主断路器结构分析与优化研究

摘 要：中国经济快速发展，各大城市之间的人流物流交往日益密切，随着高铁技术的发展，时空已经不再成为人们交流的主要障碍。中国目前是世界上高铁运营时速最高的国家，高铁已经成为我国一到亮丽的风景线。主断路器作为高铁动车组的总开关，其工作性能至关重要。本文利用SolidWorks建立主断路器模型，采用ADAMS软件对主断路器进行仿真分析，探究主断路器弹簧的参数的最优组合。

关键词：动车组 主断路器 仿真

1 绪论

中国地大物博，陆地面积约960万平方千米，陆地面积是仅次于俄罗斯、加拿大的第三大国家。我国南北跨越约5500公里，东西跨越约5200公里。我国人口主要分布于中东部，大部分大城市位于沿海地带，大城市与大城市直接的距离相对较远。我国是世界上第二大经济体，城市间的人流物流非常大，铁路作为中国国民经济的大动脉，我国经济发展中发挥着不可代替的作用。交通强国，铁路先行。我国铁路客运朝着快速化发展、铁路货运重载化发展。目前，我国铁路最高运营时速最高达350km/h，是世界上高铁运营时速最高的国家。动车组受电弓升弓后，电流经受电弓流入动车组主断路器。主断路器作为动车组的电源的总开关，是动车组高压电气设备最重要的部分的之一，其性能影响着动车组的安全运行。因此，动车主断路器性能优化研究成为各个国家研究热点。

2 主断路器的组成及工作原理

2.1 主断路器的组成

主断路器作为动车组电源的总开关，承担着动车组保护动车组高压电路和低压电路保护的作用，主要由分流电流部分和机械动作部分两大部分组成；分流电流部分主要有灭弧室、静触头和动触头三大部分组成。分流电流的主要作用是控制正常电流的闭合和断开。由于动车组采用工频单相25kv的高压电，在主断路闭合和断开是会产生电弧，分流电流部分的另一功能是消除电弧。机械动作部分主要功能是通过机械操动部分控制主电路器触头合闸和分闸，控制正常电流的的开断和发生电路故障短路时保护电路。操动部分主要有弹簧、液压、气动、电磁操动机构。其中弹簧操动机构具有稳定性高、成本低和使用寿命长等优点，因此应用得最广泛。

2.2 主断路器的工作原理

动车组主断路器的动作是靠空气来进行控制的，主断路器动作时所需要的空气是由动车组压缩机组提供的，压缩机组与主断路器气缸通过管路连接，压缩机组产生的压缩空气通过连接管路到调压阀，经过调压阀后进入气缸，给转换阀提供空气，同时压力开关检测气缸内的气压，控制着气缸的进出气。压缩空气到达调压阀后，调压阀将压力调在483kPa～497kPa之间。调压阀控制着主断路器的电磁连接压力开关，当调压阀空气压力低于358kPa时，主断路器开关会自动断开。当压力大于390Kpa时，主断路器才能自动闭合。为了确保压缩空气经转换阀进入气缸，保证主断路器主触头保持闭合状态，电磁阀要确保始终保持通电状态。辅助触头组装的凸轮板会随着主断路器气缸活塞移动也相应移动，辅助触点有 3 个常闭触头和3个常开触头。

2.3 主断路器合闸过程

当动车组受电弓升起后，司机室乘务员闭合主断路器开关，合闸指令传递到主断路器，调压阀气压满足主断路器闭合要求，转换阀阀芯会由于压缩空气的推动而打开，压缩空气经转换阀进入气缸内，推动活塞动作，活塞驱动传动盘，压缩复位弹簧使静触头和动触头接触，动车组上的电路连通，复位弹簧和超程弹簧由于活塞的运动压缩，当压紧块与传动盘相接触时，活塞就会停止运动。

