基于matlab的折臂式高压隔离开关机构动态分析.pdf

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基于MATLAB的折臂式高压隔离开关机构动态分析 折臂式高压隔离开关机构 MATLAB matlab中 隔离开关 Matlab 机构中 中基于 折臂式高压隔离开关 MATLAB中
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·信息技术· 张帆,等·基于MATLAB的折臂式高压隔离开关机构动态分析 基于MATLAB的折臂式高压隔离开关机构动态分析 张帆1,汤文成1,王鹏2,李巍2 (1.东南大学机械工程学院。江苏南京211189;2.江苏泰事达电气有限公司,江苏泰州225300) 摘要:通过解析法对折臂式高压隔离开关机构进行运动学求解,得到机构不同状态的位置 解,并且得到构件速度、角速度、角加速度之间的关系。通过MATLAB自带的GUI图形用户界 面实现高压隔离开关机构的运动仿真,对位置求解进行可视化显示。并通过ADAMS仿真分析 软件对基于MATLAB的动态分析结果进行验证,结果显示,基于MATLAB的动态仿真能够正 确直观的反应机构的运动状态,且易于修改,适合高压隔离开关初期设计。 关键词:高压隔离开关;动态仿真;机构;GUI 中图分类号:THll3.2+5 文献标志码:A 文章编号:1671.5276《2013)05.0081.05 D,r】Banlic Simulation of Folding Boom High-voltage Switchgear Mechanism Based on MATLAB ZHANG Fanl,TAMG Wen—chen92,WANG Pen92,LI Wei2 (1.School of Mechanical Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,China; 2.Jiangsu Taishida Electric Co..Ltd.,Taizhou 225300.China) Abstract:The article uses the analytical method to solve the kinematics position with different gestures and sets up the relationships among the component velocity,angular velocity and angular acceleration.MATLAB is used with a GUI graphical user interface to a- chieve the kinematics simulation of high voltage switchgear.The dynamic analysis results are tested and verified based on MATLAB by ADAMS.The results show that the dynamic simulation based on MATLAB intuitively responds to the state of mechanical motion and it is easy to be modified.The method is helpful to the initial design of the high—voltage switchgear. Key words:high·voltage switchgear;dynamic simulation;mechanism;GUl 0 引言 高压隔离开关一般与高压断路器串联部署,是一种应 用广泛且十分重要的高压配电设备。折臂式高压隔离开 关由驱动机构和开、合闸机构组成,机构的运动规律由杆 件和齿轮的尺寸决定。目前针对高压隔离开关机械特性 的研究仍然偏少,高压隔离开关机构的性能还有一定的提 升空间。国内外电器公司通常采用新材料、新技术、新工 艺,对隔离开关的触头回路系统、传动系统、操动机构以及 支架不断进行改进设计,以不断地提高产品的技术参数、 完善产品性能,使产品的绝缘结构、通流能力和机械传动 等方面更加可靠耐久。 从本质上分析与研究折臂式高压隔离开关机构设计 变量对机构性能的影响具有重要的意义。对机构的运动 学分析是评价机构性能的一个重要手段,不仅可以验证机 构实现规定功能的可能性,而且运动学分析是机构动力学 分析的基础。机构运动分析的目的在于确定机构中各构 件的位置,以及一些构件上特定点的轨迹,从而确定机构 的行程。