box Builder)来创建和修改对话框以更好地满足设计需要。定制一个模型部件参数输入对话框的具体步骤如下。

(1)进入对话框编辑器，新建一个对话框，命名为“shoubing”，如图1所示。

图1 新建、修改参数化部件对话框

(2)在新建的对话框中添加控件，包括Label、Field、Button等。

(3)在Field的Commands选项中添加命令。移动一个标记点的命令如下：

(4)然后对输入的变量进行属性定义，将对话框中的数值赋值给设计变量。

(5)测试对话框(Test Box)并美化界面，完成定制。

用户在对话框中输入相关参数后，按下回车键，参数化部件就会自动更新，然后就可以对新的模型进行仿真分析。由于ADAMS不支持中文，为了使用方便，采用在对话框编辑器中贴图的方式，实现了对话框中文化。

1.3 参数化模型描述

参数化模型建立了需要重点关注和优化的所有参数化部件和对话框，以下举例说明。

1.3.1手柄

建立的参数化手柄及对话框如图2所示，其参数化方式为部分参数化，即不影响机构运动的手柄上部复杂部分利用专业造型软件建立并导入，手柄下部利用ADAMS造型并将两者合并。手柄的边缘折线处用多个标记点(marker)标记，通过修改标记点来修改手柄形状，对话框中带圈的标记点即是可以修改的标记点。圈旁边有两个输入框，左输入框表示X轴方向修改框，右输入框表示Y轴方向修改框。右上角的只显示部件按钮表示只显示手柄这一个部件，方便用户观察部件形状并进行修改；显示全模型按钮表示显示整个模型，退回模型主界面。

左下角的密度输入框可以方便地改变部件的密度，输入框内显示的数值是默认密度值，有利于用户理解设置值并根据需要进行修改。

底部的转动角度输入框可以方便地转动手柄位置，从而调整手柄的初始位置，实现不同类型的仿真过程。

撤销按钮表示取消上一个的操作，便于用户在误操作之后回复到正确的初始模型。

关闭按钮的功能为关闭当前对话框。

图2 参数化手柄及对话框

1.3.2跳扣对话框

参数化跳扣及对话框如图3所示，其参数化方式为完全参数化，即只利用ADAMS造型。跳扣也是通过修改标记点来修改模型，可以修改的标记点用圈标记。如果一个圈内有多个标记点，表示同时移动这几个标记点。

参数化模型的优点之一是模型的自动调整功能，为了达到此目标，在修改部件时，有时需要同时修改其他部件，以实现模型的自动调整。例如：当修改跳扣右下角孔位置时，需要同时修改侧板上孔的位置，也需要调节穿过这个孔的轴销的位置，实现自动调整吻合位置。参数化模型中很多地方都需要自动调整，以保证模型的正确性。

图3 参数化跳扣及对话框

1.3.3主轴

参数化主轴及对话框如图4所示，其参数化方式为部分参数化。主轴的形状随着动触头片的修改而修改，主轴和动触头片相对角度不变，保证了动触头片下沿与穿过主轴的槽的上沿贴合。

转动角度输入框可以转动主轴，相应的动触头片和主轴上的附属零部件会跟着主轴一起转动，以便与调节初始位置和触头开距。

下连杆轴销输入框是移动下连杆与主轴之间的连接轴销，其目的是修改下连杆的转动点，即下连杆轴销的位置决定了下连杆下转动点的位置。

弹簧作用点输入框可以修改触头弹簧在主轴上的作用点，从而调节触头弹簧的作用方向和位置。

移动静触头输入框可以移动静触头，从而调整静触头的位置和动触头匹配。

图4 参数化主轴及对话框

1.3.4其他参数化部件及对话框

为了实现断路器完整模型的参数化，参数化模型还建立了上连杆、下连杆、动触头片、触头顶板等多个参数化部件及对话框，实现了整个模型部件的参数化。图5为参数化上连杆及对话框。

