蔣 龍，許艷蒲，陳 文，尹 啟，張潤(rùn)田，范雪麗

(1.南方電網(wǎng)公司曲靖局，云南 曲靖 655000) (2.西安西電高壓開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710077)

操動(dòng)機(jī)構(gòu)是高壓斷路器的重要部件，斷路器的各種動(dòng)作都是依靠操動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)完成的。操動(dòng)機(jī)構(gòu)類型主要有彈簧機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)機(jī)構(gòu)和液壓機(jī)構(gòu)。高電壓等級(jí)的斷路器、直流轉(zhuǎn)換開關(guān)等設(shè)備，一般都需要較大操作功的操動(dòng)機(jī)構(gòu)。液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)[1-5]由于其碟簧具有非線性力學(xué)特性，能在很小變形的情況下承受變化范圍很大的載荷，因此能夠提供非常大的操作功，在超高壓、特高壓等級(jí)斷路器上應(yīng)用很廣泛[6-9]。液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作特點(diǎn)是時(shí)間短、速度高、振動(dòng)大，其動(dòng)態(tài)特性及緩沖特性的設(shè)計(jì)也是影響機(jī)構(gòu)可靠性的重要因素[10-14]。液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的能量是靠壓縮碟簧組來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其儲(chǔ)能狀態(tài)通過(guò)一組儲(chǔ)能行程監(jiān)測(cè)裝置來(lái)控制。本文對(duì)一種液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能行程監(jiān)測(cè)裝置的沖擊碰撞問(wèn)題進(jìn)行了分析論述，并通過(guò)測(cè)試和計(jì)算，設(shè)計(jì)了一種可靠的緩沖結(jié)構(gòu)。

1 液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)原理介紹

液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種以碟簧為儲(chǔ)能元件、液壓油為傳遞能量介質(zhì)，通過(guò)集成化設(shè)計(jì)、模塊化裝配而成的機(jī)構(gòu)，該類型代表性的操動(dòng)機(jī)構(gòu)是德國(guó)ABB公司的HMB型系列液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)。目前，國(guó)內(nèi)也有一些專業(yè)公司能夠設(shè)計(jì)、制造各電壓等級(jí)斷路器用的液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，工作原理和結(jié)構(gòu)模式基本一致[1-4，10，12]。

1.1 基本結(jié)構(gòu)

液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由充壓模塊、儲(chǔ)能模塊、控制模塊、工作模塊、監(jiān)測(cè)模塊等5大模塊組成，在中心工作模塊周圍呈環(huán)形布置。3個(gè)儲(chǔ)能模塊以及充壓模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊和碟簧以60°旋轉(zhuǎn)角度間隔布置在中心軸周圍。以ABB公司HMB型液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—HMB4碟簧組；2—手動(dòng)泄壓閥；3—充油接頭；4—活塞桿；5—低壓油箱；6—油位觀察窗；7—HMB8碟簧組；8—充壓模塊；9—油泵電機(jī)；10—碳刷；11—儲(chǔ)能模塊；12—監(jiān)測(cè)模塊；13—電磁閥-分閘2；14—電磁閥-分閘1；15—電磁閥-合閘；16—控制模塊

1.2 液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能行程監(jiān)測(cè)裝置

液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能行程監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中凸輪5共有8片，凸起部分角度各不相同，凸輪5均勻貫穿在六方軸4上，六方軸4和齒輪1同軸，兩端固定在2個(gè)支撐板3上。壓力開關(guān)8(與凸輪對(duì)應(yīng)共8片)通過(guò)支撐板7固定在支撐板3上，與凸輪5形成配對(duì)關(guān)系。支撐板3固定在工作缸上，齒條2末端固定在液壓機(jī)構(gòu)的碟簧組件上，可以隨碟簧做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。行程監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)對(duì)碟簧壓縮量的監(jiān)測(cè)，帶動(dòng)行程開關(guān)凸輪旋轉(zhuǎn)來(lái)斷開或閉合微動(dòng)開關(guān)觸點(diǎn)，達(dá)到為電站主控室提供報(bào)警及閉鎖信號(hào)的目的。

