彈簧操動機構緩沖器仿真模型及緩沖性能改進

摘 要:根據高壓電器中彈簧操動機構緩沖器的工作原理，建立了緩沖器仿真模型，介紹了緩沖器仿真的方法和步驟。針對產品生產試驗中出現的緩沖問題，提出了緩沖器缸體阻尼孔結構的修改方案，對比分析了缸體修改前后的特性曲線，并對新缸體進行了試驗跟蹤。結果顯示，通過修改緩沖器缸體阻尼孔結構，提高了緩沖器的緩沖性能。

關鍵詞:彈簧操動機構緩沖器阻尼孔特性曲線緩沖性能

中圖分類號:TM561文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(a)-0021-02

1 緒論

高壓斷路器是電力系統中重要的控制和保護設備。而操動機構是高壓斷路器中不可缺少的重要組成部分，它不僅要保證斷路器準確無誤的開斷和關合短路電流，并可靠地保持在分閘或者合閘位置上，而且還需要完成快速自動重合閘操作，具備防跳躍、自動復位和閉鎖等功能。由于斷路器的分合閘操作都是通過操動機構來實現的，因此操動機構的工作性能和質量優劣，直接影響著高壓斷路器的工作性能和可靠性。

高壓斷路器的分合閘速度很高，而觸頭的運動行程相對較小。要使速度很高的運動部件在較短的行程內停止，須采用緩沖器來吸收運動部分的動能，防止斷路器中某些零部件因受到巨大的沖擊而損壞。此外，在觸頭運動結束時刻，斷路器的運動部分不應有顯著的反彈[1]。因此，緩沖器的緩沖作用對斷路器的性能指標有著重要的影響。本文根據彈簧機構緩沖器的工作原理，建立了緩沖器仿真模型，闡述了緩沖器仿真的步驟。并針對我公司產品試驗中出現的緩沖問題，對緩沖器缸體結構進行了修改，結合試驗數據，對比了缸體結構修改前后的特性曲線。并且通過后期的試驗跟蹤，驗證了缸體修改方案的正確性、合理性。

2 緩沖器的結構形式與工作原理

彈簧操動機構緩沖器主要由大缸體、小缸體、彈簧、活塞、導套等元件組成。其結構如圖1所示:

圖1中緩沖器活塞5處于分閘穩定位置。當機構收到合閘操作命令時，活塞5在機構合閘彈簧力的作用下向左運動，小缸體2與大缸體1之間產生壓強差，液壓油4在壓力差的作用下通過阻尼孔3在兩個缸體之間流動。由于阻尼孔3的出流量限制，活塞5的速度也受到限制。在合閘操作過程中，合閘彈簧能量一部分用于給分閘彈簧儲能，另一部分能量被緩沖器中液壓油4的緩沖反力抵消掉。最終，活塞5停留在合閘穩定位置。當機構收到分閘操作命令時，活塞5從合閘穩定位置開始向右運動，分閘彈簧能量全部被緩沖器的緩沖反力吸收，活塞5最終停留在分閘穩定位置。

從上述分析可以看出，緩沖器的特性是指緩沖過程中大小缸體之間的壓強差與流油量之間的關系。因此，影響緩沖器緩沖特性的主要因素是阻尼孔3的存在以及活塞5與小缸體2之間的間隙。

3 緩沖器仿真模型建立

為了給解決生產實際中存在的緩沖問題提供一定的理論指導，本文建立了緩沖器仿真計算模型。

3.1 假設條件

在不影響整體仿真結果的前提下對部分條件作以下假設:

(1)假設緩沖器的工作過程為絕熱過程。在液壓動力學中，充油和放油時間小于1分鐘即可認為是絕熱過程[2]。而該緩沖器的緩沖過程為幾十毫秒，因此假設為絕熱過程。(2)由于緩沖器中液壓油的重力勢能遠小于其動能及壓力勢能，故仿真過程中不考慮液壓油的重力。(3)忽略由于壓力及溫度變化引起的系統剛性構件的彈性變形。(4)忽略由于壓力升高引起的液壓油的壓縮量。

3.2 數學模型

(1)緩沖反力方程

式中，-緩沖反力;

-小缸體2中液壓油壓強;

-小缸體2的作用面積;

-大缸體1中液壓油壓強;

-大缸體1的作用面積。

(2)阻尼孔流量方程

小孔流動類型可以根據孔的長度與直徑的比值來確定[3]。彈簧機構用緩沖器缸體阻尼孔的流量方程表示如下:

式中，-通過阻尼孔的流量;

-流量系數。完全壓縮情況下，=0.6-0.62。

-阻尼孔的流通總面積;

