高壓斷路器高速工作缸緩沖過程研究*

趙文強(qiáng)，袁 昊，王 振，賴奇暐

(1.武漢大學(xué) 水射流理論與新技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072;2.國網(wǎng)平高集團(tuán)，河南 平頂山 467000)

0 引 言

高壓斷路器中工作缸作為重要的執(zhí)行元件，將儲(chǔ)存的能量傳遞給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)斷路器開斷。由于高壓斷路器系統(tǒng)工作時(shí)間達(dá)到毫秒級(jí)，工作缸需要帶動(dòng)幾百千克的活塞達(dá)到10 m/s的運(yùn)動(dòng)速度，在工作缸內(nèi)易形成瞬時(shí)液壓沖擊從而導(dǎo)致缸內(nèi)壓力劇烈變化，加劇高壓斷路器的非線性響應(yīng)。這種非線性響應(yīng)影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，需要通過緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來減弱液壓沖擊效應(yīng)。國外對(duì)緩沖基礎(chǔ)理論研究起步早，學(xué)者RICH[1]在20世紀(jì)70年底就提出緩沖裝置的必要性；WANGY Y T等人[2]基于計(jì)算機(jī)模型仿真緩沖過程，并對(duì)其仿真緩沖模型進(jìn)行了計(jì)算；SCHWARTZ C等[3]以能夠控制活塞運(yùn)動(dòng)的液壓缸為研究對(duì)象，分析其緩沖裝置的工作機(jī)理，通過理論與試驗(yàn)研究不同工況下該緩沖裝置是否能滿足其功能；PARVIZ、GHADIMI、JALAYERI、GRABBEL等[4-9]通過額外的控制元件與控制策略進(jìn)行了緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并對(duì)緩沖過程的理論模型進(jìn)行了分析。近年來，許多學(xué)者也對(duì)缸外緩沖裝置進(jìn)行了研究，通過額外的控制元件與控制策略來完成減弱過高的液壓沖擊。國際上科技領(lǐng)先的國家一些廠商，通過工程經(jīng)驗(yàn)、理論分析與計(jì)算機(jī)仿真相互結(jié)合，已設(shè)計(jì)出基本勻減速的液壓缸活塞，且形式多樣便于加工。緩沖技術(shù)領(lǐng)先的制造廠商紛紛建立了自主研發(fā)機(jī)構(gòu)，如美國ACE Controls公司、英國OLEO公司、德國費(fèi)斯托公司等等。

相比國外，國內(nèi)對(duì)緩沖研究起步較晚，主要是通過結(jié)合國外理論研究與試驗(yàn)，對(duì)相關(guān)緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和性能分析。朱華興[10]提出理想的節(jié)流緩沖過程應(yīng)當(dāng)保持速度特性、加速度、加速度變化率連續(xù)無突變，并以此理論基礎(chǔ)推導(dǎo)漸變節(jié)流緩沖的數(shù)學(xué)模型，提出了實(shí)際結(jié)構(gòu)的漸變理想節(jié)流的理論依據(jù)；劉希玲[11]基于結(jié)點(diǎn)容腔法建立了Hoffmann液壓機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，通過編程手段將其改編成計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真模型，分析了系統(tǒng)中液壓沖擊效應(yīng)，其建模方法與求解策略對(duì)分析液壓缸內(nèi)壓力瞬變過程起到了一定的指導(dǎo)作用；劉波、丁凡等[12-13]將液壓缸緩沖過程分為3個(gè)階段，以圓錐形緩沖裝置的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，在Matlab/Simulink中建立了仿真模型，通過求解得到了多種內(nèi)緩沖結(jié)構(gòu)類型的適用范圍，并對(duì)液壓缸外緩沖裝置進(jìn)行了相關(guān)研究，提出了一種新型的平板節(jié)流緩沖數(shù)學(xué)模型。

為深入研究工作缸緩沖過程，本文將從緩沖節(jié)流理論模型出發(fā)，利用計(jì)算流體力學(xué)仿真模型所得的結(jié)果，對(duì)現(xiàn)有理論模型進(jìn)行修正。

1 工作缸緩沖節(jié)流模型

以某型號(hào)液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的臺(tái)階型活塞工作缸為研究對(duì)象[14]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 工作缸活塞結(jié)構(gòu)示意圖

該種工作缸活塞采用了9級(jí)臺(tái)階的結(jié)構(gòu)，L1～L9是每級(jí)臺(tái)階的長度，δ1～δ9是每級(jí)臺(tái)階與緩沖孔間的間隙，P2是工作缸排油腔壓力，下面對(duì)其緩沖過程進(jìn)行分析。

