跷板开关机械特性的仿真分析与实验验证.pdf
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1、研究与分析电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)板开关机械特性的仿真分析与实验验证苏斌,何育斌,任万滨,田赡民,申会员”,彭美南,马腾,黄超文(1.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨2.宁波公牛电器有限公司,浙江慈溪315314)摘要:跷板开关是一种常用的手动控制墙壁开关。为了研究板开关的机械特性,应用COMSOLMultiphysics有限元软件,建立板开关有限元仿真分析模型,研究开关闭合的具体过程,得到开关操作力曲线,最终厘清了开关闭合回跳的原因。通过实验获得的开关操作力曲线和回跳波形与仿真结果进行对比,验证了仿真方法的可靠性。关键词:板开关;机械特性;有限元仿真;操作
2、力;闭合回跳中图分类号:TM564.5文献标志码:A文章编号:2 0 95-8 18 8(2 0 2 3)0 6-0 0 39-0 5D0I:10.16628/ki.2095-8188.2023.06.006Simulation Analysis and Experimental Verification of MechanicalSU Bin,HE Yubin,REN Wanbin,TIAN Shammin,SHEN Huiyuan,(1.School of Electrical Engineering and Automation,Harbin Institute of Technolog
3、y,Harbin 150001,China;2.Gongniu Electrical Apparatus Co.,Ltd,Cixi,315314,China)Abstract:Rocker switches is a commonly used hand-operated wall switch.In order to research the mechanicalcharacteristics of the rocker switch,COMSOL Multiphysics finite element software is used to simulate the closingproc
4、ess of switch.Through the finite element simulation,the switching force is obtained and the reason of the closingbounce is clarified.The switching force curve and bounce waveform of the actual switch are obtained throughexperiments,and compared with the simulation results to verify the reliability o
5、f the simulation method.Key words:rocker switch;mechanical characteristics;finite element simulation;switching force;closing bounce0引言墙壁开关是家居生活中必不可少的电器附件。墙壁开关的可靠性以及寿命将会直接影响其他电器运行的稳定性 。按照结构的不同,墙壁开关可以分为拉线式、拨动式、跷板式和摆片式等 2 。随着时代的发展,跷板式开关逐渐成为市场的主流产品品。跷板开关的机械动作特性主要指触点开距、触点闭合速度、过渡件转角与时间的对应关系,动作特性还可以分为静态特性与
6、动态特性,静态特何育斌(1997 一),男,博士研究生,研究方向为直流大功率接触器。任万滨(197 7 一),男,教授,研究方向为电接触理论与触点材料测评技术。*基金项目:国家自然科学基金项目(517 7 7 0 39)150001;Characteristics for Rocker SwitchesPENG Meinan,MA Teng,H U A NG Ch a o w e n?苏斌(19 9 6 一),男,硕士研究生,研究方向为电器性能测试技术。性主要指开关操作力与位移的关系,动态特性是指开关闭合过程中常开触点的接触状态与时间的关系。跷板开关的触点在操作力的作用下会发生碰撞回跳现象,引