同时,可以确定机构的角速度、角加速度以及某 些特定点的速度和加速度等运动参数,这些参数是评价机 构运动和动力性能的基础。总之,运动分析是了解分析机 构的基本手段。 1机构运动分析的关键解析方法 本文应用矢量环(矢量链)方法对机构的运动进行求 解分析,高压隔离开关机构分为曲柄摇杆机构和开合闸机 构,曲柄摇杆是闭合的矢量环,开合闸机构是类似于机器 人手臂的矢量链,采用这种方法能够很好的对机构的位置 进行求解,折臂式高压隔离开关的机构简图如图1所示。 图1折臂式高压隔离开关机构简图 如图2所示,是驱动机构(曲柄摇杆)简化矢量环图, 按照矢量加法原则,两对矢量(坞,飓)和(R。,R。)相加的 结果应相等,得到的数学表达式为: R2+尺3=尺l+尺4 (1) 式(1)表明矢量尺:和恐相加所得到的位移矢量和矢 量尺.和尺。叠加所得到位移矢量是相同的。规定水平线正 基金项目:国网电力科学研究I彩南京南瑞集团公司科技项目,编号(SGEPRIZD一004.01) 作者简介:张帆(1987一),男,安徽阜阳人,硕士研究生,研究方向为结构分析与优化。 Machine Building 8 Automation,Ju.2013,42(5):81—85 ·8l· 万方数据 ·信息技术· 张帆,等·基于MATLAB的折臂式高压隔离开关机构动态分析 工 图2驱动机构的闭环矢量图 方向逆时针旋转到矢量端的角度为正,分解闭环矢量方程 得到两个分量表达式为: /'2COS 02+r3COS 03 2rlCOS 0l+r4COS 04 (2) r2sin 02+r3sin 03 2rlsin 0l+r4sin 04 (3) 矢量夹角随时间变化,所以需对式(2)、(3)进行求 导,角度0。对时间的一阶导数为角速度tO。,角度0。对时间 的二阶导数为角加速度di,在运动分析中,规定曲柄的转 动是匀速的,这也符合高压隔离开关的运作要求,所以tO: 是一定值,求导结果写成矩阵的形式: [,-,r。a。s。in口,0_3r。4。s。inp0。4】[::】=。w一山2:r2,s:i。n。0。2口:】c4, 同理,规定曲柄的角速度∞:和角加速度d:已知,闭 环矢量方程二阶导数写成矩阵的形式如下: 黑-r3 s喝in 03叩r4。si。n以04心2 E篡0篡2篡2纛%一荔2F3sin 03-/.4s—in 0。】㈣【一a2 r2cos p2+∞;r2sin p2+∞; ∞; 4J 卜7 如图3所示是合闸机构简化后的矢量链图,铰链点处 的转角口,和巩是水平线和各自杆轴线形成的逆时针夹 角。从坐标原点到动触头终点的矢量是上下导电杆的位 移矢量之和,即: R,=R。+见 (6) 石 图3合闸机构的矢量链图 R。没有与机构中的连杆固结或运动,所以将矢量R, 写成坐标投影形式如下: 石7 2r5COS 05+r6COS 06 (7) Y7--r5sin 05+r6sin 06 (8) 同理,对上面的方程求导,然后将其写成矩阵的形式: 2机构运动仿真模型的建立 ·82· (9) 2.1 GUI对象的建立 MATLAB中的DUIDE提供了多种设计模板,可以轻 松建立需要的GUI对象.同时自动生成对应的M文件框 架,这样可以很大程度上简化GUI应用程序的创建工作。 可以直接使用这种框架编写函数代码,GUIDE模板中包 含相关的回调函数,可以打开对应的M文件,查看或修改 函数,实现所需的功能。 如图4所示,机构的参数输入界面,参数输入控件和 显示控件放在控制面板(panel)内,控件包含:编辑框 (Edit Text),静态文本(Static Text),坐标轴(Axes),弹出 式菜单(Pop—up Menu),按钮(Pushbutton)和控制面板 (Panel)。输入参数包含:曲柄长度(AB),连杆长度 (BC),摇杆长度(DC),机架长度(AD),下导电杆长度 (DO),上导电杆长度(OQ),齿轮(MO),曲柄转速(n)和 曲柄转向(顺时针、逆时针)。 囤圄;…野j ;,一j. J芷兰J 图4机构参数输入界面 输入界面右侧为高压隔离开关机构运动简图的显示 控件,下侧三个按钮分别为:参数输入确定、运动分析动画 和程序退出。 图5为机构动态分析输入和显示界面,主要功能是实 现仿真动画、部分机构角速度、角加速度和机构位置的输 出。控制框右侧实现仿真次数的控制、开始仿真和程序退 出的功能。 图5机构动态分析输入与显示界面 2.2机构参数关系的建立 驱动机构(曲柄摇杆)位置求解通过非线性数值求解 http://ZZHD.chinajoumal.net.cn E-mail:ZZHD@chainajoumal.net.cn《机械制造与自动化》 甜 甜 民 .m靠 w 觯以, .掣啪 万方数据 ·信息技术· 张帆,等·基于MATLAB的折臂式高压隔离开关机构动态分析 方法求的,摇杆DC和下导电杆DO固连,两杆之间的夹角 CDO为定值。