李歡 馬峰 張涇全 張潤田

（西安西電高壓開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)有限責(zé)任公司）

0 引言

液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)以其高操作功、高可靠性已廣泛應(yīng)用于高壓斷路器中。液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)以液壓油作為能量傳遞介質(zhì)，整個(gè)液壓系統(tǒng)處于密閉環(huán)境。在沒有油液壓強(qiáng)監(jiān)測裝置的情況下，僅能通過碟簧壓縮量的位置變化，間接推算出液壓機(jī)構(gòu)工作腔內(nèi)靜態(tài)油液的壓強(qiáng)，不能直觀獲得機(jī)構(gòu)在分合閘快速動(dòng)作過程中的瞬間壓強(qiáng)變化，特別是工作腔內(nèi)緩沖段的壓強(qiáng)有快速升高短期作用的特點(diǎn)，而液壓機(jī)構(gòu)在分合閘過程中，工作缸內(nèi)活塞的運(yùn)動(dòng)速度很高，會(huì)在機(jī)構(gòu)分閘或合閘末端時(shí)，對(duì)零件產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊、噪聲、機(jī)械碰撞，甚至嚴(yán)重影響機(jī)構(gòu)的工作精度或引起整個(gè)系統(tǒng)元件的損壞，所以在結(jié)束運(yùn)動(dòng)前設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)和緩沖非常重要。

本文介紹的一種液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)油液壓強(qiáng)在線監(jiān)測裝置，可以直觀地測試出液壓機(jī)構(gòu)在操作整個(gè)過程中分合閘工作區(qū)域內(nèi)部油液壓強(qiáng)的變化，特別是分合閘末端，緩沖腔內(nèi)壓力的變化，從而為液壓機(jī)構(gòu)緩沖結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供測試數(shù)據(jù)，可提高液壓機(jī)構(gòu)與不同開關(guān)本體進(jìn)行分合閘特性配試的效率，縮短機(jī)構(gòu)或者開關(guān)新產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間。

1 液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)工作過程及緩沖結(jié)構(gòu)簡介

1.1 液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)工作過程簡介

液壓機(jī)構(gòu)的工作模塊主要由工作缸和活塞桿組成，采用常充壓差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，高壓油恒作用于活塞桿上端。分合閘運(yùn)動(dòng)主要通過活塞桿下端高低壓油的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)。

（1）合閘過程原理介紹

如圖1所示，液壓機(jī)構(gòu)活塞的上端為常高壓腔，在分閘位置時(shí)，活塞底部為低壓油，接通合閘電磁閥后，換向閥切換至合閘位置，活塞的底部與高壓油接通，在差動(dòng)原理的作用下，活塞桿快速向上運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)輔助開關(guān)切換，斷開合閘回路，為分閘做好準(zhǔn)備。

圖1 液壓機(jī)構(gòu)分閘位置

（2）分閘過程原理介紹

如圖2所示，在合閘位置時(shí)，接通分閘電磁閥后，換向閥切換至分閘位置，活塞底部高壓油通過換向閥連通至低壓油箱，在活塞上端高壓油的作用下，活塞桿快速向下運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)輔助開關(guān)切換，斷開分閘回路，為下次合閘做好準(zhǔn)備。

圖2 液壓機(jī)構(gòu)合閘位置

1.2 液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)緩沖原理簡介

液壓機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中長期處于高壓狀態(tài)（50～60Mpa），當(dāng)進(jìn)行分、合閘操作時(shí)，活塞桿高速運(yùn)動(dòng)，分閘運(yùn)動(dòng)速度一般在8～12m/s，合閘運(yùn)動(dòng)速度一般在3～5m/s。當(dāng)這樣高速度、大能量的運(yùn)動(dòng)終止時(shí)，需要合適的緩沖結(jié)構(gòu)以減少活塞桿在分、合閘完成時(shí)的沖擊，如果沒有合理的緩沖裝置，則會(huì)造成對(duì)緩沖腔的巨大沖擊，影響整個(gè)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)分閘限位零件、工作缸體等零件的強(qiáng)度均有較大影響，進(jìn)而對(duì)機(jī)構(gòu)的壽命造成損害。

目前液壓機(jī)構(gòu)的緩沖結(jié)構(gòu)多使用階梯形柱塞緩沖器（見圖3），這種緩沖屬于變截面定緩沖壓力形式。其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、緩沖壓力大致穩(wěn)定，緩沖制動(dòng)時(shí)間短、適于大批量生產(chǎn)；缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜且誤差較大，往往要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)原始設(shè)計(jì)作出多次修正，試制成本及周期較長。

圖3 階梯形柱塞緩沖器

1.3 緩沖壓力的一般計(jì)算公式

在緩沖裝置的設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵是對(duì)緩沖腔內(nèi)緩沖壓力的計(jì)算。假設(shè)緩沖過程中緩沖腔內(nèi)緩沖壓力所產(chǎn)生的流體能全部吸收斷路器運(yùn)動(dòng)部分的全部機(jī)械能。由能量方程式：

