一种降低开关操动机构绝缘拉杆瞬态冲击载荷的方法技术

本发明专利技术公开了一种降低开关操动机构绝缘拉杆瞬态冲击载荷的方法，属于高压开关与数字仿真研究领域。该方法包括以下步骤：1、根据开关几何模型，建立瞬态动力学有限元模型，完成高压开关分闸过程的动力学计算，提取绝缘拉杆瞬态冲击载荷峰值。2、接触面的形状参数化。3、实验设计(DOE)计算及敏感度分析。4、利用优化算法寻找最优参数点，生产最优样条曲线。该方法可以有效的减小开关动作时在绝缘拉杆上产生的冲击应力，提高开关可靠性。

Method for reducing transient impact load of insulated pull rod of switch actuating mechanism

The invention discloses a method for reducing the transient impact load of an insulating rod of a switching actuating mechanism, belonging to the field of high voltage switching and digital simulation. The method comprises the following steps: 1. A transient dynamic finite element model is established according to the switching geometry model, and the dynamic calculation of the switching process of the high voltage switch is completed, and the transient impact load peak value of the insulating rod is extracted. 2, the shape of the contact surface parameterization. 3 experiment design (DOE) calculation and sensitivity analysis. 4, the optimization algorithm is used to find the optimal parameter points and to produce the optimal spline curve. This method can effectively reduce the impact stress on the insulating rod and improve the reliability of the switch.