上导电杆OQ的转角由下导电杆DO与拉 杆EF之间的相对位移和齿轮分度圆直径决定。 曲柄按照0.5。的步幅旋转,调用非线性求解程序un— titledl23,求的720组机构的位置解。一般来说,牛顿一辛 普森法所求得的结果依赖于给定的初始估计,所以估算曲 柄摇杆处于死点(高压隔离开关处于合闸位置)时杆件的 转角,每次求得的位置解接近下一个位置解,所以在求下 个位置解时,曲柄转角等量增加,其他杆件的估算位置解 继承上一位置解,这样可以加快计算速度,并且可以避免 得到我们不需要的位置解,求解程序如下: for i=1:720 ths=Untitledl23(AB,BC,DC,AD,DE,DO,MO,aerfa0,aerfa, bataO); ansles(i,:)=[aerfa(1)/D2R ths(1)/D2R ths(2)/D2R ths(3)/D2R ths(4)/D2R ths(5)0]; aerfa(1)=aerfa(1)+dth}t; aerfa(2)=ths(1); aerfa(3)=ths(2); end 求得的720组解贮存在矩阵angles里面,拉杆EF的长 度是不断变化的,这样才能带动上导电杆转动,每次上导电 杆转动的角度是拉杆EF长度变化和齿轮分度圆半径的比 值。规定上导电杆在合闸位置的初始值,实现程序如下: for i=2:720 angles(1,7)=bata30; angles(i,7)=angles(i一1,7)+(angles(i,6)一angles(i一1,6))/ MO}180/pi; end 求得位置解后,继续考虑杆件角速度和角加速度之间 的关系,一般规定曲柄的角速度为定值,角加速度为O,可 以按照矢量环(矢量链)方法求的上述参数之间的关系, 实现程序如下: omigal=pi}nl/30; for i=1:720 omisa2(i)=omigal}AB}sin(aerial(i)}D2R—aerfa3 (i)}D2R)/(BC}sin(aeffa3(i)+D2R—aeffa2(i)}D2R)); alph2(i)=(一omigaI‘2{All}COS(aerfal(i)}D2R—aeffa3(i)} D2R)+omiga3(iy2}DC—omiga2(i)62}DC十cos(aeffa2(i)}D2R— aeffa3(i)}D2R))/(BC}sin(aeffa2(i)}D2R—aerfa3(i)}D2R)); end 进行匕述计算后,得到机构转角、角速度和角加速度之间 的关系,最后还要共心机构铰链处的坐标,实现的程序如下: for i=1:720 yB(i)=yA+AB}sin(angles(i,1)+D2R); xS(i)=xA+AB+cos(angles(i,1)}D2R); xM(i)=xE+angles(i,6)}COS(angles(i,5)}D2R); yM(i)=yE+angles(i,6)}sin(angles(i,5)}D2R); end 2.3机构动态显示 结构的动态显示是对上述求得的位置解的可视化显 示,通过MATLAB自带的图形输出功能,实现对机构的动 Machine Building 8 Automation,Jun 2013,42(5):81—85 态显示。显示的内容包括:铰链、杆件、机架和齿轮。 显示的数据来源于位置求解的结果,实现参数输入确 定的GUI界面如图6所示,参数输入确定后,点击视图中 的参数输入确定,根据相关程序计算曲柄在旋转一周的过 程中机构的位置。点击运动分析动画,实现机构的动态仿 真显示。 肾, ‘’铲 I 图6参数输入确定界面 MATLAB的基本工作空间是‘base’空间,但各个工作 空间之间的变量是不能直接引用的,而对于脚本文件来 说,其工作空间与基本工作空间‘base’是可以共享的,其 运算中用到的中间变量也会在基本工作空间‘base’中保 留。所以为了实现工作空间的共享,用assignin函数为工 作空间的变量指派值,用evalin函数实现工作空间中某个 表达式字符串,并将结果返回。实现程序如下: assignin(“base’,’xA’,xA);∞signin(+‘base’,“yA’,yA); assignin(“base7,“alph2’,alph2);assignin(七ase’,。‘alph3“,alph3); alph3=evalin(“base 7,“alph3’);alph2=evalin(“base 7,7alph2九 C=evalin(“base’,,c’); 实现位置求解工作空间与基本空间‘base’共享后,根据 计算结果实现机构初始位置的显示,定义线的颜色、点型大 小和擦拭方式。