2.4 主断路器分闸过程

当需要断开主断路器时，乘务员在司机按下主断分按钮，分闸指令经列车总线传递到主断路器，主断路器收到分闸指令后电磁阀阀芯开始动作回到原位，截断气缸的供气管路由于转换阀芯回到原位被截断，截断气缸中的空气排出，活塞因复位弹簧恢复形变产生的推力推到底部位置，使动触头和静触头分离，此时复位弹簧和超程弹簧也回到初始安装位置，动车组主电路被断开。

3 主断路器计算理论基础

3.1 气压传动技术

气动控制型弹簧操动式真空断路器因其成本低，工作性能稳定，使用寿命长等优点，因而使用得最广泛。动控制型弹簧操动式真空断路器是利用压缩机提供的压缩空气推动主断路器的操动机构实现主断路器合闸，利用弹簧机构的复位实现主断路器的分闸。气动传动主要用于搬运、输送和加工等机械设备。气动控制技术可以实现自动化和降低成本，因其还具有安全、可靠、防火、高效等优点，近年来发展越来越迅速，应用得越来越广泛。

气动系统主要有气源装置、执行元件、控制元件、气动辅件和工作介质五部分组成。气源装置是指产生压缩空气的设备（动车组空气压缩机），承担着压缩空气的产生、输送和储存的功能，为气动系统管路提供合格的压缩空气；执行元件是将一般指气缸和气马达等设备，他们的功能是将气源系统提供的压缩空气产生的空气能转换为机械能；控制元件是参与控制管路气体的元件，如单相阀和节流阀等，控制气体的流向、流量等。气动辅件是管路等辅助元件；工作介质是指压缩空气，为气动系统提供动力和能量。

在气动系统中，气缸是储存压缩空气的装置，同时也是气动系统将空气能转换为机械能的装置，使气动系统实现旋转、摆动和往复直线运动。通过控制压缩空气的流量、大小来控制气动系统的运动。气动系统的气缸工作参数可以通过职工空气的流量和方向来控制。我国动车组主断路器合闸是利用气缸的往复直线活塞运动。通过控制进入气缸的压缩空气，增大气缸内压强，压缩空气推动操动机构运动合闸，当排出气缸内空气时，压强减少，利用弹簧的复位装置恢复弹性形变实现主断路器的分闸

当机车乘务员按下主断分按键后，分闸指令传递到主断路器，断路器电磁阀工作，压缩空气从压缩机组产生后经管路进入到气缸，活塞的推力 F 和运动速度 V 可以分别表示为

F=P·A

（3-1）

V=Q/A

式中 P——作用在气缸内的气体压强

A——气缸无杆腔活塞的面积

Q——气缸内气体的流量

3.2 虚拟样机技术

虚拟样机技术可以解决传统的机械设计方法研发周期长、方案反复修改、试验周期长等缺点。相较于传统机械设计必须经过设计方案、样机研制、样机测试、样机方案修改、重新进行样机试制和试验，得到最终满意结果，最后再大批量生产上市虚拟样机技术只有数字化物理样机、功能虚拟样机和虚拟工厂仿真三个部分，基于仿真技术面向系统级设计。通过软件物理样机取代实体物理样机，从而减少虚拟样机的开发设计时间。解决产产品研发周期长，降低设计成本，提升产品的性能。在计算机相应软件上建立产品的虚拟样机模型，通过仿真分析评估测试产品的工作性能，在评估测试产品的工作性能中及时发现产品的问题，并通过修改设计方案解决产品的问题。

利用虚拟样机技术设计动车组主断路器，可以解决传统主断路器研发周期长，研发成本高等问题。传统设计主断路器的方法，首先第一步是确定主断路器的一组参数，建立生产主断路器的第一台样机，然后测试其工作性能是否满足需求，在测试中发现问题后，归纳整理问题再继续修改设计方案，然后再生产制造物理样机再进行测试，不断重复试验发现问题修改方案直至得到满足要求的结果为止。而利用样机虚拟技术，在计算机软件上建立主断路器的虚拟样机模型，然后通过仿真测试主断路器性能，发现问题就不断优化设计方案，并在软件上不断测试，直到符合要求，然后再制造第一台物理样机加以实物验证，这样不仅可以缩短设计成本，同时极大缩短时间，提升了设计主断路器的设计效率。