图5 参数化上连杆及对话框

1.4 专业应用菜单的建立

为了方便用户进行模型的修改和优化，特别定制了应用菜单和用户界面，方便用户改变设计变量，自动完成设计分析。

用户菜单界面开发通过菜单编辑器来完成。通过Tools>Menu>Modify操作打开Menu Builder窗口进行编辑。菜单文件是用解释性语言编制的程序段，通过编制菜单文件的语法文件，可以定制自己所需的菜单。

菜单对象有四种类型：菜单、按钮、开关按钮和分割线[3]。参数化模型菜单界面语法主要使用Menu和Button两个对象，实现了添加“MCCB_400”一级菜单和“Modify parts”二级菜单；实现了添加“shoubing”，“ceban”，“tiaokou”等修改模型部件的按钮；修改弹簧参数按钮“Modify spring parameters”，修改摩擦碰撞参数按钮“Modify friction contact parameters”等菜单，定制了完整的参数化设计应用菜单，如图6所示。

图6 参数化模型菜单编辑器

2 设计优化模块的添加

2.1 弹簧参数设置模块

塑壳断路器中的弹簧主要包括主弹簧和触头弹簧，参数包括弹簧预载荷，刚度系数和阻尼系数，由于小弹簧的阻尼系数较小，一般阻尼系数采用默认值。

由于工程图中没有弹簧预载荷和刚度系数等数值，而是弹簧初始长度H0，工作初始长度H1，工作最大长度H2，以及弹簧力F1和F2等。为了便于工程技术人员使用以及模型不同起始时刻的仿真，弹簧参数设置对话框采用工程图参数输入，如图7所示。

图7 弹簧参数设置对话框

根据输入的参数值，参数化模型仿真中，刚度系数K=fabs((F2-F1)/(H2-H1))。

弹簧载荷LOAD=(H0-模型中弹簧两端距离L)×K。

2.2 摩擦碰撞参数设置模块

仿真模型的摩擦系数和碰撞系数影响着仿真模型的准确性，而且不同断路器机构的实际参数是有差异的，因此需要专用对话框来进行参数设置，如图8所示。断路器机构基本都为钢材，为了方便用户，模型采用统一的摩擦系数。摩擦系数默认为有润滑的钢-钢摩擦系数。标准钢-钢摩擦系数如表1所示。

表1 钢钢摩擦系数表

碰撞系数有钢-钢碰撞和动静触头碰撞两种，主要用来调节动触头的反弹量，其他部件的碰撞弹跳不影响仿真过程，无需单独设置。

图8 摩擦碰撞参数设置对话框

2.3 电动力联合仿真模块

由于断路器在开断短路电流时动触头会受到很大的电动力，其运动特性与空载条件下有很大区别，因此电动力的施加非常重要，需要制作电动力联合仿真对话框，如图9所示。

图9 电动力联合仿真对话框

影响断路器机构分闸速度的力是动触头所受到的力，电动力共分为3相。为了便于用户在空载条件下仿真和短路条件下仿真中切换，通过启用电动力按钮和停用电动力按钮来启动和停止该电动力的施加。通过开始作用时刻输入框来设置所计算的电动力表格的开始作用时刻。

编辑时间电流网格按钮和编辑电流开距电动力网格按钮是用来输入实验电流和电动力网格的。时间电流网格得到每个时刻对应的电流，相当于I=f(t)，通过实验电流波形或者经验公式来计算；电流开距电动力网格得到不同电流值不同开距下的电动力，相当于F=f(I,d)，通过电磁场分析软件ANSYS或者ANSOFT计算得到[4]。ADAMS通过每个时刻t和此时对应的开距d来插值电动力值，其插值流程如图10所示。

图10 ADAMS电动力插值流程示意图

2.4 优化设计模块

为了方便用户实现参数化模型的自动优化功能，需要建立专用的优化设计模块。在优化分析前，需要对优化标记点及相关标记点进行变量的设置，以实现模型的自适应调整。

五连杆机构中，最有优化价值的是连杆的连接点，因此专门对连接点进行了变量设置，供用户优化，建立的对话框如图11所示。用户可以直接进行分析的变量一共有8个，分别是图中所示的连杆连接处的X坐标，Y坐标。所有的变量范围默认为-2至+2，同时用户可以自行修改变量范围。

