现代制造技术与装备 ２０１１第３期总第２０２期 正交试验法在断路器参数设计中的应用 杨圣森 （湖南华峰新宇电子有限公司，怀化４１８０００） 摘 要：正交试验法是研究多因素多水平的一种设计方法。本文通过介绍正交试验法在断路器校准动作时 间影响参数设计中的应用，阐述了正交试验法的优越性和运用体会。 关键词：正交试验法 断路器设计 应用 引言 当断路器线圈流过额定电流时，线圈对动铁芯所产生 在生产和设计工作中，我们经常需要分析确定产品性 的电磁力小于精密压簧力，动铁芯不会向线圈中心运动， 能指标与其影响因素之间的关系及影响程度，从而找到 此时断路器中磁路的磁阻较大，线圈产生的电磁吸力不 较优的设计组合方案。虽然使用试验法是一种常用直观 足以吸合衔铁，断路器保持锁定接通状态。 的方法，但是进行全面试验显然是不现实的。为此，我们 当电流超过断路器额定电流时，线圈磁场力变大，电 在设计工作中经常运用正交试验法进行优化设计，以高 流达到一定值，动铁芯克服精密压簧力向线圈中心运动， 效、准确地找到较优的组合方案。 使电磁吸力达到吸合值，衔铁片被吸合。同时通过动铁芯 正交试验法是根据数理统计学的原理，从大量的试验 与延时管的间隙控制管内延时油的流量，制约动铁芯的 点中挑选适量的具有代表性的试验点，应用正交表来合 运动速度，从而达到控制延时跳变时间的目的。 理安排多因素多水平试验的一种科学设计方法。它是根 结合断路器工作原理及相关理论知识，我们运用因果 据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试 分析图进行分析研究。经分析可确定，对电磁系统及延时 验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特 机构而言，在规定电流下影响断路器延时跳变时间的主 点，从而可以通过较少次数的试验，取得较优的方案。由 要因素有：线圈匝数、延时管与动铁芯的间隙、延时油的 于是一种高效、经济的试验设计方法，所以在很多领域的 粘度和精密压簧的弹力四个因素。 研究中得到广泛应用。本文以ＫＤＬⅢ一２０型断路器延时动 ２制订因素位级表和试验计划 作机构的优化设计为例，阐述正交试验法在其参数设计 根据上述分析结果并结合产品实际，拟制设计预案， 中的应用。 对影响断路器延时跳变时问的四大因素各按３个位级 １工作原理分析。确定影响因素 （即３种参数值）制定因素位级表，见表１。对于延时管与 ＫＤＬ系列电磁断路器是一个由电磁系统和机械系统 动铁芯的间隙，通过固定延时管内径尺寸，调整动铁芯的 组成的综合体，产品结构复杂、性能指标要求严且影响因 外径尺寸实现。 素多。为此，我们首先对断路器延时动作机构的工作原理 由于这个试验的因素有４个，位级有３个，所以选用 进行分析，以找到相关影响因素。 ｋ（３ ）正交表制定试验计划，见表２。 断路器的延时动作机构由延时管、延时油、动铁芯、 表１因素位级表 ’、定铁芯、精密压簧组成，见图１。其工作原理如下： ＼因素 动铁芯直 线圈匝数 延时油粘度 精密压簧力 岔级＼、、 径Ｄ（ｍｍ） ｎ（圈） ｓ（ｃｓ） Ｆ（Ｎ） ｌ ３．８５ ２２ ２０ ０．０４ ２ ３．９Ｏ ２４ ５０ Ｏ．０６ 。—— ３ ３．９５ ２６ ２０ｏ Ｏ．０８ ３试验结果分析 按因素位级表和正交试验计划表的要求准备试验样 品，每个试验号各装配３只样品，共９组２７只，检测通 １５０％额定电流时断路器的校准动作时间。以校准动作时 问控制范围的中值为基准，统计校准动作时间实测值与 中值的偏差作为试验结果，检测结果见表３。 （１）直观分析 从表３可以看出，第８组试验Ｄ２ｎ３Ｓ２Ｆ２偏差量最小， 图１延时动作机构结构图 是一组较好的条件。 设计与研究 ２７ 表２ Ｌ。（３ ）正交试验计划表 ＼ ＼因素 动铁芯 直径线圈匝数ｒｌ 延时油 精密压 Ｄ 粘度Ｓ 簧力Ｆ 试验号＼、 １ ２ ３ ４ １ １（３．８５） １（２２） ３（２００） ２（０ ０６） ２ ２（３．９０） １（２２） １（２０） ｌ（０．０４） ３ ３（３．９５） １（２２） ２（５０） ３（０ Ｏ８） ４ １（３．