【技术实现步骤摘要】
一种降低开关操动机构绝缘拉杆瞬态冲击载荷的方法
本专利技术属于高压开关与数字仿真研究领域，特别涉及一种降低高速开关操动机构绝缘拉杆瞬态冲击载荷的方法。
技术介绍
随着电力系统的发展，电力系统对电力开关的要求越来越高。依靠涡流斥力原理的电磁斥力操动机构由于在快速性和可靠性方面有突出的优点而成为研究的热点。斥力操动机构具有结构简单、动作速度极快、可靠性高的优点，因此得到了国内外学者的重视与研究。电磁斥力机构与真空灭弧室相连形成高速的真空开关，真空开关分闸操作时，由于电磁斥力机构产生的斥力峰值能够达到几十甚至几百kN，使得起传动作用的绝缘拉杆会遭受巨大脉冲斥力反复的冲击，极易发生断裂，从而导致真空开关可靠性急剧降低。经过分析发现，力的传递是通过真空开关的触头弹簧组件完成的，而传递过程中触头弹簧组件内两个零部件发生接触碰撞会导致反复的冲击载荷作用在绝缘拉杆上，从而造成对绝缘拉杆的应力冲击。
技术实现思路
本专利技术针对现有高压开关高速操动机构技术中的不足，提出了一种降低开关操动机构绝缘拉杆瞬态冲击载荷的方法，使其在现有技术的基础上，通过对零部件形状的优化，实现了在不影响机构动作速度的情况下，有效的减小碰撞后在绝缘拉杆上产生瞬态冲击载荷，从而提高开关的可靠性。本专利技术是通过以下方法实现的：一种降低开关操动机构绝缘拉杆瞬态冲击载荷的方法，包括以下步骤：1)根据开关操动机构的几何模型，建立瞬态动力学有限元模型，完成动力学计算，提瞬态冲击载荷峰值；2)绝缘拉杆接触面的形状参数化；3)实验设计计算：a、改变接触面几何尺寸；b、重新生成有限元模型并计算，提取瞬态冲击载荷峰值；c、记录接触面几何尺寸及瞬态冲击载荷峰值；d、重复多次步骤a～c；4)利用优化算法寻找尺寸的最优以达到瞬态冲击载荷最低并实现强度满足要求的最优参数点，生产最优样条曲线。在步骤1)具体为：根据开关操动机构二维轴对称模型，建立的瞬态动力学有限元模型，输入开关操动机构的驱动力随时间变化的曲线作为激励，记录绝缘拉杆的初始瞬态冲击载荷的峰值，作为与优化结果对比的值。步骤2)中，对于二维模型，将接触面转变为两条接触的曲线，其参数化过程为：2.1)在接触面的轮廓曲线上各建立n个控制点；2.2)通过这2n个点生成两条样条曲线。4、如权利要求3所述的降低开关操动机构绝缘拉杆瞬态冲击载荷的方法，其特征在于：在步骤b)具体为：3.1)改变接触面曲线参数点的值后，建立新的瞬态动力学有限元模型，将建立的两条参数化曲线分别与其它线生成封闭的多边形，并代替之前的多边形，且为生成的新多边形划分网格；3.2)在步骤2)中新生成的样条曲线上设置接触；3.3)重新进行瞬态动力学计算，并提取构件瞬态冲击载荷峰值。在步骤4)中，综合使用梯度优化算法和波音探索算法，对参数化的曲线进行优化计算，得到的瞬态冲击载荷的峰值与初始瞬态冲击载荷的峰值比较，以瞬态冲击载荷最低为目标，寻找尺寸的最优以达到瞬态冲击载荷最低并实现强度满足要求的最优参数点；其中，尺寸优化的设计变量是接触面形状。步骤3)中还包括敏感度分析步骤：根据每次计算的曲线参数以及冲击载荷峰值，生成各参数对于冲击载荷峰值的敏感度，根据敏感度分析判断曲线参数的全局最优解。相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术降低真空开关操动机构绝缘拉杆瞬态冲击载荷的方法，以减少电磁斥力冲击力、利用机构的工程化为优化目标，利用仿真软件ANSYSMechanical以及优化算法，对真空开关机构触头弹簧内两个部件接触面进行参数化仿真计算，得到该接触面一组优化的设计参数。通过对零部件形状的优化，应用优化的参数后可以在不影响开关动作速度的情况下，有效的减小开关动作时在绝缘拉杆上产生的冲击应力，提高开关的可靠性。进一步，DOE计算及敏感度分析可以防止优化计算时仅求得局部最优解而非全局最优解。【附图说明】图1为本专利技术实施例提供的降低高压开关操动机构绝缘拉杆瞬态冲击载荷方法流程图；图2为本专利技术实施例提供的接触面位置局部放大图；图3为本专利技术实施例提供的接触面几何参数的敏感度分析图。【具体实施方式】为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用以限定本专利技术。下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：如图1所示，给出了本专利技术提供的一种降低真空开关操动机构绝缘拉杆瞬态冲击载荷的方法流程。为了便于说明，仅仅示出了与本专利技术相关的部分。本专利技术实施例的降低真空开关操动机构绝缘拉杆瞬态冲击载荷的方法，该方法的步骤包括：步骤一、根据开关几何模型，建立瞬态动力学有限元模型，完成真空开关分闸过程的动力学计算，提取绝缘拉杆瞬态冲击载荷峰值。对于真空开关机构的触头簧组件，一般为轴对称模型，因此，实际的机构模型通常为二维轴对称模型。例如在ANSYSMechanical中建立的瞬态动力学有限元模型，输入机构的驱动力随时间变化的曲线作为激励，将所关心部件(如绝缘拉杆)的瞬态冲击载荷的峰值记录下来，作为与优化结果对比的值。步骤二、接触面的形状(几何尺寸)参数化。如步骤一中描述的，对于二维模型，接触面即转变为两条接触的曲线，则两条曲线的参数化过程为：(1)在接触面的轮廓曲线上各建立n个控制点；(2)通过这2n个点生成两条样条曲线；如图2所示，在碰撞接触面的轮廓线，在接触面上定义8个参数x1～x4和y1～y4，并分别形成两条样条曲线。步骤三、生成新的有限元模型。1)改变接触面曲线参数点的值会破坏在步骤一中进行的有限元计算设置，因此需要建立新的瞬态动力学有限元模型。1.1)将步骤二中建立的两条参数化曲线分别与其它线生成封闭的多边形，并代替之前的多边形，且为生成的新多边形划分网格；1.2)在步骤二中在新生成的样条曲线上设置接触，1.3)重新进行瞬态动力学计算，并提取构件瞬态冲击载荷峰值。2)实验设计(DOE)计算及敏感度分析DOE计算及敏感度分析可以防止优化计算时仅求得局部最优解而非全局最优解；将上述步骤1)中的内容实施多次，并对每次计算的曲线参数以及冲击载荷峰值进行记录，最后生成DOE计算结果以及各参数对于冲击载荷峰值的敏感度，如表1所示，为本专利技术实施例提供的DOE计算结果(其中：该次DOE计算并记录了70组值)。表1如图3所示，为各参数对于冲击载荷峰值的敏感度。根据每次计算的曲线参数以及冲击载荷峰值，生成各参数对于冲击载荷峰值的敏感度，根据敏感度分析判断曲线参数的全局最优解。步骤四、利用优化算法寻找最优参数点，生产最优样条曲线。根据步骤四中完成的参数化曲线对最大冲击载荷峰值的DOE计算和敏感度分析。综合使用了梯度优化算法和波音探索算法，对参数化的曲线进行优化计算，通过寻求尺寸的最优以达到瞬态冲击载荷最低并实现强度满足要求，从而达到设计目标。在该优化中，瞬态冲击载荷最低为目标，尺寸优化的设计变量是接触面形状。如表2所示，本专利技术实施例提供的接触面几何参数最终优化结果。接触面设置为该尺寸能够使绝缘拉杆轴向拉力峰值降低了25.5％。表2x1x2x3x4y1y2y3y40.710.4210.14-0.710.450.71以上各实施例仅用以说明本专利技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本专利技术进行了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种降低开关操动机构绝缘拉杆瞬态冲击载荷的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据开关操动机构的几何模型，建立瞬态动力学有限元模型，完成动力学计算，提瞬态冲击载荷峰值；2)绝缘拉杆接触面的形状参数化；3)实验设计计算：a、改变接触面几何尺寸；b、重新生成有限元模型并计算，提取瞬态冲击载荷峰值；c、记录接触面几何尺寸及瞬态冲击载荷峰值；d、重复多次步骤a～c；4)利用优化算法寻找尺寸的最优以达到瞬态冲击载荷最低并实现强度满足要求的最优参数点，生产最优样条曲线。

