斷路器的機構是斷路器的核心部分，而機構的分斷速度是機構的一個關鍵因素，該參數直接決定了機構的動作時間，關系到斷路器在大電流作用下能否有足夠的分斷能力達到保護其他電器的作用。由于該機構在分斷時是由原先的四連桿機構變為多連桿機構，其復雜程度難以用人工計算得出準確的結果。

但隨著計算機技術的發展，美國MDI公司提出了多體動力學計算軟件ADAMS，該軟件很好地解決了斷路器分斷過程復雜的計算。本文就斷路器機構的結構，通過建立機構骨架再結合ADAMS軟件的計算能力，提出了一種通過驗證能較準確獲取分斷速度和動作時間的方法。

1 機構骨架及各構件間的運動關系

如圖1所示是某小型斷路器的機構骨架，其中AB為手柄，BC為二力桿，CD為跳扣,O’EF為鎖扣，OD為支架，ON為觸頭，當前狀態為斷路器在合閘狀態下的骨架簡圖，由于跳扣被鎖扣鎖住，OCD為一個整體可以等效為一個桿件，并繞O點可以轉動，整個機構ABCO就是一個處于平衡狀態下的四連桿機構。

在手柄受到開閘力和扭簧T1影響的時候AB桿繞A逆時針運動，同時OCD整體被帶動繞O點逆時針運動，整個四連桿機構過死點后(如圖2點劃線位置) 會在G點撞擊觸頭，最后在限位特征作用下呈穩定狀態，實現分閘，如圖2所示。

該分閘過程是一個四連桿的變化過程，可以通過相關計算公式來計算，然而在大電流作用下產生的電磁力將EF點解鎖時，跳扣CD和支架OD都為自由桿件，支架OD在壓簧K和扭簧T2作用下繞O點逆時針高速運動在G點碰到觸頭ON實現分斷，如圖3所示。

整個機構由原來的ABCO四連桿機構變為ABCDO五連桿機構，在此過程中由于EF兩點的限位作用的解除，機構將多出兩個自由度，該五連桿機構為二自由度的多桿機構，其運動具有不確定性，計算非常繁瑣，本文就此分斷過程借助ADAMS的多體動力學計算功能來完成脫扣分斷速度的計算。

圖1 合閘機構骨架

圖2 分閘機構骨架

圖3 脫扣機構骨架

2 根據機構骨架建模

2.1 導入骨架

由于ADAMS本身CAD功能較弱，在此需要借助輔助軟件PRO/E的CAD能力，根據機構各構件連接關系和尺寸，提取對應圖1骨架的關鍵桿件長度，選定O點為坐標原點，在PRO/E草繪里用約束的形式將機構在合閘穩定時的骨架呈現出來，如圖4所示。

將PRO/E里建立的骨架簡圖轉化為x_t中間格式,必須選定O點坐標系，導入到ADAMS里，其主要目的為給ADAMS建模時提供關鍵點A、B、C、D等的位置。

圖4 PRO/E骨架簡圖

2.2 ADAMS建模

根據PRO/E導入的簡圖，用ADAMS里面連桿模型通過每個關鍵點來建立每個構件，由于要計算脫扣的分斷速度，不需要建立鎖扣，只要模擬機構從跳扣解鎖瞬間到達到最大開距的整個過程。

由于ADAMS選取系統內每個剛體質心在慣性參考系中的三個直角坐標和確定剛體方位的三個歐拉角作為笛卡爾廣義坐標，用帶乘子的拉格朗日第一類方程處理具有多余坐標的完整約束系統或非完整約束系統，導出以笛卡爾廣義坐標為變量的動力學方程,以這些動力學方程來建立運動副約束各部件的自由度。

基于ADAMS計算原理，必須給定ADAMS計算所必須的質心、質量及轉動慣量，用PRO/E分析質量屬性功能可以獲取每個零件質量及相對O坐標系的質心和轉動慣量，見表1，必須保證ADAMS里和PRO/E原點坐標系都為O坐標系，才能保證數據一致。