7、起的电弧会导致触点熔焊,从而降低开关的使用寿命 4。为此,针对跷板开关内部机械传动结构以及动作过程的研究,对于提高开关抗熔焊能力和使用寿命具有实用价值。跷板开关的传动机构简单,但其动作过程中涉及动触点与静触点的碰撞,跷板与支撑片、弹子与跷板以及过渡件与弹子的滑动摩擦,理论求解运动过程难度较大,使得无法明晰触点闭合过程一3 9 一电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)研究与分析中的回跳规律。使用有限元仿真软件可以在较小的时间尺度上对跷板开关的动作过程进行分析,确定影响开关装置机械动作的关键因素。文献 5-6 采用多体动力学软件MSC.ADAMS对低压断路器的操作机构、卡住机构进行优化,有效
8、改善了断路器的动作特性。文献7 通过MSC.ADAMS软件分析了继电器关键参数对回跳的影响,大大缩短研发设计周期。文献 8 采用Creo软件仿真分析了开关装置的闭合过程,通过正交试验研究了结构参数对开关触点闭合回跳的影响。虽然目前对低压电器开关的动力学仿真有了较多的研究,但大多是基于现有的继电器、接触器内部动作机构的仿真研究,而针对板开关结构参数、材料属性和驱动方式的仿真研究较少。本文针对跷板式墙壁开关,应用商用有限元软件COMSOLMultiphysics建立了仿真分析模型,详细讲解了开关转换过程的有限元仿真方法,进而分析了开关动作过程以及其中操作力的变化,厘清了动作过程中各个零件的运动关系
9、,并通过实验验证了仿真方法的可行性。1仿真分析方法本文所述跷板式墙壁开关的内部结构主要包括过渡件、弹簧、弹子、跷板、常开接触对、常闭接触对、静簧片和支撑片。跷板开关结构示意图如图1所示。由图可知,跷板呈倒“几”字形结构,动触点铆接在跷板两端,与铆接在静簧片上的静触点组成常开接触对与常闭接触对。跷板与支撑片形成高副,运动形式为平面转动。驱动组件中的弹子与跷板形成球面高副,通过在板表面滑动驱动跷板实现触点分合。驱动组件中的过渡件通过轴心槽内的弹簧,与弹子形成一个圆柱套筒副,限制弹子只能在过渡件轴心方向上运动。过渡件驱动弹簧、组件弹子、常闭接触对、段,即弹子滑移阶段、常闭接触对分断阶段和常开接触对闭
10、合阶段。跷板开关动作过程如图2 所示。图2(a)为弹子滑移阶段,此时板保持静止状态,当外力F施加在过渡件后,产生的转矩M,带动弹子沿着跷板表面滑移,驱动组件中的弹簧被压缩。此阶段跷板受弹子推力F作用,随着弹子向支撑点靠近,常闭接触对的接触压力会逐渐减小。图2(b)为常闭接触对的分断阶段,当过渡件带动弹子运动至图中所示位置,跷板将会发生旋转运动,常闭接触对分离,当过渡件与跷板右侧斜面接触时,挤压力Fc产生的转矩M,使得跷板围绕支撑片发生旋转运动,常闭接触对完成分断任务。图2(c)为常开接触对的闭合阶段,当过渡件运动到图中所示位置,弹子对板的推力F将会产生转矩M2,使得跷板围绕支撑片发生旋转运动,
11、常开接触对完成闭合任务。LFMF(a)弹子滑移阶段M(c)常开接触对闭合阶段图2 跷板开关动作过程利用三维建模软件建立了简化后的跷板开关几何模型。将建立的三维模型导人到有限元仿真软件COMSOLMultiphysics中,形成导人后的模型。板开关仿真模型如图3所示。模型中添加旋转中心一驱动球体用于模拟对过渡件提供推力的推杆。()驱动球体板常开接触对一静簧片支撑片LFM2/皮撑(b)常闭接触对分断阶段OM图1跷板开关结构示意图典型板开关的机械动作过程可以分为3个阶一 40 一图3板开关仿真模型研究与分析电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)模型中过渡件与弹子材料设置为绝缘材料,跷板、静簧片
12、、支撑片设置为黄铜。在驱动球体推动开关动作过程中,设置球体与过渡件上表面、弹子与跷板表面、常开和常闭触点表面、跷板与支撑片表面的接触关系。接触对设置如图4所示。源边界一目标边界过渡件模拟人手推动开关,可以视为一种准静态驱动方式,设置仿真步长为0.4ms,计算时长2 50 ms,通过对驱动球体下表面的接触压力进行面积分,可以获得准静态下推动开关所需的操作力F。准静态条件下开关动作过程操作力变化如图6 所示。5阶段】4?阶段2阶段3最大操作力4.41 N000.20.40.60.81.01.21.41.6位移/mm(a)过渡件表面与触点图6 准静态条件下开关动作过程操作力变化弹子根据操作力变化趋势
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