對(duì)于常用的活塞節(jié)流型內(nèi)緩沖，其緩沖過程主要分為柱面節(jié)流過程(局部壓力損失過程)、錐面節(jié)流過程(銳緣節(jié)流過程)、環(huán)面節(jié)流過程(縫隙節(jié)流)3個(gè)階段。

(1)當(dāng)工作缸活塞處于柱面節(jié)流階段時(shí)，流道由于截面突然收縮而產(chǎn)生局部壓力損失，在該階段中流量為：

(1)

式中：Cf—截面收縮流量系數(shù)；Δp—截面收縮前后壓差，Δp=P1-P2。

(2)當(dāng)工作缸活塞接近緩沖孔時(shí)，活塞邊緣與緩沖孔形成錐面節(jié)流，在該階段中流量為：

(2)

式中：Cd—錐面節(jié)流流量系數(shù)；l0—緩沖過程開始時(shí)活塞與緩沖孔的初始距離；x—活塞位移。

(3)當(dāng)工作缸活塞進(jìn)入緩沖孔時(shí)，活塞與緩沖孔之間的間隙形成環(huán)面節(jié)流。以第N級(jí)臺(tái)階完全進(jìn)入緩沖孔，且第N+1級(jí)臺(tái)階部分進(jìn)入緩沖孔為例，在此階段中流量為：

(3)

式中：li，δi—第i級(jí)臺(tái)階的長度與緩沖孔間的間隙。

對(duì)于3個(gè)緩沖階段過渡時(shí)刻的確定，常見的方法是根據(jù)不同階段下流量方程計(jì)算所得的流量值進(jìn)行區(qū)分。

當(dāng)柱面節(jié)流的流量大于等于錐面節(jié)流時(shí)的流量，認(rèn)為錐面節(jié)流階段開始，即：

(4)

當(dāng)錐面節(jié)流的流量大于等于環(huán)面節(jié)流時(shí)，認(rèn)為環(huán)面節(jié)流階段開始，即：

(5)

由式(3，4)計(jì)算所得的位移x值即是緩沖過程中的兩個(gè)過渡點(diǎn)。

為求解式(1～5)方程組，仍需要一組流量連續(xù)性方程與活塞受力平衡方程，從而能夠建立工作缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)與流量變化的集中參數(shù)狀態(tài)方程。

在控制腔內(nèi)柱面節(jié)流階段的流量連續(xù)方程為：

(6)

式中：V1—工作缸控制腔體積；βe—油液的體積彈性模量。

在控制腔內(nèi)錐面節(jié)流與環(huán)面節(jié)流階段流量連續(xù)方程為：

(7)

在常壓腔內(nèi)柱面節(jié)流階段的流量連續(xù)方程為：

(8)

在常壓腔內(nèi)錐面節(jié)流與環(huán)面節(jié)流階段的流量連續(xù)方程為：

(9)

式中：V2—工作缸常壓腔體積；Cdp—截面收縮系數(shù)；Av—柱塞腔回油的過流面積。

根據(jù)工作缸活塞受力狀態(tài)，建立其運(yùn)動(dòng)過程中受力平衡方程，在柱面節(jié)流階段為：

(10)

式中：B—粘性阻尼系數(shù)。

在錐面節(jié)流與環(huán)面節(jié)流的受力平衡方程為：

(11)

2 工作缸緩沖CFD仿真模型

CFD分析方法主要是以流體基本方程為基礎(chǔ)，通過工作缸緩沖CFD仿真模型，對(duì)工作缸內(nèi)的壓力分布與速度分布進(jìn)行計(jì)算[15-17]，深入探究工作缸緩沖特性。

2.1 工作缸緩沖CFD計(jì)算模型

本文研究對(duì)象高壓斷路器中所用的工作缸計(jì)算域在緩沖過程中的變化如圖2所示。

圖2 工作缸緩沖過程中的計(jì)算域變化

由于工作缸的基本結(jié)構(gòu)是圓柱形中心對(duì)稱，本研究考慮計(jì)算時(shí)間與效率，對(duì)計(jì)算區(qū)域采用二維旋轉(zhuǎn)模型進(jìn)行計(jì)算，其簡化模型與邊界條件如圖3所示。

