葛憲順,蘇東海,李順新,王志博,賈永帥
(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110870)
大功率斷路器液壓操動機(jī)構(gòu)是關(guān)乎電路安全的重要機(jī)構(gòu),對其分閘性能的研究是大功率斷路器液壓操動機(jī)構(gòu)設(shè)計與制造的重點。
本文中的某型大功率斷路器液壓操動機(jī)構(gòu)主要由碟簧、儲能缸、工作缸、閥芯、活塞桿等部件組成。該型操動機(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得出分閘過程曲線,以驗證該型大功率斷路器液壓操動機(jī)構(gòu)的分閘性能。
大功率斷路器液壓操動機(jī)構(gòu)系統(tǒng)原理簡圖如圖1所示。由圖1可知,工作缸有桿腔與儲能缸相連通,工作缸無桿腔的連通情況受閥芯控制。系統(tǒng)接收合閘信號后,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,工作缸無桿腔與碟簧儲能缸相連通,活塞桿向左運(yùn)動帶動閘刀合閘。系統(tǒng)接收分閘信號后,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,工作缸無桿腔與回油路相連通,活塞桿快速向右運(yùn)動帶動閘刀分閘。由于單向閥反應(yīng)時間和閥芯運(yùn)動時間較短且固定,因此本文重點研究節(jié)流口打開后,該型大功率斷路器液壓操動機(jī)構(gòu)的分閘過程。
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為閥芯臺肩直徑,m;ρ為液壓油密度,kg/m3;p1為工作缸無桿腔壓力,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-儲能缸
工作缸無桿腔流量連續(xù)性方程為:
(2)
其中:A1為工作缸無桿腔面積,m2;y2為工作缸活塞桿位移,m。
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。
碟簧儲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為儲能缸活塞桿總壓縮量,m;y3為碟簧儲能缸活塞位移量,m;p3為碟簧儲能缸壓力,Pa;A3為碟簧儲能缸有效面積,m2。
碟簧儲能缸與工作缸有桿腔相連,故兩腔壓力相等:
p2=p3.
(5)
由該機(jī)構(gòu)的工作原理可知,分閘過程中儲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能缸輸出油液體積相等,兩腔油液體積方程為:
y2A2=y3A3.
(6)
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 斷路器操動機(jī)構(gòu)系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型
表1為液壓操動機(jī)構(gòu)基本設(shè)計參數(shù)。通過將表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機(jī)構(gòu)中活塞桿的位移-時間曲線[4-6],如圖3所示。
由圖3可知,該型大功率斷路器液壓操動機(jī)構(gòu)在20 ms完成分閘操作,符合設(shè)計要求。
影響大功率斷路器液壓操動機(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)對分閘性能的影響,設(shè)計出分閘性能與經(jīng)濟(jì)性最佳的產(chǎn)品。
表1 液壓操動機(jī)構(gòu)基本設(shè)計參數(shù)
圖3 活塞桿位移-時間曲線
(1) 本文針對該型大功率斷路器液壓操動機(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機(jī)構(gòu)的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。
(2) 利用仿真軟件和設(shè)計參數(shù)得出操動機(jī)構(gòu)活塞桿位移-時間曲線,驗證了該型大功率斷路器液壓操動機(jī)構(gòu)的分閘性能,該型操動機(jī)構(gòu)符合設(shè)計要求。