表1 零件參數

根據機構的運動關系，用對應的約束將構件間連接起來，并在鉸鏈位置添加相應的摩擦力，最后添加必要的激勵手柄扭簧、支架扭簧和壓簧，將激勵在脫扣瞬間對應的預載荷和剛度給定，見表2，完成整個模型的建立。

在ADAMS里所建模型如圖5所示，體現了骨架各個關鍵要素，忽略其外在形狀。建立相應腳本即可以此模型模擬仿真脫扣分斷的整個過程，并以圖形界面直觀的表現出各個桿件的運動規律，并可求得相應的分斷速度、時間和開距間的相互關系。

圖5 ADAMS模型

表2 激勵

3 實驗驗證

3.1 ADAMS仿真結果

通過建立腳本，用以上模型仿真一個多步長，持續4ms的脫扣過程，保存仿真結果。通過ADAMS測量工具獲取分斷速度與時間的關系以及開距與時間的關系。如圖6所示，從該曲線上可以得到在該產品設計的最大開距5.2時對應的時間為2.9ms，即整個機構的動作時間，其從觸頭從開始分開到最大開距的時間為1.6ms。

圖6 開距與時間關系曲線

同樣可以得到機構分斷速度與時間的關系，如圖7所示：

圖7 分斷速度與時間關系曲線

取開距為橫坐標，分斷速度為縱坐標，如圖8，可以直觀的看到在觸頭打開距離與對應觸頭的速度，幫助分析機構是否能在分斷產生電弧時迅速拉開電弧，有利熄滅電弧。

圖8 分斷速度與開距關系曲線

3.2 實驗對比

本文采用一個簡易的實驗裝置對該斷路器在脫扣情況下，測量觸頭從開始打開瞬間到達到最大開距時的時間，將該時間對比仿真結果來驗證正確性。所搭建的實驗裝置的線路圖如圖9所示。

圖9 實驗電路圖

該實驗裝置用到一個示波器、電源及兩個小電阻，在斷路器處于合閘時，示波器通道CH1處于高電平，CH2處于低電平，設置CH1為下降沿觸發，用觸發裝置將鎖扣撥動，使機構實現脫扣，脫扣后在觸頭分開瞬間CH1通道零電壓將被觸發，同時在觸頭達到最大開距時接通R2將觸發CH2通道，對比測量兩個通道獲取波形在觸發時的時間差即為觸頭從開始打開瞬間到達到最大開距時的時間。

實驗結果如圖10、圖11所示，取6組實驗結果做平均值計算為1.69ms。

圖10 實驗波形圖

圖11 實驗波形圖

對比仿真結果與實驗數據，在觸頭從打開瞬間到最大距離所用的時間分別為1.6ms和1.69ms，結果非常接近，從時間上驗證該方法可以準確的模擬出機構在脫扣瞬間的分斷速度及相關參數。

4 結論

本文就某小型斷路器為例，通過PRO/E建立其在合閘穩定狀態下的機構骨架，用該機構骨架給ADAMS建模奠定各桿件的關鍵點位置，再賦予各構件正確的質量、質心及轉動慣量，可以正確的模擬出機構脫扣的分斷過程。

相比將整個模型導入ADAMS建模仿真，計算更快速更有針對性，結果更準確；模擬了分斷過程機構復雜的變化過程；從實驗來看觸頭的動作時間非常接近，從一方面驗證了該方法的正確性。

從仿真結果看該機構前1.3ms為脫扣瞬間到觸頭分開瞬間的時間，即機構動作的固有時間，在觸頭運行到最大開距5.2mm時，所用時間為2.9ms，此時速度為5.2m/s，與國內外相關文獻獲取的結果相仿，進一步說明這個方法較為準確，有一定的實際意義。

本文編自《電氣技術》，標題為“基于ADAMS的斷路器分斷速度計算”，作者為鄭云、林川。