4 主断路器仿真模型

4.1 主断路器三维仿真模型

SolidWorks是当今应用得最广泛的三维建模软件，它具有易于学习，易于操作和功能强大等特点，可以解决复杂实体的三维建模、装配和生成实体产品的二维图纸。虽然ADAMS也可以建立一些比如圆柱体、球体和圆柱体等一些简单的图形，ADAMS相较于专业的三维绘图软件在建模功能上相对较弱，对于主断路器这种结构复杂的实体模型建立模型十分困难，利用ADAMS对模型参数化分析比如弹簧要求自带的模型库进行建模。利用SolidWorks建立主断路器模型过于复杂，为了减少计算量和建模的难度，在不影响仿真结果的情况下，需要对模型进行简化处理，保留主要的零部件删除多余零部件，合并具有相同运动状态的零部件。简化后的动车组主断路器模型如图1所示。

4.2 动车组主断路器虚拟样机模型

利用ADAMS 软件迅速准确搭建动车组主断路器虚拟样机计算模型，运用 ADAMS 与 AMESim 软件联合仿真数学计算模型，首先第一步先利用动车组主断路器现有的参数数据进行仿真分析，然后主断路器实体试验结果分析比较，验证主断路器仿真分析结果的正确性，确保后续的优化分析结果的准确性。

ADAMS不能直接使用利用SolidWorks 软件建立的主断路器三维图形，因此先将主断路器三维模型另存文件格式，文件格式为.Parasolid，然后从ADAMS 文件导入窗口导入主断路器三维模型。导入模型后，定义主断路器操动机构各零部件的材料，从ADAMS文件库中创建超程弹簧和复位弹簧。再对主断路器施加约束和施加载荷。动车组主断路器虚拟样机模型如图2所示。

5 主断路器参数优化设计

根据经验和试验结果可知，弹跳和合闸成正比例关系，合闸速度越快，弹跳也越大，反之，合闸速度越慢，跳弹也越小。合闸速度同时也会影响着主断路器的使用寿命，当合闸速度变大时，合闸触头触头的弹跳力会变大，过大的会影响合闸触头的使用寿命，从而影响主断路器的使用寿命。合闸弹片的大小、气缸的物理参数和工作气压是影响着合闸速度的主要因素，改变它们的参数就可以改变合闸速度。目前，主断路器的合闸速度及弹力大小均处于一个合理期间，满足使用要求，因此通过改变气动回路改变减少弹跳的没有多大意义。

经受电弓引入动车组的电压达25KV，因此在主电路器合闸期间，动、静触头在接触后会由于高电压产生强大的冲击力引起弹跳，为了减少弹跳，主断路器增加设置弹簧机构减少振动起到缓冲的作用。弹簧属于操动机构的一部分，因此操动部分的结构参数对弹跳有很大影响，因此，研究弹簧操动机构优化减少主断路器合闸时弹跳有重要意义。实践证明对合闸弹跳起到重要影响的是预载荷和弹簧的刚度，弹簧操动机构的主要部件为超程弹簧和复位弹簧。如果通过传统的机械设计方法进行优化设计主断路器，就得事先生产制造多个不同组合的弹簧刚度组合，这样就会延长研发时间和成本。利用虚拟样机技术，可以直接在软件仿真分析弹簧刚度参数变化对弹跳的影响，寻找最佳的弹簧刚度组合。通过仿真分析可得：超程弹簧刚度为12361.7 N/m，超程弹簧预载荷80.6N，复位弹簧刚度11535.5N/m，复位弹簧预载荷 90.5 N。

基金项目：广西高校中青年教师科研基础能力提升项目《基于虚拟样机技术的动车组主断路器开闭特性分析及优化》项目资助，项目编号：2024KY1467。

参考文献：

[1]邓文明.动车组主断路器分析优化与试验研究[D].成都：西南交通大学，2020.

[2]张超.动车组主断路器转换阀噪声分析与降噪研究[D].成都：西南交通大学，2024.

[3]夏尚文.轨道交通车主断路器电磁操动机构小型化研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2019.