圖3 工作缸計(jì)算域與邊界條件

進(jìn)口邊界和出口邊界條件均為壓力邊界，壓力入口壓力為油液初始?jí)毫?2.6 MPa，壓力出口壓力為0。

液壓缸直徑為90 mm，分閘緩沖柱塞長85 mm，與之相配的緩沖套內(nèi)孔直徑為55 mm。初始狀態(tài)下，柱塞在無桿腔的最左端，待斷路器接收到分閘信號(hào)后，液壓控制系統(tǒng)將右側(cè)兩腔的高壓油聯(lián)通油箱而泄壓，柱塞在左側(cè)有桿腔里高壓油的推動(dòng)下向右運(yùn)動(dòng)，同時(shí)柱塞將把無桿腔內(nèi)的液壓油擠入排油腔，再由排油腔排入油箱。柱塞將一直向右運(yùn)動(dòng)，在接近行程末端時(shí)經(jīng)過緩沖制動(dòng)，直到最后撞在無桿腔與排油腔之間的緩沖套上，停止運(yùn)動(dòng)。

考慮到臺(tái)階的尺寸與工作缸的尺寸差距較大，在劃分網(wǎng)格時(shí)需要對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行加密處理?？紤]到對(duì)于二維模型有四邊形和三角形兩種網(wǎng)格類型，四邊形網(wǎng)格能產(chǎn)生更多的節(jié)點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，但對(duì)于形狀不規(guī)則的區(qū)域，往往變形率會(huì)比較高；而三角形網(wǎng)格具有對(duì)各種不規(guī)則計(jì)算域良好的適應(yīng)性，但是相比四邊形網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)數(shù)比較少。高速液壓缸緩沖的計(jì)算區(qū)域形狀不規(guī)則，所以使用四邊形和三角形混合類型的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，以四邊形網(wǎng)格為主，在保證對(duì)不規(guī)則區(qū)域生成質(zhì)量較高的網(wǎng)格的前提下，盡量多地提高節(jié)點(diǎn)數(shù)量。最終完成的網(wǎng)格如圖4所示(包含約7×104單元與5×104節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格尺度為1 mm)。

圖4 網(wǎng)格劃分與局部加密

為體現(xiàn)工作缸在液壓油壓力的作用下自主完成緩沖過程，本研究在完成網(wǎng)格劃分后，通過FLUENT中六自由度模型來模擬工作缸非預(yù)先指定規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。利用用戶自定義函數(shù)UDF定義工作缸活塞的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與質(zhì)心位置，并限制活塞在y方向與z方向的位移以及繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于臺(tái)階與緩沖孔間隙最小值達(dá)到0.1 mm，為保證計(jì)算緩沖過程中近壁自由流的精度與可靠性，仿真湍流模型選取SSTk-ω湍流模型。油液屬性為10#航空液壓油，參考?jí)毫ο旅芏葹?50 kg/m3，體積彈性模量700 MPa，動(dòng)力粘度17Cp，工作環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。求解策略為：控制方程的離散采用有限體積法，壓力項(xiàng)離散項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式。壓力與速度的耦合采用Coupled算法，相較于分離型算法該算法具有更好的收斂性。選用鋪層的動(dòng)網(wǎng)格方法，時(shí)間步通過EVENT功能來實(shí)現(xiàn)變步長計(jì)算以保證計(jì)算精度并節(jié)省計(jì)算時(shí)間：在0-0.007 s階段內(nèi)缸內(nèi)流動(dòng)平穩(wěn)時(shí)間步長取1 s；在0.007 s-0.017 s內(nèi)工作缸活塞進(jìn)入緩沖孔，為詳細(xì)研究活塞進(jìn)入緩沖孔過程的流場變化此時(shí)時(shí)間步長取1×10-5；此后階段工作缸活塞基本完成緩沖過程，將時(shí)間步長改為1×10-5。單步最大迭代次數(shù)設(shè)為300，仿真過程殘差均低于1×10-5。

2.2工作缸緩沖CFD計(jì)算結(jié)果分析

(1)當(dāng)t=0.000 1 s時(shí)，工作缸活塞開始運(yùn)動(dòng)，工作缸內(nèi)壓力云圖與速度矢量圖如圖5所示。

圖5 t=0.000 1 s時(shí)壓力云圖與速度矢量圖

從圖5中可以看出：工作缸活塞離緩沖孔距離尚遠(yuǎn)，處于圓柱節(jié)流階段。此時(shí)工作缸內(nèi)流場穩(wěn)定，壓力梯度與速度矢量均勻分布，最高壓力存在于控制腔最左側(cè)。