-液壓油密度;

-阻尼孔兩側壓力差。

(3)補充方程

式中，-活塞的運動速度;

-活塞的運動位移;

-活塞的橫截面有效面積;

、-分別為大缸體1中初始的空氣體積、被壓縮的空氣體積。

3.3 仿真方法

從上述數學模型可以看出，緩沖反力與活塞的運動速度和運動位移之間存在聯系，若已知某時刻活塞的運動速度和運動位移，便可計算出該時刻的緩沖反力。Adams與其它控制程序的聯合控制是首先在adams中建立多體系統，由adams輸出描述系統方程的有關參數，再在其它控制程序中讀入adams輸出的信息并建立控制方案。在計算的過程中，adams與其它控制程序進行數據交換，由adams的求解器求解系統的方程，由其它控制程序求解控制方程，共同完成整個控制過程的計算[4]。本文利用adams和matlab進行緩沖器的數值仿真。在仿真過程中，adams和matlab進行實時的數據交換。在adams中計算出每一時刻活塞的運動速度和運動位移，并輸出到matlab中，在matlab中建立控制系統，計算出相應時刻的緩沖反力，再將計算出的緩沖反力從matlab輸出到adams中，求解下一時刻活塞的運動速度和運動位移。如此迭代，直至仿真時間結束。具體步驟如下:

(1)在adams中建立三個狀態變量，分別代表緩沖反力、活塞的運動速度和運動位移。并將狀態變量與模型關聯。(2)定義輸入輸出變量。將代表緩沖反力的狀態變量定義為輸入變量，代表活塞運動速度和運動位移的狀態變量定義為輸出變量。(3)導出控制參數。創建了控制輸入和控制輸出之后，將系統的控制參數導出到matlab中。(4)啟動matlab。首先讀入adams輸出的控制文件，然后在命令窗口中輸入adams與matlab的接口命令，以激活兩者的聯合仿真。(5)建立控制方案。利用matlab中的simulink庫建立控制方案。(6)設置adams與matlab之間的數據交換參數及仿真參數。(7)進行仿真計算。(8)結果后處理。

4 緩沖器緩沖性能改進

在高壓電器產品試驗過程中，發現有些機構的緩沖性能不佳，并且在緩沖末級緩沖較弱，導致緩沖不到底。試驗得到的特性曲線如圖2所示。

通過將該特性曲線與小缸體阻尼孔結構圖進行對比分析發現，末級阻尼孔直徑較小是造成緩沖不到底的主要原因。而小缸體上阻尼孔的大小和位置不僅影響緩沖器的緩沖性能，還影響本體的分合閘時間與分合閘速度。因此，為了改善緩沖器的緩沖性能不能只針對一個阻尼孔進行修改，要在滿足分合閘時間與分合閘速度等特性要求的基礎上，修改對緩沖性能影響顯著的阻尼孔結構。這樣才能保證產品性能在符合相關要求的基礎上有較好的緩沖性能，進而對其它部件起到保護作用。

通過上面分析，并結合緩沖器小缸體上阻尼孔結構與特性曲線，對小缸體上阻尼孔結構進行了修改。配用新緩沖器缸體后，試驗得到的特性曲線如圖3所示。

對比圖2與圖3特性曲線可以看出，換用新的緩沖器缸體后，緩沖性能較原缸體有明顯改善，并且不再有緩沖不到底情況。為了進一步驗證新緩沖器缸體的正確性，在同型號其它彈簧機構產品上進行了試驗跟蹤。試驗結果顯示，新緩沖器缸體在緩沖性能方面，較原緩沖器都有大幅度的提高。說明此次緩沖器缸體修改方案是切實可行的。

5 結語

(1)緩沖器在高壓開關中發揮著重要的作用。本文建立了彈簧機構緩沖器仿真計算模型，介紹了利用adams和matlab進行緩沖器聯合仿真的方法和步驟。(2)針對高壓產品生產試驗中出現的緩沖問題，本文提出了緩沖器小缸體阻尼孔結構修改方案，對比了緩沖器小缸體結構修改前后特性曲線。結果表明:新緩沖器缸體較原缸體的緩沖性能有明顯提高。并且對新緩沖器缸體進行了試驗跟蹤，保證了缸體結構修改的正確性。

參考文獻

[1]徐國政，張節容等.高壓斷路器原理和應用[M].北京:清華大學出版社，2000.

[2]金朝銘.液壓動力學[M].國防工業出版社，1994.

[3] 王寶和.流體傳動與控制[M].國防科技大學出版社，2001.

[4] 李增剛.ADAMS入門詳解與實例[M].國防工業出版社，2009.