某型大功率斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)分閘性能仿真研究

葛憲順，蘇東海，李順新，王志博，賈永帥

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

0 引言

大功率斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)是關(guān)乎電路安全的重要機(jī)構(gòu)，對(duì)其分閘性能的研究是大功率斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造的重點(diǎn)。

本文中的某型大功率斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由碟簧、儲(chǔ)能缸、工作缸、閥芯、活塞桿等部件組成。該型操動(dòng)機(jī)構(gòu)液壓缸行程為200 mm,技術(shù)要求該型斷路器需在15 ms～25 ms內(nèi)完成分閘操作。本文在考慮液壓和機(jī)械特性的基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型，利用仿真軟件Simulink得出分閘過(guò)程曲線，以驗(yàn)證該型大功率斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分閘性能。

1 液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)原理

大功率斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。由圖1可知，工作缸有桿腔與儲(chǔ)能缸相連通，工作缸無(wú)桿腔的連通情況受閥芯控制。系統(tǒng)接收合閘信號(hào)后，單向閥5打開，單向閥4關(guān)閉，閥芯左移，節(jié)流口7關(guān)閉，節(jié)流口6打開，工作缸無(wú)桿腔與碟簧儲(chǔ)能缸相連通,活塞桿向左運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)閘刀合閘。系統(tǒng)接收分閘信號(hào)后，單向閥4打開，單向閥5關(guān)閉，閥芯右移，節(jié)流口7打開，節(jié)流口6關(guān)閉，工作缸無(wú)桿腔與回油路相連通，活塞桿快速向右運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)閘刀分閘。由于單向閥反應(yīng)時(shí)間和閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)間較短且固定，因此本文重點(diǎn)研究節(jié)流口打開后，該型大功率斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分閘過(guò)程。

2 液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)模型

2.1 閥的流量方程

閥芯右移，節(jié)流口7打開，節(jié)流口6關(guān)閉，所以壓力-流量方程為：

(1)

其中：q1為工作缸無(wú)桿腔流量，m3/s；Cd為流量系數(shù)；D為閥芯位移，m；XV為閥芯臺(tái)肩直徑，m；ρ為液壓油密度，kg/m3；p1為工作缸無(wú)桿腔壓力，Pa；p0為回油壓力,取值為0 Pa。

1-工作缸；2-閥芯；3-閥體；4，5-電磁單向閥；6，7-節(jié)流口；8-碟簧；9-液壓泵；10-儲(chǔ)能缸

2.2 工作缸無(wú)桿腔流量連續(xù)性方程

工作缸無(wú)桿腔流量連續(xù)性方程為：

(2)

其中：A1為工作缸無(wú)桿腔面積，m2；y2為工作缸活塞桿位移，m。

2.3 工作缸力平衡方程

液壓缸輸出力與負(fù)載力的平衡方程為：

(3)

其中：m1為工作缸活塞質(zhì)量，kg;Bc為黏性阻尼系數(shù)；p2為工作缸有桿腔壓力，Pa；A2為工作缸有桿腔面積，m2；F為工作缸活塞桿上外負(fù)載力，N。

2.4 碟簧儲(chǔ)能缸力平衡方程

碟簧儲(chǔ)能缸輸入力與輸出力的平衡方程為：

Kb(ΔX30-y3)=p3A3.

(4)

其中：Kb為碟簧彈性系數(shù)，N/m；ΔX30為儲(chǔ)能缸活塞桿總壓縮量，m；y3為碟簧儲(chǔ)能缸活塞位移量，m；p3為碟簧儲(chǔ)能缸壓力，Pa；A3為碟簧儲(chǔ)能缸有效面積，m2。

2.5 工作缸有桿腔和彈簧儲(chǔ)能缸壓力

碟簧儲(chǔ)能缸與工作缸有桿腔相連，故兩腔壓力相等：

p2=p3.

(5)

2.6 工作缸有桿腔和碟簧儲(chǔ)能缸容積方程

由該機(jī)構(gòu)的工作原理可知，分閘過(guò)程中儲(chǔ)能缸輸出的油液全部進(jìn)入工作缸有桿腔，故工作缸有桿腔輸入油液與碟簧儲(chǔ)能缸輸出油液體積相等，兩腔油液體積方程為：

y2A2=y3A3.

(6)

2.7 傳遞函數(shù)模型

將式(1)～式(6)進(jìn)行拉普拉斯變換，可得：

(7)

Q1=A1sY2.

(8)

P2A2=P1A1+m1s2Y2+BcsY2+F.

(9)

Kb(ΔX30-Y3)=P3A3.

(10)

P2=P3.

(11)

Y2A2=Y3A3.

(12)

由式(7)～式(12)可得到液壓系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型[1-3]，如圖2所示。

圖2 斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型

3 仿真分析及結(jié)果

表1為液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)基本設(shè)計(jì)參數(shù)。通過(guò)將表1中參數(shù)代入圖2中，利用仿真軟件Simulink得到該型大功率斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)中活塞桿的位移-時(shí)間曲線[4-6]，如圖3所示。

由圖3可知，該型大功率斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)在20 ms完成分閘操作，符合設(shè)計(jì)要求。

影響大功率斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)分閘性能的參數(shù)主要有系統(tǒng)壓力、工作缸兩腔有效面積、閥芯開口量。利用數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型，也可以探索各參數(shù)對(duì)分閘性能的影響，設(shè)計(jì)出分閘性能與經(jīng)濟(jì)性最佳的產(chǎn)品。

表1 液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)基本設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3 活塞桿位移-時(shí)間曲線

4 小結(jié)

(1) 本文針對(duì)該型大功率斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)建立起數(shù)學(xué)模型，并得到了系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型，為該型大功率斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

(2) 利用仿真軟件和設(shè)計(jì)參數(shù)得出操動(dòng)機(jī)構(gòu)活塞桿位移-時(shí)間曲線，驗(yàn)證了該型大功率斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分閘性能，該型操動(dòng)機(jī)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求。