８５） ２（２４） ２（５０） １（０．０４） ５ ２（３ ９０） ２（２４） ３（２００） ３（０．０８） ６ ３（３．９５） ２（２４） ｌ（２０） ２（０ ０６） ７ １（３．８５） ３（２６） ｌ（２０） ３（０ ０８） ８ ２（３ ９０） ３（２６） ２（５Ｏ） ２（０．０６） ９ ３（３．９５） ３（２６） ３（２００） １（０ ０４） 表３试验结果及分析表 试验计划 试验结果 ＼因素 动铁芯 线罔匝 延时油 精密压 １５Ｏ％校准时 直径Ｄ 数ｎ 粘度Ｓ 簧力Ｆ 间与要求中值 试验号＼ ｌ ２ ３ ４ 偏差（ｓ） １ １（３．８５） １（２２） ３（２００） ２（ｏ．０６） １５ ３５ ２ ２（３．９０） ｌ（２２） １（２０） １（０ ０４） １０ ７２ ３ ３（３．９５） １（２２） ２（５０） ３（ｏ ０８） １４ ６５ ４ ｌ（３ ８５） ２（２４） ２（５０） １（０ ０４） ９．７０ ５ ２（３ ９０） ２（２４） ３（２００） ３（０．０８） ７ ６ｌ ６ ３（３．９５） ２（２４） １（２０） ２（ｏ．０６） １０．Ｏ６ ７ １（３．８５） ３（２６） １（２０） ３（０ ０８） １２．１７ ８ ２（３ ９０） ３（２６） ２（５０） ２（０．０６） ６ ３９ ９ ３（３．９５） ３（２６） ３（２００） １（０．０４） １７ ６５ Ｔ１ １５Ｏ％ ３７．２２ ４０．７２ ３２．９５ ３８．０７ １２ Ｉ５０％ ２４．７２ ２７ ３７ ３０ ７４ ３Ｉ ８ Ｔ１＋Ｔ２＋ ＝ｌ０４．３ Ｔ３ １５０％ ４２ ３６ ３６．２１ ４０．６１ ３４．４３ （总和） Ｒ ｌ５０％ １７．６４ ｌ３ ３５ ９．８７ ６．２７ （２）计算分析 分别计算各列的偏差量之和（Ｔ１、１、２、Ｔ３）与极差Ｒ， 以便能找到好的参数条件。将每一列中同一位级的 个 偏差量相加，得到各列的偏差量之和（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）。将各列 Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３三个数字中的最大值减最小值求得极差Ｒ。 以动铁芯直径Ｄ列为例，其计算方法如下： Ｔ１＝１５．３５＋９．７０＋１２．１７＝３７．２２ Ｔ２＝１０．７２＋７．６１＋６．３９＝２４．７２ Ｔ３＝１４．６５＋１０．０６＋１７．６５＝４２．３６ Ｒ＝４２．３６—２４．７２＝１７．６４ 其它各列以此类推，计算结果见表３。 根据计算结果进行分析。首先比较各因素极差Ｒ的 大小。极差大小可衡量各因素对试验结果的影响程度，极 差越大的因素，对试验结果的影响越大，即该凶素越重 要。由表３知，四大因素重要性的主次排列顺序为： 主ＤｎＳＦ 次 再比较各列偏差量和的大小，Ｔ值小的位级条件好， 如第一列（动铁芯直径Ｄ）中Ｔ２＜Ｔ１＜Ｔ３，则说明这一列 中因素的位级２最好，位级３最差。以此类推可以得到一 组好条件Ｄ２ｎ２Ｓ２Ｆ２。 （３）画趋势图 为了直观起见，根据试验结果及分析表（表３）画出趋 势图，见图２。 图２趋势图 从趋势图中可以看出，主要因素Ｄ、ｒｌ、Ｓ、Ｆ都成回归 形，说明上面分析得出的条件是准确的。 由计算分析和趋势图分析结果可得出，动铁芯的直径 （即动铁芯与延时管的间隙）对电磁铁吸合的动作时间影 响最大，线圈的匝数影响次之，延时油的粘度对电磁铁吸 合的动作时间影响第三，精密压簧的阻力影响最小，最佳 参数组合为Ｄ２ｎ２Ｓ２Ｆ２。因此，根据正交试验结果可设计出 ＫＤＬｌｌＩ一２０型断路器延时动作机构的最佳参数组合为：动 铁芯的直径 ３．９，线圈匝数２４，延时油的粘度５０ＣＳ，精 密压簧工作时的阻力Ｏ．０６Ｎ。 ４验证试验 按上述选定的参数组合方案Ｄ２ｎ２Ｓ２Ｆ２组装产品进行 实物验证。对按该参数组合方案生产的三批产品进行验 证试验，经检测计算，其偏差均值为５．７８ｓ，优于表３中第 ８组试验条件（Ｄ２ｎ３Ｓ２Ｆ２）的试验结果，说明上述分析结果 准确，Ｄ２ｎ２Ｓ２Ｆ２确为好的参数组合方案。 ５结束语 在断路器的参数设计中，我们通过分析确定影响因素， 合理设定因素位级，经过正交优选试验，摸清了各影响因 素与校准动作时间之间的关系及其影响程度，得出了较 优的参数设计方案。通过正交试验法的应用，节省了大量 的人力物力，充分展现了其高率、准确的优越性。同时，为 了提高试验结果的准确性，我们在试验过程中得到如下 体会： （１）分析人员应具备一定的实践经验和理论知识，熟 悉产品的工作原理和性能特点，以做到因素分析定位准 确，位级设定合理。 （２）试验应随机安排，每种试验条件应尽可能进行适 当的重复试验，试验样品的生产加１二条件应尽量一致，避 ２８ 现代制造技术与装备 ２０１１第３期总第２０２期 免因样品生产条件差异而对试验结果产生的干扰，从而 以提高试验精度，减小试验误差。 Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｒｅａｋｅｒ 参考文献 ＹＡＮＧ Ｓｈｅｎｇ．￣，ｅｎ （Ｈｕｎａｎ Ｘｉｎｙｕ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｈｕａｆｅｎｇ，Ｈｕａｉｈｕａ ４１８０００） ［１］廖永平，严擎宇．正交试验法在机械工业中的应用．北京：中 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ａ ｍｕｌｔｉ—ｆａｃｔｏｒ 国农业机械出版社 ｍｕｈｌ—ｌｅｖｅｌ ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ 【２】ＧＪＢ１９３２—１９３２．密封电磁断路器总规范．国防科学技术工业委 ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｅａｋｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ａｄ－ 员会 ｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｏａｈｏｇｏｎａｌ ｔｅｓｔ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ． ［３］黄席口．电磁能与电磁力．人民教育出版社 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏ￣ｈｏｇｏｎａｌ，ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ ｄｅｓｉｎｇ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ （上接第１６页） 参考文献 表１阿奇舒勒冲突矩阵表 ＼＼ １．运动物体 ［１］杨清亮．发明是这样诞生的：ＴＲＩＺ理论全接触［Ｍ】．北京：机械 的重量 １４．强度 ３９生产率 工业出版社 ２００６． １．运动物体的重量 ２８．２７．１８ ３５，０３， ［２］张付英，徐燕申，沈浩等．基于物场分析的伺服液压缸设计研 ．４０ ２４，３７ 究．ｆ Ｊｌ＿液压与气动，２００３，２：２３—２５． ［３］高长青，黄克正，张勇．ＴＲＩＺ理论中问题解决工具的比较与应 １２．形状 ３４，１５，１０ ３０，１４， １７，２６， 用…．机械设计与研究，２００６，２２（１）：１３—１５． ，１４ １０，４０ ３４，１０ ［４】吕桂志，任工昌．基于功能分析ＴＲＩＺ中理想解的建模…．机械 设计与制造，２００９，４：４１—４３． ３９．生产率 ３５，２４２６， ２９，２８， （５］Ｖ．Ｋｏｓｓｅ．Ｓｏｍｅ Ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ ｏｆ ＴＲＩＺ Ｔｏｏｌｓ ａｎｄ Ｐｏｓｓｉｂｌｅ Ｗａｙｓ ｏｆ ，３７ １０，１８ ＋ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ［Ｊ】，Ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ ａｎｄ Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｍａｎｕｆａｅｔｕｒ— ４Ｏ．