1—齒輪；2—齒條；3—支撐板；4—六方軸；5—凸輪；6—壓力開關(guān)滾輪；7—支撐板；8—壓力開關(guān)

工作原理為：齒條2隨碟簧向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪1帶動(dòng)六方軸4轉(zhuǎn)動(dòng)，六方軸4帶動(dòng)不同角度的凸輪5轉(zhuǎn)動(dòng)，不同角度的凸輪5在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中凸起部分與壓力開關(guān)8的滾輪6接觸，實(shí)現(xiàn)壓力開關(guān)8接通或斷開。在機(jī)構(gòu)動(dòng)作過(guò)程中,彈簧迅速釋放能量,為機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力,在此過(guò)程中,儲(chǔ)能行程檢測(cè)裝置的齒條迅速向上運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn),進(jìn)而帶動(dòng)齒輪切換壓力開關(guān),實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)閉鎖或報(bào)警信號(hào)的發(fā)出。

2 液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能行程監(jiān)測(cè)裝置緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在實(shí)際工程應(yīng)用中,如圖2所示,齒條2隨機(jī)構(gòu)的動(dòng)作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng),機(jī)構(gòu)齒條向下運(yùn)動(dòng)時(shí),為液壓機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)能過(guò)程,該過(guò)程動(dòng)作一般比較平緩,平均運(yùn)動(dòng)速度只有0.01 m/s左右，而當(dāng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分合閘動(dòng)作時(shí)，監(jiān)測(cè)模塊的運(yùn)動(dòng)速度就比較快，一般為1.5 m/s左右，同時(shí)會(huì)伴隨巨大的振動(dòng)。因此，在液壓機(jī)構(gòu)碟簧帶動(dòng)齒條高速分合閘時(shí)，齒輪齒條在嚙合過(guò)程中就會(huì)受到巨大的沖擊，有時(shí)甚至?xí)斐升X條或齒輪上的齒斷裂，從而造成儲(chǔ)能行程監(jiān)測(cè)裝置失效。為了避免上述問(wèn)題的發(fā)生，實(shí)際工程應(yīng)用中往往在齒條末端設(shè)計(jì)一套緩沖結(jié)構(gòu)，這種緩沖結(jié)構(gòu)可以很好地改善齒輪齒條傳動(dòng)過(guò)程中的受力狀況，大大提升儲(chǔ)能行程監(jiān)測(cè)裝置的可靠性。

2.1 儲(chǔ)能行程監(jiān)測(cè)裝置緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3是某型號(hào)液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能行程監(jiān)測(cè)裝置傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖，本文設(shè)計(jì)的緩沖結(jié)構(gòu)如圖3中緩沖碟形彈簧組3所示，碟形彈簧具有剛度大、緩沖吸振能力強(qiáng)、能以小變形承受大載荷等特點(diǎn)，很適合用于有限空間的緩沖設(shè)計(jì)。但是，由于碟形彈簧的力學(xué)特性比較復(fù)雜，呈非線性，并具有變剛度特性，其特性曲線可以呈直線型、漸增型、漸減型或是上述各型的組合[2]，實(shí)際應(yīng)用中，要想利用碟形彈簧的力學(xué)特性來(lái)滿足緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，必須根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸及結(jié)構(gòu)安裝尺寸來(lái)設(shè)計(jì)緩沖碟形彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸。

圖3 儲(chǔ)能行程監(jiān)測(cè)裝置傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 緩沖碟簧設(shè)計(jì)

1)工況分析。

如圖3所示，HMB型液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程為，液壓機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能碟簧組向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，為碟簧壓縮機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能的過(guò)程，碟簧壓縮行程為85 mm，儲(chǔ)能時(shí)間為80 s；儲(chǔ)能碟簧組向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，表示其進(jìn)行分閘或合閘動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)參數(shù)如下：分閘運(yùn)動(dòng)時(shí)儲(chǔ)能碟簧釋放行程為30 mm，動(dòng)作時(shí)間為20 ms；合閘運(yùn)動(dòng)時(shí)儲(chǔ)能碟簧釋放行程為12 mm，動(dòng)作時(shí)間為60 ms。