(2)當(dāng)t=0.01 s時(shí)，工作缸活塞逐漸靠近緩沖孔，工作缸內(nèi)壓力云圖與速度矢量圖如圖6所示。

圖6 t=0.01 s時(shí)壓力云圖與速度矢量圖

此時(shí)工作缸活塞已運(yùn)動(dòng)一段距離，但仍與緩沖孔存在一定距離，依然處于柱面節(jié)流階段。但可以看出：隨著活塞靠近緩沖孔，控制腔靠近緩沖孔附近的壓力梯度開始變大，控制腔內(nèi)壓力逐步提高。

(3)當(dāng)t=0.02 s時(shí)，工作缸活塞靠近緩沖孔，工作缸內(nèi)壓力云圖與速度矢量圖如圖7所示。

圖7 t=0.02 s時(shí)壓力云圖與速度矢量圖

此時(shí)工作缸活塞已靠近緩沖孔，可以從圖7中看出：控制腔內(nèi)高壓油通過緩沖孔壓力降低，并形成了錐形節(jié)流面，同時(shí)油液速度方向垂直于節(jié)流錐面，工作缸進(jìn)入錐面節(jié)流階段。

(4)當(dāng)t=0.025 s時(shí)，工作缸活塞第一級(jí)臺(tái)階進(jìn)入緩沖孔，工作缸內(nèi)壓力云圖與速度矢量圖如圖8所示。

圖8 t=0.025 s時(shí)壓力云圖與速度矢量圖

隨著第一級(jí)臺(tái)階進(jìn)入緩沖孔，此時(shí)控制腔內(nèi)壓力均達(dá)到最大值，壓力梯度集中在緩沖孔附近，且在緩沖孔附近油液速度達(dá)到最大，這驗(yàn)證了集中參數(shù)方法描述緩沖過程中的壓力與速度變化是可行的，但不能充分考慮到復(fù)雜流態(tài)對(duì)其緩沖過程帶來的誤差。

(5)當(dāng)t=0.035 s時(shí)，工作缸活塞第二級(jí)臺(tái)階進(jìn)入緩沖孔，工作缸內(nèi)壓力云圖與速度矢量圖如圖9所示。

圖9 t=0.035 s時(shí)壓力云圖與速度矢量圖

從圖9中可以看出：在緩沖孔附近仍存在較高的壓力梯度，呈現(xiàn)出錐面節(jié)流狀態(tài)，但是在進(jìn)入的臺(tái)階附近已呈現(xiàn)出環(huán)面節(jié)流，速度矢量圖體現(xiàn)出液壓油呈層流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

通過綜合分析工作缸活塞在整個(gè)緩沖過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，基本驗(yàn)證了之前理論分析中緩沖的柱面節(jié)流、錐面節(jié)流以及環(huán)面節(jié)流的3個(gè)狀態(tài)。但是CFD計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)活塞臺(tái)階進(jìn)入緩沖孔時(shí)，新進(jìn)入的臺(tái)階與已進(jìn)入的臺(tái)階同時(shí)存在著錐面節(jié)流與環(huán)面節(jié)流。因此，結(jié)合CFD計(jì)算結(jié)果中流場的變化過程，能夠?qū)σ延械木彌_過程理論進(jìn)行修正。

3 基于流體狀態(tài)的工作缸綜合動(dòng)力學(xué)模型優(yōu)化

從CFD流場分析結(jié)果可以看出：工作缸在臺(tái)階型活塞進(jìn)入緩沖孔時(shí)存在錐面節(jié)流過程，該過程中液壓油是紊流狀態(tài)；而當(dāng)臺(tái)階深入緩沖孔時(shí)，臺(tái)階與緩沖套之間形成環(huán)面節(jié)流，該過程中液壓油已趨近于層流狀態(tài)。因此本文針對(duì)工作缸緩沖過程流場的變化，提出了兩種針對(duì)體現(xiàn)液壓油節(jié)流漸變過程的優(yōu)化方案：

(1)當(dāng)工作缸臺(tái)階型活塞進(jìn)入緩沖孔時(shí)，液壓油從紊流狀態(tài)變?yōu)閷恿鳡顟B(tài)，通過雷諾數(shù)的變化來模擬工作缸緩沖過程中的漸變過程。

由于同心環(huán)縫的臨界雷諾數(shù)為1 100[18]，將工作缸活塞進(jìn)入緩沖區(qū)的過程描述為：

①若雷諾數(shù)Re≤1 000時(shí)，工作缸內(nèi)液壓油狀態(tài)為層流，此時(shí)截面壓差為：

(12)