图11 优化设计对话框

优化设计模块的优化流程如下：先点击编辑脚本按钮，进行优化脚本的编辑，然后点击进入优化界面，系统弹出优化设计参数设置对话框，用户进行相关设置后，即可进行优化。完成优化后，点击完成优化，自动保存优化后的模型。

2.5 调试仿真模块

此对话框是进行仿真调试和控制的对话框，如图12所示，共分为3个部分，调试，仿真设置和脚本编辑及仿真。

图12 调试仿真对话框

(1)调试部分。ADAMS中用户修改部件后，会导致约束的标记点分离，因此需要自动调整各杆件的位置，以实现正确的装配关系。为了实现这一目标，采用自适应调整功能来实现，即先用装配分析将分离的约束点拉到同一位置，实现零件的重定位，然后再将此位置重新保存作为初始模型。

当用户修改了部件，会使得模型的约束点发生改变，因此需要用装配分析来调整约束关系。当装配分析完成后，模型可能会处于不稳定状态，因此需要进行一段时间的仿真使其达到稳定状态，得到稳定的初始仿真模型。

(2)仿真设置部分。仿真设置的作用主要是设置各个作用力作用的时间，步数和大小。为了完成断路器各种运动过程的仿真，共有四个作用

力，分别是合闸力、手动分闸力、脱扣器上的脱扣做用力、再扣力。一般仿真设置表示没有这四个力作用下的仿真过程。

(3)脚本编辑及仿真部分。首先点击开始编辑脚本生成仿真脚本，脚本不需要用户手动填写，只需要在供选择的仿真过程中点击相应的过程即可。生成脚本后，点击开始仿真进行仿真，如果用户发现过程有问题，可以点击停止仿真，重新编辑脚本。当仿真结果后，用户可以通过录像回放查看仿真过程，并且可以将模型保存在仿真中的任何时刻，用户只需要输入对应的录像帧数，然后点击保存模型。

2.6 后处理模块

通过仿真流程得到仿真结果后，用户需要查看重要的仿真测量曲线，以了解仿真模型的性能，为设计改进提供依据。为了方便用户查看仿真结果和对重要的变量进行比较，参数化模型制作了后处理对话框，通过它可以方便地查看结果曲线以及模型运动过程，如图13所示。

图13 仿真结果后处理模块

3 结语

(1)利用ADAMS软件包及二次开发功能，建立了某款塑壳断路器机构的参数化设计模型，其用户界面友好，一般产品设计人员可以直接使用。

(2)通过建立决定部件造型的标记点，然后对标记点的值进行变量和表达式赋值的方式，实现断路器部件的参数化设计和约束的自适应调整。

(3)为了方便工程技术人员使用，采用在对话框编辑器中贴图的方式，建立了人性化的中文输入界面，通过界面即可方便地修改样机模型。

(4)完成了多个优化设计模块的添加，包括弹簧参数设置模块，电动力联合仿真模块和优化设计模块等。通过这些功能模块，实现了从建模、参数设置、调试仿真、优化设计到后处理的完整的参数化设计仿真模型。

参考文献：

[1] 陈德桂，刘庆江，康艳．塑壳断路器操作机构分断速度的影响因素[J]．低压电器，2005(12)：9-12.

CHEN Degui, LIU Qingjiang, KANG Yan. Effect of Different Factors to the Operating Velocity of Molded Case Circuit Breakers[J]. Low Voltage Apparatus,2005(12):9-12.

[2]郑建容．ADAMS虚拟样机技术入门与提高[M]．北京：机械工业出版社，2002.

[3]ADAMS公司．ADAMS用户使用手册[M]．2010.

[4]吴翊，胡正勇，黄蓉蓉，等．万能式断路器操作机构运动特性仿真分析[J]．低压电器，2011(2)：4-7.

WU Yi, HU Zhengyong, HUANG Rongrong, et al. Simulation and Analysis of Dynamic Characteristics for Operation Mechanisms of Conventional Circuit Breaker[J]. Low Voltage Apparatus, 2011(12):4-7.