式中，Eg為由驅(qū)動(dòng)力，斷路器運(yùn)動(dòng)部分等具有全部機(jī)械能；Eh為緩沖腔內(nèi)緩沖壓力產(chǎn)生的流體能；Ey為驅(qū)動(dòng)活塞的液壓能；Ed為所有運(yùn)動(dòng)部分折算到活塞上的動(dòng)能；Ef為所有折算到活塞上的重力、摩擦力產(chǎn)生的能量；P1為液壓油的驅(qū)動(dòng)力；A1為驅(qū)動(dòng)腔活塞的有效作用面積；P2為回油背壓力；A2為回油腔壓力對(duì)活塞的有效作用面積；S為活塞的緩沖行程；m為折算到活塞上的有關(guān)運(yùn)動(dòng)部分（包括油液）的歸化質(zhì)量；Vt為活塞的末速度；V0為活塞在緩沖前瞬間的初速度；F為折算到活塞上的一切歸化外力；P為緩沖腔內(nèi)的緩沖壓力；A為緩沖壓力在活塞上的有效作用面積。

將上列諸式聯(lián)立求解得：

因?yàn)榛钊钠骄鶞p速度a，所以有：

式（6）、式（7）為計(jì)算緩沖壓力的通式。

從式中可以看出，回油腔壓力對(duì)活塞的有效作用面積A2越大，緩沖壓力越?。换钊诰彌_前瞬間的初速度V0越大，緩沖壓力越大。但由于當(dāng)油缸處于緩沖階段時(shí)其內(nèi)部流場的變化非常復(fù)雜，固其設(shè)計(jì)計(jì)算存在較大誤差。需結(jié)合緩沖壓力測試進(jìn)行修正。

2 油液壓強(qiáng)在線監(jiān)測裝置介紹

本裝置針對(duì)液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的高壓油工作腔，機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)油液壓強(qiáng)不易測量的問題，通過對(duì)液壓碟簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的零部件結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)分、合閘操作過程中工作缸油腔內(nèi)的油液壓強(qiáng)的實(shí)時(shí)測量，并獲得隨時(shí)間變化的壓強(qiáng)曲線。

2.1 方案簡介

裝置測試功能的實(shí)現(xiàn)，包括液壓機(jī)構(gòu)工作缸內(nèi)進(jìn)行油道設(shè)計(jì)，壓力傳感器選型及安裝，信號(hào)及數(shù)據(jù)處理軟件三個(gè)部分組成。油液壓強(qiáng)在線監(jiān)測裝置功能模塊圖如圖4所示。

圖4 油液壓強(qiáng)在線監(jiān)測裝置功能模塊圖

油道設(shè)計(jì)要選擇能直接且完整檢測機(jī)構(gòu)全操作過程中油液壓強(qiáng)（特別是緩沖段壓強(qiáng)）的位置（具體設(shè)計(jì)見圖5中的分閘壓力測試孔及合閘壓力測試孔）。

圖5 壓力測試孔內(nèi)傳感器安裝狀態(tài)剖視圖

壓力傳感器安裝設(shè)計(jì)主要作用是能夠安裝固定傳感器且將輸出線從油道引出且不影響密封，并且保證傳感器的探頭能夠與液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)工作缸內(nèi)腔的油液直接接觸并與外界密封良好。

信號(hào)處理模塊進(jìn)行傳感器信號(hào)的采集，采樣頻率在100～200kHz之間，可以根據(jù)數(shù)據(jù)分析需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；上位機(jī)是一臺(tái)工業(yè)控制用計(jì)算機(jī)，安裝的數(shù)據(jù)處理軟件主要進(jìn)行控制信號(hào)的傳遞，數(shù)據(jù)采集信息的收集以及對(duì)離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行圖像化處理。

2.2 實(shí)現(xiàn)方法

該裝置通過在液壓機(jī)構(gòu)工作缸上增加測試孔，并內(nèi)置安裝高壓油液傳感器實(shí)現(xiàn)。通過高頻壓力傳感器采集機(jī)構(gòu)分、合閘動(dòng)作時(shí)，機(jī)構(gòu)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)油液壓強(qiáng)值，把數(shù)據(jù)傳給工控一體計(jì)算機(jī)，從而可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確、直接地獲取液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分、合閘過程中的油液壓強(qiáng)；獲取的數(shù)據(jù)包括斷路器斷口－時(shí)間曲線、斷路器行程－時(shí)間曲線、動(dòng)作過程中的壓力－時(shí)間曲線。

2.2.1 壓力測試孔設(shè)計(jì)

壓力測試孔應(yīng)設(shè)計(jì)在分合閘動(dòng)作末端的緩沖腔內(nèi)或接近緩沖腔的位置，可更直接測試工作壓力。測試孔需要安裝壓力傳感器，且壓力較高，需要可靠的密封。本次設(shè)計(jì)的裝置使用黃銅墊圈加緊固螺釘進(jìn)行密封。