式中：Q—截面內(nèi)流量；μ—油液動(dòng)力粘度；x—工作缸活塞進(jìn)入緩沖孔距離;d—緩沖孔直徑。

②若雷諾數(shù)Re≥1 200時(shí)，工作缸內(nèi)液壓油狀態(tài)為紊流，此時(shí)截面壓差為：

(13)

式中：λ—損失系數(shù)；vb—液壓油平均流速。

③若雷諾數(shù)1 000≤Re≤1 200時(shí)，工作缸內(nèi)液壓油處于層流到紊流的過渡區(qū)狀態(tài)，此時(shí)截面壓差可能滿足以下關(guān)系：

關(guān)系1：壓差為層流壓差與紊流壓差線性疊加，且層流壓差隨雷諾數(shù)增大減小，紊流壓差隨雷諾數(shù)增大而增大，即：

Δpg=acΔpc+bc+awΔpw+bw

(14)

關(guān)系2：壓差為層流壓差與紊流壓差疊且兩者分別足二次方程曲線，且層流壓差隨雷諾數(shù)增大減小，紊流壓差隨雷諾數(shù)增大增大，即：

(15)

關(guān)系3：壓差為層流壓差與紊流壓差疊加且兩者分別滿足指數(shù)函數(shù)趨勢，且層流壓差隨雷諾數(shù)增大減小，紊流壓差隨雷諾數(shù)增大增大，即：

Δpg=acΔpc+bc+awΔpw+bw

(16)

關(guān)系4：壓差為層流壓差與紊流壓差疊加且兩者分別滿足對(duì)數(shù)函數(shù)趨勢，且層流壓差隨雷諾數(shù)增大減小，紊流壓差隨雷諾數(shù)增大增大，即：

Δpg=ln(acΔpc+bc)+ln(awΔpw+bw)

(17)

上述關(guān)系式中，a、b均是根據(jù)實(shí)際工況中層流與紊流狀態(tài)下壓差值大小計(jì)算所得。

本研究分別將上述關(guān)系式帶入工作缸緩沖綜合動(dòng)力學(xué)仿真模型，計(jì)算可以得到以下結(jié)論：在初始階段中方案一中提出的4種模型具有相似的變化趨勢，這是由于此時(shí)工作缸仍處于柱面節(jié)流階段，工作缸內(nèi)液壓油狀態(tài)保持一致。但隨著錐面階段的結(jié)束和環(huán)面階段的開始，4種模型表現(xiàn)出了不同的波動(dòng)幅值特性。根據(jù)構(gòu)建函數(shù)的不同，對(duì)數(shù)模型具有最高的壓力峰值為124 MPa，指數(shù)模型壓力峰值為113 MPa，一次模型壓力峰值為95.8 MPa，二次模型壓力峰值為105 MPa，最接近試驗(yàn)數(shù)據(jù)的壓力峰109.1MPa，且相較于其他方案，緩沖趨勢更加接近試驗(yàn)中緩沖壓力的變化。從結(jié)果比較可以看出：在工作缸活塞剛進(jìn)入緩沖孔階段，液壓油主要處于紊流狀態(tài)，隨著活塞繼續(xù)深入液壓油狀態(tài)發(fā)生變化，這種變化與對(duì)數(shù)模型與指數(shù)模型所代表的紊流狀態(tài)迅速衰減與層流狀態(tài)迅速出現(xiàn)的現(xiàn)象不符，同時(shí)過高的壓力峰值表示一方面對(duì)數(shù)模型與指數(shù)模型中紊流狀態(tài)的液壓油所占比例過高，另一方面也說明對(duì)數(shù)模型與指數(shù)模型將紊流與層流的變化過程描述的過于劇烈。一次模型中所帶表的紊流與層流狀態(tài)平穩(wěn)過渡導(dǎo)致壓力峰值與壓力幅值變化趨勢均小于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，表明實(shí)際工況下工作缸內(nèi)液壓油狀態(tài)的變化并未如一次模型所描述的平穩(wěn)，且液壓油紊流與層流共同存在的比例也并非一次函數(shù)所能代表。二次模型對(duì)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的接近表明：在活塞進(jìn)入緩沖孔的過程中紊流狀態(tài)有可能持續(xù)一段時(shí)間后再進(jìn)行衰減，而層流狀態(tài)也是隨著緩沖過程的進(jìn)行才逐步顯現(xiàn)，并非是隨著工作缸活塞進(jìn)入緩沖孔后立即存在的，而壓力幅值的接近也說明在緩沖過程中液壓油紊流與層流的狀態(tài)分布較為符合二次模型。

