一種液壓機構儲能行程監(jiān)測裝置的設計

蔣 龍，許艷蒲，陳 文，尹 啟，張潤田，范雪麗

(1.南方電網(wǎng)公司曲靖局，云南 曲靖 655000) (2.西安西電高壓開關操動機構有限責任公司，陜西 西安 710077)

操動機構是高壓斷路器的重要部件，斷路器的各種動作都是依靠操動機構來完成的。操動機構類型主要有彈簧機構、氣動機構和液壓機構。高電壓等級的斷路器、直流轉換開關等設備，一般都需要較大操作功的操動機構。液壓碟簧操動機構[1-5]由于其碟簧具有非線性力學特性，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、特高壓等級斷路器上應用很廣泛[6-9]。液壓碟簧操動機構的動作特點是時間短、速度高、振動大，其動態(tài)特性及緩沖特性的設計也是影響機構可靠性的重要因素[10-14]。液壓碟簧操動機構的能量是靠壓縮碟簧組來實現(xiàn)的，其儲能狀態(tài)通過一組儲能行程監(jiān)測裝置來控制。本文對一種液壓碟簧操動機構儲能行程監(jiān)測裝置的沖擊碰撞問題進行了分析論述，并通過測試和計算，設計了一種可靠的緩沖結構。

1 液壓碟簧操動機構原理介紹

液壓碟簧操動機構是一種以碟簧為儲能元件、液壓油為傳遞能量介質，通過集成化設計、模塊化裝配而成的機構，該類型代表性的操動機構是德國ABB公司的HMB型系列液壓碟簧操動機構。目前，國內也有一些專業(yè)公司能夠設計、制造各電壓等級斷路器用的液壓碟簧操動機構，工作原理和結構模式基本一致[1-4，10，12]。

1.1 基本結構

液壓碟簧操動機構主要由充壓模塊、儲能模塊、控制模塊、工作模塊、監(jiān)測模塊等5大模塊組成，在中心工作模塊周圍呈環(huán)形布置。3個儲能模塊以及充壓模塊、控制模塊、檢測模塊和碟簧以60°旋轉角度間隔布置在中心軸周圍。以ABB公司HMB型液壓碟簧操動機構為例，其結構如圖1所示。

1—HMB4碟簧組；2—手動泄壓閥；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；10—碳刷；11—儲能模塊；12—監(jiān)測模塊；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 液壓碟簧操動機構儲能行程監(jiān)測裝置

液壓碟簧操動機構儲能行程監(jiān)測裝置結構如圖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個支撐板3上。壓力開關8(與凸輪對應共8片)通過支撐板7固定在支撐板3上，與凸輪5形成配對關系。支撐板3固定在工作缸上，齒條2末端固定在液壓機構的碟簧組件上，可以隨碟簧做直線往復運動。行程監(jiān)測模塊通過對碟簧壓縮量的監(jiān)測，帶動行程開關凸輪旋轉來斷開或閉合微動開關觸點，達到為電站主控室提供報警及閉鎖信號的目的。

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

工作原理為：齒條2隨碟簧向下運動，帶動齒輪1轉動，齒輪1帶動六方軸4轉動，六方軸4帶動不同角度的凸輪5轉動，不同角度的凸輪5在旋轉過程中凸起部分與壓力開關8的滾輪6接觸，實現(xiàn)壓力開關8接通或斷開。在機構動作過程中,彈簧迅速釋放能量,為機構提供動力,在此過程中,儲能行程檢測裝置的齒條迅速向上運動,帶動齒輪旋轉,進而帶動齒輪切換壓力開關,實現(xiàn)機構閉鎖或報警信號的發(fā)出。

2 液壓碟簧操動機構儲能行程監(jiān)測裝置緩沖結構設計

在實際工程應用中,如圖2所示,齒條2隨機構的動作上下往復運動,機構齒條向下運動時,為液壓機構的儲能過程,該過程動作一般比較平緩,平均運動速度只有0.01 m/s左右，而當機構進行分合閘動作時，監(jiān)測模塊的運動速度就比較快，一般為1.5 m/s左右，同時會伴隨巨大的振動。因此，在液壓機構碟簧帶動齒條高速分合閘時，齒輪齒條在嚙合過程中就會受到巨大的沖擊，有時甚至會造成齒條或齒輪上的齒斷裂，從而造成儲能行程監(jiān)測裝置失效。為了避免上述問題的發(fā)生，實際工程應用中往往在齒條末端設計一套緩沖結構，這種緩沖結構可以很好地改善齒輪齒條傳動過程中的受力狀況，大大提升儲能行程監(jiān)測裝置的可靠性。

2.1 儲能行程監(jiān)測裝置緩沖結構設計

圖3是某型號液壓碟簧操動機構儲能行程監(jiān)測裝置傳動結構示意圖，本文設計的緩沖結構如圖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、能以小變形承受大載荷等特點，很適合用于有限空間的緩沖設計。但是，由于碟形彈簧的力學特性比較復雜，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]，實際應用中，要想利用碟形彈簧的力學特性來滿足緩沖結構設計的要求，必須根據(jù)實際設計尺寸及結構安裝尺寸來設計緩沖碟形彈簧的結構尺寸。