复合材料四种建议发明原理。通过对这四种发明原理 ｉｎｇ，ＡＳＭＥ，ＤＥ—Ｖ ｎ１．１０３，１１ １一ｌ】５，１９９９． 进一步分析，采用发明原理４０．复合，在柔性齿条内镶嵌 ［６】物一场分析及其演变形式一Ｔ０Ｐ功能分析【Ｊ】．工程设计学 带状金属强化结构，如图７所示。 报，２００９，６：１６１—１６５． ［７］高长青，黄克正，张勇．ＴＲＩＺ理论在产品创新设计中的应用 ［Ｊ１＿机械科学与技术，２００６，２５（４）：５０１—５０４． 、 。。。一／ 、 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ＴＲＩＺ ｉｎ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃ－ 吲件 ｔｒｏｎｉｃ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ｄｅｓｉｇｎ ＣＯＮＧ Ｘｉｕｊｕａｎ （Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｓｈａｎｄｏｎｇ，Ｊｉｎａｎ ２５００Ｏ０） 图７柔性齿条结构图 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｑｕｅｓｔｉｏｎｓ， ４结论 ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｅｘｐｏｕｎｄｓ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ＴＲＩＺ ｔｈａｔ ｐｌａｙ ｔｈｅ ＴＲＩＺ作为技术创新设计的理论工具，为设计者在设 ｒｏｌｅｓ ｏｆ ＴＲＩＺ，ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ａｎｄ ｂａｓｉｃ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ 计中提供了一系列创新设计方法。物一场分析法是标准 ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｄｅｓｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｍｏｄｅｌ ＴＲＩＺ，ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｅａ－ 问题的最有效的求解方法，矛盾矩阵法是ＴＲＩＺ理论中最 ｔｉｏｎ ｔｏ ｐｏｗｅｒ ｐｌｕｇ ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ．Ｐｏｗｅｒ ｐｌｕｇ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｐｒｏｇＴａｍ 为设计者容易掌握的方法。通过引入矛盾平衡分析法，将 ｍａｋｅ ｖｅｒｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ＴＲＩＺ ｉｎ－ 物一场分析法和矛盾矩阵法综合应用，能进一步提高设 ｎｏｖａｔｉｖｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｍｏｄｅ１． 计效率。采用矛盾平衡分析法也为设计者在使用ＴＲＩＺ理 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＴＲＩＺ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐｒｏｄｕｃｔｓ，ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｐｏｗｅｒ ｐｌｕｇ 论进行创新设计时，提供了新的解决问题途径。