(2)當(dāng)工作缸臺(tái)階型活塞進(jìn)入緩沖孔時(shí)，本研究以工作缸活塞臺(tái)階進(jìn)入距離與紊流層流的變化關(guān)系，來模擬工作缸緩沖過程中的漸變過程。

根據(jù)CFD對(duì)工作缸緩沖過程的分析，可以看出紊流與層流狀態(tài)的變化區(qū)域主要是集中在長為的緩沖套區(qū)域，且隨著某級(jí)臺(tái)階完全進(jìn)入后在該臺(tái)階上紊流狀態(tài)的液壓油逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鳡顟B(tài)，該過程用數(shù)學(xué)方程可以描述為：

(18)

本研究將假設(shè)一中的二次模型與假設(shè)二中的距離模型分別帶入工作缸緩沖綜合動(dòng)力學(xué)模型中，其與原方案以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如下：在初始階段二次模型、距離模型以及原方案仍是基本重合，再次證明該柱面節(jié)流階段中液壓油狀態(tài)未有變化，集中參數(shù)模型具有較高的適用性。隨著工作缸活塞進(jìn)入緩沖孔，3種模型計(jì)算逐漸出現(xiàn)差別，其中距離模型的峰值為108.8 MPa，相較于二次模型的理論修正模型更加接近試驗(yàn)數(shù)據(jù)的峰值109.1 MPa。但在緩沖趨勢上，距離模型的緩沖趨勢劣于二次模型的理論修正模型。這種現(xiàn)象說明：緩沖峰值壓力處于工作缸活塞剛進(jìn)入緩沖孔的階段，液壓油狀態(tài)變化也主要集中在該階段中的緩沖套附近，表明該階段中壓力的變化能夠通過距離模型進(jìn)行描述。由于距離模型中狀態(tài)變化區(qū)域是根據(jù)CFD中計(jì)算結(jié)果所得，而由于實(shí)際工況的復(fù)雜性可能導(dǎo)致緩沖孔內(nèi)的流體狀態(tài)變化區(qū)域與CFD計(jì)算結(jié)果存在一定區(qū)別，在進(jìn)行距離模型建立時(shí)未考慮到可能存在的緩沖區(qū)域，這種情況直接導(dǎo)致了后續(xù)緩沖過程與實(shí)際工況不符。而二次模型能夠直接通過判斷流體狀態(tài)的變化而進(jìn)行自主計(jì)算，不用涉及實(shí)際工況下流體狀態(tài)變化的區(qū)域，所以具有更精確的緩沖趨勢。

綜上所述，本文所提出的兩種優(yōu)化方案皆在一定程度上提高了對(duì)緩沖過程模型模擬的計(jì)算精度，相較于普通緩沖節(jié)流過程模型，能更加準(zhǔn)確地針對(duì)工作缸的緩沖過程進(jìn)行模擬仿真。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)高壓斷路器工作缸結(jié)構(gòu)與緩沖機(jī)理的分析，建立了用于緩沖分析的集中參數(shù)理論模型，同時(shí)建立了工作缸緩沖的CFD仿真模型。通過CFD仿真計(jì)算，得到工作缸內(nèi)的壓力分布和速度分布，計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)活塞臺(tái)階進(jìn)入緩沖孔時(shí)，新進(jìn)入的臺(tái)階與已進(jìn)入的臺(tái)階同時(shí)存在著錐界面節(jié)流和環(huán)面節(jié)流。

針對(duì)工作缸緩沖過程流場的變化，本文提出了兩種針對(duì)體現(xiàn)液壓油節(jié)流漸變過程的優(yōu)化方案：(1)通過雷諾數(shù)的變化來模擬工作缸緩沖過程中的漸變過程；(2)以工作缸活塞臺(tái)階進(jìn)入距離與紊流層流的變化關(guān)系來模擬工作缸緩沖過程中的漸變過程。

計(jì)算結(jié)果表明：所提出的兩種優(yōu)化方案皆在一定程度上提高了對(duì)緩沖過程模型模擬的計(jì)算精度，相較于普通緩沖節(jié)流過程模型能更加準(zhǔn)確地針對(duì)工作缸的緩沖過程進(jìn)行模擬仿真。

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