新型大功率彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析

蘇東海，劉 海

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

0 引言

操動(dòng)機(jī)構(gòu)是高壓斷路器中重要的核心控制設(shè)備[1]。斷路器的執(zhí)行元件動(dòng)觸頭的合閘、分閘動(dòng)作是靠操動(dòng)機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)的[2]。操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性直接影響到斷路器的使用性能[3]。高壓斷路器所配操動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有：氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈簧儲(chǔ)能液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)和彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，電力用戶和開關(guān)行業(yè)公認(rèn)為彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)最可靠[4]。

彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)是利用儲(chǔ)能的彈簧為動(dòng)力實(shí)現(xiàn)合閘、分閘動(dòng)作[5]。國(guó)內(nèi)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)技術(shù)比較老化，在性能和技術(shù)指標(biāo)方面不能完全滿足行業(yè)的技術(shù)要求。并且存在以下主要問題：1) 儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理；2) 離合器的使用不合理；3) 電壓等級(jí)低。而本文中新型大功率彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)完全解決了上述問題，并且性能和技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的同類產(chǎn)品，具有十分明顯的先進(jìn)性和實(shí)用性。

1 新型大功率彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)

大功率彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)主要可分為動(dòng)力輸入系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、和控制系統(tǒng)四個(gè)部分。圖1為大功率彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)原理框圖。

此彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于252kV-550kV的高壓開關(guān)控制系統(tǒng)，與同類產(chǎn)品比，具有零部件少、體積小、成本低、工藝性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 操動(dòng)機(jī)構(gòu)組成

其主要特點(diǎn)是在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中采用帶滑槽的四連桿動(dòng)力傳動(dòng)離合技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)凸輪傳動(dòng)；儲(chǔ)能系統(tǒng)中采用關(guān)節(jié)式高載荷儲(chǔ)能系統(tǒng)、高能量密度的碟形彈簧代替?zhèn)鹘y(tǒng)螺旋彈簧為儲(chǔ)能元件；在整體布置中采用緊湊型對(duì)稱式主體結(jié)構(gòu)的型式，這樣不僅受力均勻合理，且避免了軸件受扭。從而實(shí)現(xiàn)了可靠的高載荷儲(chǔ)能、大功率傳輸，并且為高壓斷路器的彈簧機(jī)構(gòu)配機(jī)小型化提供了可靠的條件。

2 新型大功率彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)的建立

要對(duì)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析要建立操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)體模型，并將實(shí)體模型導(dǎo)入到動(dòng)力學(xué)分析軟件中建立其虛擬樣機(jī)，在虛擬樣機(jī)建立過程中需要定義動(dòng)力方程、緩沖力方程。

2.1 動(dòng)力分析

此彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)是多個(gè)碟形彈簧對(duì)合組合在一起組成的碟簧組，需要先分析單片碟簧的負(fù)載特性，然后經(jīng)過計(jì)算得出碟簧組的負(fù)載特性。圖2為單片碟形彈簧示意圖。

圖2 碟形彈簧

根據(jù)國(guó)家碟簧標(biāo)準(zhǔn)[6]可知：

單片碟簧負(fù)荷：

語體從實(shí)質(zhì)上來說是交際目的和語法結(jié)構(gòu)以及語言手段的結(jié)合體，接下來本文將著重從句型層面來討論敘事語體和描寫語體的差異。

其中：E為碟簧材料的彈性模量，N/mm2；μ為泊松比；f為單片碟簧的形變量，mm；K1為計(jì)算系數(shù)。

計(jì)算系數(shù)：

其中：C為直徑比。

根據(jù)國(guó)家碟簧設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)際尺寸參數(shù)及以上公式可得到如下方程：

1) 分閘碟簧組負(fù)荷：

2) 合閘碟簧組負(fù)荷：

2.2 緩沖分析

緩沖器是操動(dòng)機(jī)構(gòu)的重要組成部分，緩沖器的性能不僅能夠直接影響操動(dòng)機(jī)構(gòu)工作時(shí)的動(dòng)力特性，還對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的壽命影響很大。此彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的緩沖部件集成于彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)中。如圖3所示為緩沖原理示意圖。

圖3 緩沖原理示意圖

根據(jù)流體力學(xué)[7]當(dāng)一個(gè)圓柱面移動(dòng)時(shí)的縫隙流動(dòng)的流量公式可得到緩沖器內(nèi)壓力：

其中：μ為油液動(dòng)力粘度，Pa·s；l為縫隙長(zhǎng)度，m；D為緩沖缸內(nèi)徑，m；δ為縫隙的高度，m； q為流通環(huán)形截面的液體的流量，m3/s； v0為緩沖活塞運(yùn)動(dòng)速度，m/s。

