关键词：
弹簧操动机构
非线性特性
故障机理
运动副间隙
建模仿真
摘要：
随着我国提出了建设“坚强智能电网”的发展目标,对高压断路器产品需求更为迫切,并对其安全稳定性与可靠性提出了更高的要求。高压断路器是高压输电系统中关键控制和保护设备,具有结构复杂、开断电流大、响应速度快、分合闸时间短、冲击振动剧烈及可靠性要求高等特点,在大功率脉冲载荷诱发下展现出复杂宽带非线性动力学特性。据统计,在高压断路器工作运行过程中出现的各种故障中,机械故障占居首位,而操动机构作为高压断路器最主要的执行单元,其动态特性直接决定了高压断路器的机械可靠性。为提高产品的机械性能与安全可靠性,形成一套系统、全面、科学的产品动态分析评价体系及研究方法是目前国内外学者及工程技术人员迫切需要解决的难题。本文结合产品在实际运行和测试过程中发生的典型机械故障现象,以某型高压断路器弹簧操动机构为研究对象,采用理论分析、仿真建模与试验测试相结合的方法,全面、深入、系统性地对其非线性动力学特性及其故障机理进行研究,主要研究内容如下:1.基于高压断路器的结构特点及工作要求,设计并搭建了弹簧操动机构机械特性与弹簧应力松弛试验平台系统,可实时采集高压断路器的位移、速度、应力、振动信号及弹簧蠕变参数等试验数据,并对数据进行分析处理以最大限度地消除测量误差。此外,建立了高压断路器典型的拒分、拒合机械故障实物模型,得到相应的机械故障特征及故障诱因,通过在线测试系统实时采集多种机械故障特征信号,为后续的数值仿真计算提供了可靠的数据来源。2.以某型高压断路器弹簧操动机构为研究对象,基于平面旋转铰间隙矢量模型,对比分析多种接触模型的动力学特性,然后采用修正的法向接触力和切向摩擦力模型描述运动副间隙的接触碰撞过程,并通过修正Craig-Bampton子结构模态综合法得到柔性体的模态集,最终建立含多间隙的多连杆机构多体动力学刚柔耦合模型,研究运动副间隙、结构柔性及接触摩擦等因素诱发的非线性动态特性,分析间隙值、间隙数、柔体数及摩擦系数诱发的多体系统动态响应规律。3.综合考虑材料弹塑性、冲击碰撞、接触摩擦等非线性因素耦合作用,建立了含三维旋转铰铰间间隙的高压断路器机械系统整机有限元参数化数值仿真模型、疲劳寿命预估模型及弹簧蠕变模型,并通过试验测试及能量平衡分析理论评估模型的精确性与可靠性,研究机械系统分、合闸过程中大功率脉冲诱发的复杂宽带非线性动态响应特性,分析关键部件挤压变形、应力集中、疲劳失效及蠕变松弛等潜在的故障机理特性。4.基于参数化数值仿真系统平台,通过参数及边载设置方法,建立高压断路器弹簧操动机构的“弹簧失效”、“间隙误差”、“锁扣失灵”、“凸轮偏距”、“机械卡涩”、过“死点”六种典型机械故障仿真模型,研究相应的典型机械故障特征,分析故障机理并寻求相应关键参数诱发故障的临界阈值。此外,基于仿真模型所生成的故障样本数据库,建立故障智能诊断模型实现故障信号的特征提取及智能识别。本文首次通过仿真建模方法对高压断路器机械系统整机模型的非线性动力学特性及其典型故障机理进行研究,揭示了关键因素对系统非线性动态特性的影响规律,并得到了关键参数诱发相应机械故障的临界阈值。此外,构建的数值仿真平台具有广泛的应用性,为实现产品的动态分析、设计优化及其可靠性的提高提供了一种科学合理的研究方法。
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