2)動(dòng)力學(xué)特性計(jì)算。

緩沖碟簧的緩沖力應(yīng)大于齒條在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的沖擊力和齒條運(yùn)動(dòng)阻力的合力，否則緩沖碟簧就會(huì)被壓平，失去緩沖作用，由此可得出緩沖碟簧的緩沖力：

F緩沖≥F阻力+F沖

(1)

式中：F緩沖為緩沖碟簧力值，N；F阻力為齒條運(yùn)動(dòng)的歸算阻力，N；F沖為齒條運(yùn)動(dòng)的沖擊力,N。齒條的沖擊力一方面來(lái)自于齒條隨儲(chǔ)能碟簧運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)慣量，即齒條隨儲(chǔ)能碟簧做合閘或分閘操作時(shí)的運(yùn)動(dòng)力F運(yùn)動(dòng)；另一方面來(lái)自于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)沖擊，即機(jī)構(gòu)分閘或合閘運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能量釋放帶來(lái)的振動(dòng)力F振動(dòng)。沖擊力計(jì)算公式為：

F沖=F運(yùn)動(dòng)+F振動(dòng)

(2)

F運(yùn)動(dòng)=ma運(yùn)動(dòng)

(3)

F振動(dòng)=ma振動(dòng)

(4)

式中：m為齒條歸算質(zhì)量，kg；a運(yùn)動(dòng)為齒條的運(yùn)動(dòng)加速度，m/s2；a振動(dòng)為齒條的振動(dòng)加速度，m/s2。齒條的運(yùn)動(dòng)加速度可以理解為齒條隨儲(chǔ)能碟簧運(yùn)動(dòng)的加速度：

(5)

式中：V末為齒條運(yùn)動(dòng)的末速度；V初為齒條運(yùn)動(dòng)的初速度；t為齒條運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。

由液壓機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性可知，齒條運(yùn)動(dòng)的末速度與儲(chǔ)能活塞運(yùn)動(dòng)的末速度相同，齒條運(yùn)動(dòng)的時(shí)間與儲(chǔ)能活塞運(yùn)動(dòng)的時(shí)間相同，將式(5)代入式(3)，得：

(6)

齒條在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)加速度a振動(dòng)可以通過(guò)實(shí)際測(cè)量獲得，測(cè)量方法為在儲(chǔ)能行程開關(guān)運(yùn)動(dòng)部位安裝振動(dòng)加速度傳感器，如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)能行程監(jiān)測(cè)裝置振動(dòng)測(cè)試

某型液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)按圖4測(cè)量方法的測(cè)量數(shù)據(jù)匯總見表1。

表1 儲(chǔ)能行程監(jiān)測(cè)裝置振動(dòng)加速度測(cè)試數(shù)據(jù)表

由表1可知，該機(jī)構(gòu)配相應(yīng)斷路器在分閘和合閘的過(guò)程中，振動(dòng)加速度在齒條運(yùn)動(dòng)方向上的分量平均值最大為1 273.6g(g為重力加速度)，即：

a振動(dòng)=1 273.6g

(7)

將式(7)代入式(4)可得：

F振動(dòng)=ma振動(dòng)=m×1 273.6g

(8)

將式(6)、(8)代入式(2)可得：

(9)

齒條運(yùn)動(dòng)過(guò)程的歸算阻力通過(guò)實(shí)測(cè)獲得，利用拉壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量，在儲(chǔ)能行程裝置做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其測(cè)量的力值如圖5所示。

圖5 齒條運(yùn)動(dòng)阻力測(cè)試曲線

從圖5可知，齒條的運(yùn)動(dòng)阻力測(cè)量值為31 N，即:

F阻力= 31(N)

(10)

將式(9)、(10)代入式(1)可得到齒條末端的緩沖碟簧力值：

(11)