对于杆件的显示定义使用MATLAB中的line 函数,以曲柄AB为例,初始条件的实现程序如下: 11=line([xA;xB(1)],[yA;yB(1)],’color’,’b 7,’linestyle 7,7一 ’,’linewidth’,2,“erasemode7,“xor’,7parent’,hhl); 铰链的初始位置是以点坐标为基础,添加相应的线的颜 色、点型大小和擦拭方式等。以A点为例,实现程序如下: hi=line(xA,yA,’Color’,[1 0 0],’Marker’,7.7,7MarkerSize 7, 20,’EraseMode7,’’xor7,7parent 7,hhl); 齿轮的位置由O点坐标决定,形状为圆形,直径是齿 轮分度圆直径,对圆形图案的显示由函数rectangle完成, rectangle函数用来显示矩形框图,但是可以控制矩形的圆 角来实现对圆形框图的显示,同时函数可以设置线形、线 宽、颜色、擦拭方式和显示依赖的坐标图,函数表述如下: k=rectangle(’Position’,[xO(1)一84,yO(1)一84,168,168],’ Curvature’,[1,1],’linestyle’,。’,’linewidth’,2,7FaceColor 7,’Y’,’ erasemode 7,“xor7,“parent’,hhl); 初始位置确定后,要实现机构的运动分析,根据机构 位置解,不断地修改机构的位置,不断刷新屏幕,实现机构 的动态仿真。这一过程用while循环控制,Bin参数是用 ·83· ∥亭 一 一●-e苫 万方数据 ·信息技术· 张帆,等·基于MATLAB的折臂式高压隔离开关机构动态分析 来控制仿真次数,实现程序如下: while mmnn for i=1:length(xS) set(h2,“xdata“,xS(i),“ydata',yB(i)); set(k,7Position’,[xO(i)一84,yO(i)一84,168,168]) drawnow end am2mm+1: end 运动分析不只关注机构的运动动画,对于部分构件的 运动角速度、角加速度等也需要较为直观的显示。本文在 动态分析部分加入了4个坐标图,分别为:动触头的坐标 图、下导电杆角位移图、下导电杆角速度图和下导电杆角 加速度图。动态显示如图7、8所示。 ;‘母#≠5一———~. }i建=三二≤=i 疰医至慕; i:F—≮=习日 图\\—/厂ji—咕—吉—苦ji茜—高if古1占ji刍j};i宣i占1i刍j};i鼎 图7动态显示(一) 目留≠#≠日—\.i.[三三至 E匡乏=慕 图8动态显示(二) 3机构运动仿真模型的验证 3.1 基于ADAMS仿真模型的建立 在三维软件PROE中建立折臂式高压隔离开关的模 型,并导入到仿真分析软件ADAMS中,根据折臂式高压 隔离开关的运动关系,建立铰链副、齿轮齿条副、滑动副 等,建立的仿真分析模型如图9所示。 图9基于ADAMS的仿真分析模型 3.2结果对比 选择动触头的运动轨迹作为结果对比的对象,分别提 取基于MATLAB和ADAMS的运动仿真分析结果,对比结 果如图10所示,(a)为MATLAB计算分析结果,(b)为 ADAMS计算分析结果。结果显示基于MATLAB的折臂 式高压隔离开关机构的动态分析能够正确直观的反映机 构的运动状态,模型参数易于修改,适合高压隔离开关的 初期设计。 4 结语 图10仿真分析结果对比验证 通过建立高压隔离开关机构的运动学方程,建立各个 杆件之间的位置、速度和加速度之间的关系。并通过牛顿 一辛普森法对非线性位置求解方程进行求解,得到曲柄在 匀速转动过程中机构的位置和相对应的速度、加速度等参 数。并通过MATLAB自带的GUIDE实现对高压隔离开关 机构的运动分析和动画显示,运动分析数据来源于对运动 学方程的求解。在GUIDE中添加相关控件,实现机构运 动学方程的计算和机构动画的显示。 通过ADAMS仿真分析软件对基于MATLAB的折臂 式高压隔离开关的动态分析结果进行了验证,结果显示基 于MATLAB的折臂式高压隔离开关机构的动态分析能够 正确直观的反映机构的运动状态,模型参数易于修改,适 合高压隔离开关的初期设计。 .84·http:∥ZZHD.chinajoumal.net.Clfl E·mail:ZZHD@chainajournal.net.cn《机械制造与自动化》 ∞卯。如 一g一肇割h眯薹雷 万方数据 ·信息技术· 张帆,等·基于MATLAB的折臂式高压隔离开关机构动态分析 参考文献: [1]苑舜,崔文君.高压隔离开关设计与改造[M].北京:中国电 力出版社,2007. 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