【技术特征摘要】
1.一种降低开关操动机构绝缘拉杆瞬态冲击载荷的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据开关操动机构的几何模型，建立瞬态动力学有限元模型，完成动力学计算，提瞬态冲击载荷峰值；2)绝缘拉杆接触面的形状参数化；3)实验设计计算：a、改变接触面几何尺寸；b、重新生成有限元模型并计算，提取瞬态冲击载荷峰值；c、记录接触面几何尺寸及瞬态冲击载荷峰值；d、重复多次步骤a～c；4)利用优化算法寻找尺寸的最优以达到瞬态冲击载荷最低并实现强度满足要求的最优参数点，生产最优样条曲线。2.如权利要求1所述的降低开关操动机构绝缘拉杆瞬态冲击载荷的方法，其特征在于：在步骤1)具体为：根据开关操动机构二维轴对称模型，建立的瞬态动力学有限元模型，输入开关操动机构的驱动力随时间变化的曲线作为激励，记录绝缘拉杆的初始瞬态冲击载荷的峰值，作为与优化结果对比的值。3.如权利要求2所述的降低开关操动机构绝缘拉杆瞬态冲击载荷的方法，其特征在于：步骤2)中，对于二维模型，将接触面转变为两条接触的曲线，其参数化过程为：2.1)在接触面的轮廓曲线上各建立n个控制点；2.2)通过这2n个点生...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘广义，李龙，庞博，辛昭昭，金松安，陈冰，
申请(专利权)人：中国西电电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61