2.2.2 緩沖壓力測試儀主要性能及實(shí)現(xiàn)方法

該測試儀是在普通高壓開關(guān)特性測試儀的基礎(chǔ)上增加了緩沖壓力測試功能。

1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成各參量的采集，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與上位機(jī)通過RS232實(shí)現(xiàn)通信。

2）控制直流電源單元提供了0～280V直流操作電源對(duì)高壓斷路器直接進(jìn)行操作。

3）合閘傳感器、分閘傳感器用來測試機(jī)構(gòu)動(dòng)作過程中工作區(qū)域內(nèi)部的油液壓強(qiáng)值。采用高頻壓力傳感器，分別安裝在工作缸的指定位置。傳感器選型：MYD-8553B/C，量程200MPa，上升時(shí)間2ms，非線性0.8%FS。

4）觸頭位移傳感器（使用已有設(shè)計(jì)，不詳細(xì)描述），用來測試機(jī)構(gòu)活塞桿運(yùn)動(dòng)的行程。

5）工控一體機(jī)完成控制命令發(fā)出和數(shù)據(jù)接收、處理、顯示及管理；軟件開發(fā)平臺(tái)采用美國NI公司的虛擬儀器專用軟件環(huán)境：Lab Windows CVI。

2.3 測試結(jié)果

曲線說明：該測試裝置的主要目的是為了得到圖6和圖7中的緩沖壓力曲線。圖中的行程曲線及斷口曲線是為了實(shí)現(xiàn)緩沖壓力曲線與活塞實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)行程同步對(duì)比分析，為緩沖設(shè)計(jì)提供參考。

圖6 分閘緩沖壓力測試結(jié)果

圖7 合閘緩沖壓力測試結(jié)果

曲線結(jié)果分析說明：由圖6和圖7可以看出，測試臺(tái)測試出斷路器分、合閘動(dòng)作過程中工作缸內(nèi)的油液壓強(qiáng)變化曲線。該曲線進(jìn)一步證明斷路器在分、合閘過程中工作缸內(nèi)的油液壓強(qiáng)波動(dòng)較大，特別是進(jìn)入分、合閘緩沖段后，壓力變化可達(dá)到系統(tǒng)壓力的1.5倍以上。由此可見液壓機(jī)構(gòu)的緩沖段設(shè)計(jì)非常重要。對(duì)于新開發(fā)的液壓機(jī)構(gòu)如果緩沖段設(shè)計(jì)不合理，機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生更大的油液壓強(qiáng)，進(jìn)而對(duì)斷路器產(chǎn)生大的沖擊，造成噪聲、強(qiáng)的機(jī)械碰撞及壽命縮短等不利影響。

3 液壓機(jī)構(gòu)緩沖壓力測試實(shí)例及結(jié)果分析

為了說明相同緩沖結(jié)構(gòu)配不同斷路器時(shí)，緩沖壓力可能發(fā)生較大變化，使用該款液壓機(jī)構(gòu)分別對(duì)兩種斷路器進(jìn)行緩沖壓力測試，對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。測試結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 某新型斷路器緩沖壓力測試

圖9 某常規(guī)斷路器緩沖壓力測試

從下表數(shù)據(jù)可以看出，同款液壓機(jī)構(gòu)在活塞桿初始速度相同時(shí)，配某新型斷路器所測緩沖壓力比配常規(guī)斷路器所測緩沖壓力高出約20MPa。證明在液壓機(jī)構(gòu)與新型斷路器配試時(shí)，需要考慮到斷路器本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量等對(duì)液壓機(jī)構(gòu)活塞產(chǎn)生的歸化外力的影響，最好進(jìn)行緩沖壓力測試，以避免緩沖壓力過高，造成機(jī)構(gòu)內(nèi)部零件損壞。

表 某新型550GIS與常規(guī)550GIS緩沖壓力測試結(jié)果對(duì)比

從以上數(shù)據(jù)還可以看出，對(duì)于同一產(chǎn)品，活塞桿進(jìn)入緩沖段時(shí)的初速度V0越大，緩沖壓力越大，故當(dāng)配試的斷路器要求活塞桿運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)，需要著重考慮緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行緩沖壓力測試，避免末端沖擊過大，影響產(chǎn)品可靠性。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文介紹了一款液壓機(jī)構(gòu)緩沖壓力測試裝置。通過詳細(xì)講述測試裝置的傳感器選型方案及壓力測試實(shí)現(xiàn)方法，為液壓機(jī)構(gòu)的緩沖壓力測試提供依據(jù)。文中以某款液壓機(jī)構(gòu)為例，對(duì)測試過程測試結(jié)果進(jìn)行了分析說明和規(guī)律歸納，為液壓機(jī)構(gòu)活塞桿緩沖段設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。

該裝置可以適用于多種液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)在分、合閘工作過程中油液壓強(qiáng)的測量，可用于產(chǎn)品可靠性判斷及優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高液壓機(jī)構(gòu)及斷路器產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。