由式(11)即可計(jì)算出儲(chǔ)能行程監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)動(dòng)過(guò)程的緩沖力，可作為緩沖碟簧設(shè)計(jì)時(shí)的參考值。

該型液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的已知參數(shù)為：齒條歸算質(zhì)量m=0.1 kg，運(yùn)動(dòng)阻力F阻力=31 N；振動(dòng)加速度a振動(dòng)=1 273.6g，合閘運(yùn)動(dòng)速度為0.2 m/s，合閘運(yùn)動(dòng)時(shí)間為60 ms，分閘運(yùn)動(dòng)速度為1.5 m/s，分閘運(yùn)動(dòng)時(shí)間為20 ms,齒條在合閘運(yùn)動(dòng)和分閘運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)加速度為：

合閘時(shí)

(12)

分閘時(shí)

(13)

通過(guò)以上計(jì)算可知，機(jī)構(gòu)在分閘時(shí)齒條的運(yùn)動(dòng)加速度大于其合閘時(shí)的運(yùn)動(dòng)加速度，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)取齒條運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大加速度作為計(jì)算依據(jù)，即：

(14)

將以上已知條件代入式(11)可以計(jì)算出緩沖碟簧的力值，結(jié)果為1 286.6 N。

由以上分析計(jì)算可知，對(duì)于該型液壓機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能行程監(jiān)測(cè)裝置，其最大的沖擊力達(dá)1 284.6 N，因此在設(shè)計(jì)相應(yīng)的緩沖碟簧時(shí)，其緩沖碟簧的力值設(shè)計(jì)值不能小于該沖擊力。

3 緩沖碟簧結(jié)構(gòu)和力值校核計(jì)算

根據(jù)上文的推理計(jì)算，應(yīng)用碟簧計(jì)算公式[6]，對(duì)HMB型液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)緩沖碟簧結(jié)構(gòu)進(jìn)行力值校核。該結(jié)構(gòu)的碟簧片組合形式為復(fù)合形式，即兩片碟簧片先疊合，再將疊合的兩組碟簧片對(duì)合，共形成4組復(fù)合組合的碟簧。碟簧片數(shù)為16片，要求其組合力值不能小于齒條沖擊力。碟簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 碟簧結(jié)構(gòu)參數(shù)

將表2中的參數(shù)值代入公式，計(jì)算得到碟簧的力值見表3。

表3 碟簧力值計(jì)算結(jié)果

由表3可知，當(dāng)?shù)蓧嚎s量為碟簧最大壓縮量h0的一半時(shí)，整組碟簧的力值Pz為：

Pz=n·P=2×681=1 362 (N)>1 284.6 (N)

(15)

式中：n=2，為碟簧疊合的片數(shù)。由式(15)計(jì)算結(jié)果可知，本文所設(shè)計(jì)的碟簧緩沖結(jié)構(gòu)在單片碟簧壓縮量為其最大壓縮量的50%時(shí)，碟簧結(jié)構(gòu)的力值即可大于齒條沖擊力。由此說(shuō)明，緩沖碟簧結(jié)構(gòu)可以起到緩沖作用，符合理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)試結(jié)果，緩沖碟簧結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)較為合理。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)在高壓開關(guān)設(shè)備上的應(yīng)用不斷增多，其典型故障發(fā)生概率也在增大，為了保證機(jī)構(gòu)的可靠性，對(duì)其材料本身的強(qiáng)度和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都提出了較高的要求，必須充分考慮動(dòng)作過(guò)程中可能產(chǎn)生的對(duì)機(jī)構(gòu)可靠性影響較大的沖擊和振動(dòng)這兩個(gè)因素。本文設(shè)計(jì)的液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能行程監(jiān)測(cè)裝置，充分考慮了其結(jié)構(gòu)、功能和動(dòng)力學(xué)特性，可減少其動(dòng)作過(guò)程中的沖擊力，提高行程監(jiān)測(cè)模塊的可靠性，保證其能夠充分發(fā)揮緩沖作用，達(dá)到保護(hù)儲(chǔ)能行程監(jiān)測(cè)裝置的目的，為液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠運(yùn)行提供了保障。