根據(jù)實(shí)際參數(shù)及上述壓力公式可得分閘緩沖力：

合閘1緩沖力：

合閘2緩沖力：

2.3 虛擬樣機(jī)的建立

此彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的三圍實(shí)體模型是應(yīng)用Pro/E軟件建立的。建模的過程主要分為零件模型的建立和零件裝配兩個(gè)部分。在零件建模過程中，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、倒角、插入孔等方法建立操動(dòng)機(jī)構(gòu)零件的實(shí)體特征。在零件裝配過程中根據(jù)實(shí)際各零件的裝配關(guān)系，及軟件提供的裝配設(shè)計(jì)約束匹配、對(duì)齊、插入等建立操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的三圍實(shí)體裝配模型如圖4所示。

圖4 實(shí)體模型

然后將單位設(shè)置成mmns，并將裝配好的實(shí)體模型保存為Parasolid格式的*.xmt_txt文件。以便將其導(dǎo)入到動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS中。

在ADAMS/View中首先設(shè)置工作環(huán)境，然后導(dǎo)入保存的文件。通過編輯構(gòu)件、添加約束、施加載荷等一系列操作建立操動(dòng)機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)。

編輯構(gòu)件包括修改構(gòu)件的外觀、名稱、方位質(zhì)量等信息。添加約束中的運(yùn)動(dòng)副包括定義低副、基本副和高副。施加載荷包括定義外部載荷及接觸。在定義外部載荷過程中需要將以上計(jì)算的結(jié)果轉(zhuǎn)換成ADAMS可以識(shí)別的函數(shù)。

3 新型大功率彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

影響操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)特性的因素有很多，例如：儲(chǔ)能元件的材料及結(jié)構(gòu)參數(shù)；連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)；緩沖結(jié)構(gòu)參數(shù)等等，由于緩沖器影響到動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)特性及操動(dòng)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和壽命，關(guān)系重大，故本文以緩沖參數(shù)對(duì)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)特性的影響為研究重點(diǎn)。

如圖5所示為分閘時(shí)的動(dòng)觸頭位移變化曲線及改變緩沖系數(shù)對(duì)位移變化曲線的影響。

圖5 分閘位移曲線

圖6 分閘加速度曲線

如圖6所示為分閘時(shí)動(dòng)觸頭加速度變化曲線及改變緩沖參數(shù)對(duì)加速度變化的影響。

圖7 合閘位移曲線

由于合閘時(shí)有兩個(gè)緩沖器工作，但只有分閘碟簧組端緩沖器對(duì)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)特性影響較大，故這里以分析此緩沖器對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的影響為例。如圖7所示為合閘時(shí)動(dòng)觸頭位移變化曲線及改變緩沖參數(shù)對(duì)位移變化的影響。

圖8 合閘位移曲線

如圖8所示為合閘時(shí)動(dòng)觸頭加速度變化曲線及改變緩沖參數(shù)對(duì)加速度變化的影響。

4 結(jié)論

通過以上仿真結(jié)果可以得出：緩沖器對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)特性有很大的影響；減小緩沖系數(shù)可以減少分合閘時(shí)間并提高分合閘的速度，但是會(huì)減小緩沖作用，在碟簧組法蘭運(yùn)動(dòng)到行程末端時(shí)速度會(huì)增大，會(huì)增大法蘭對(duì)殼體的沖擊，影響操動(dòng)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性與壽命；增大緩沖系數(shù)則反之。

影響緩沖系數(shù)的因素也有很多，如油液溫度、緩沖縫隙高度、緩沖杠內(nèi)徑等等，并且這些因素有非常小的變化，緩沖系數(shù)的變化都會(huì)很大，但是緩沖器本來就是加工精度要求很高的部件，要想從加工精度著手控制緩沖器的性能很難，所以建議在生產(chǎn)緩沖部件裝配過程中選擇互換裝配法，并在裝配完成后，對(duì)緩沖部件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，再將其裝配到操動(dòng)機(jī)構(gòu)中，最后對(duì)整機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，這樣才能生產(chǎn)出性能好、穩(wěn)定性高、壽命長(zhǎng)的彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)。

[1] 陳保倫,文亞寧.斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)介紹[J].高壓電器,2010,46(10):75-80.

[2] 王曄.斷路器電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)測(cè)試臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2011,33(2):29-30.

[3] 苗紅霞,王宏華,齊本勝.高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)建模與仿真研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2010,46(17):212-215.

[4] 黎斌.SF6高壓電器設(shè)計(jì)2版[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008:25-50.

[5] 李召家.我國(guó)開關(guān)設(shè)備的發(fā)展概況和發(fā)展趨勢(shì)[J].廣東電力,2003,16(01):1-9.GB/T1972-2005碟形彈簧[S].

[6] 宋錦春,蘇東海,張志偉.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京:科學(xué)出版社,2006:5-40.