圖3 儲能行程監(jiān)測裝置傳動結構示意圖

2.2 緩沖碟簧設計

1)工況分析。

如圖3所示，HMB型液壓碟簧操動機構運動過程為，液壓機構儲能碟簧組向左運動時，為碟簧壓縮機構儲能的過程，碟簧壓縮行程為85 mm，儲能時間為80 s；儲能碟簧組向右運動時，表示其進行分閘或合閘動作。運動參數(shù)如下：分閘運動時儲能碟簧釋放行程為30 mm，動作時間為20 ms；合閘運動時儲能碟簧釋放行程為12 mm，動作時間為60 ms。

2)動力學特性計算。

緩沖碟簧的緩沖力應大于齒條在運動過程中的沖擊力和齒條運動阻力的合力，否則緩沖碟簧就會被壓平，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阻力為齒條運動的歸算阻力，N；F沖為齒條運動的沖擊力,N。齒條的沖擊力一方面來自于齒條隨儲能碟簧運動時的運動慣量，即齒條隨儲能碟簧做合閘或分閘操作時的運動力F運動；另一方面來自于機構運動過程中的振動沖擊，即機構分閘或合閘運動過程中能量釋放帶來的振動力F振動。沖擊力計算公式為：

F沖=F運動+F振動

(2)

F運動=ma運動

(3)

F振動=ma振動

(4)

式中：m為齒條歸算質量，kg；a運動為齒條的運動加速度，m/s2；a振動為齒條的振動加速度，m/s2。齒條的運動加速度可以理解為齒條隨儲能碟簧運動的加速度：

(5)

式中：V末為齒條運動的末速度；V初為齒條運動的初速度；t為齒條運動的時間。

由液壓機構運動特性可知，齒條運動的末速度與儲能活塞運動的末速度相同，齒條運動的時間與儲能活塞運動的時間相同，將式(5)代入式(3)，得：

(6)

齒條在運動過程中的振動加速度a振動可以通過實際測量獲得，測量方法為在儲能行程開關運動部位安裝振動加速度傳感器，如圖4所示。

圖4 儲能行程監(jiān)測裝置振動測試

某型液壓碟簧操動機構按圖4測量方法的測量數(shù)據(jù)匯總見表1。

表1 儲能行程監(jiān)測裝置振動加速度測試數(shù)據(jù)表

由表1可知，該機構配相應斷路器在分閘和合閘的過程中，振動加速度在齒條運動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=1 273.6g

(7)

將式(7)代入式(4)可得：

F振動=ma振動=m×1 273.6g

(8)

將式(6)、(8)代入式(2)可得：

(9)

齒條運動過程的歸算阻力通過實測獲得，利用拉壓力傳感器進行測量，在儲能行程裝置做勻速運動時，其測量的力值如圖5所示。

圖5 齒條運動阻力測試曲線

從圖5可知，齒條的運動阻力測量值為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)即可計算出儲能行程監(jiān)測裝置運動過程的緩沖力，可作為緩沖碟簧設計時的參考值。

該型液壓碟簧操動機構的已知參數(shù)為：齒條歸算質量m=0.1 kg，運動阻力F阻力=31 N；振動加速度a振動=1 273.6g，合閘運動速度為0.2 m/s，合閘運動時間為60 ms，分閘運動速度為1.5 m/s，分閘運動時間為20 ms,齒條在合閘運動和分閘運動時的運動加速度為：

合閘時

(12)

分閘時

(13)

通過以上計算可知，機構在分閘時齒條的運動加速度大于其合閘時的運動加速度，在設計計算時，應取齒條運動時的最大加速度作為計算依據(jù)，即：

(14)

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

由以上分析計算可知，對于該型液壓機構儲能行程監(jiān)測裝置，其最大的沖擊力達1 284.6 N，因此在設計相應的緩沖碟簧時，其緩沖碟簧的力值設計值不能小于該沖擊力。

3 緩沖碟簧結構和力值校核計算

根據(jù)上文的推理計算，應用碟簧計算公式[6]，對HMB型液壓碟簧操動機構緩沖碟簧結構進行力值校核。該結構的碟簧片組合形式為復合形式，即兩片碟簧片先疊合，再將疊合的兩組碟簧片對合，共形成4組復合組合的碟簧。碟簧片數(shù)為16片，要求其組合力值不能小于齒條沖擊力。碟簧的結構參數(shù)見表2。

表2 碟簧結構參數(shù)

將表2中的參數(shù)值代入公式，計算得到碟簧的力值見表3。

表3 碟簧力值計算結果

由表3可知，當?shù)蓧嚎s量為碟簧最大壓縮量h0的一半時，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)計算結果可知，本文所設計的碟簧緩沖結構在單片碟簧壓縮量為其最大壓縮量的50%時，碟簧結構的力值即可大于齒條沖擊力。由此說明，緩沖碟簧結構可以起到緩沖作用，符合理論計算和實際測試結果，緩沖碟簧結構的設計較為合理。

4 結束語

近年來，液壓碟簧操動機構在高壓開關設備上的應用不斷增多，其典型故障發(fā)生概率也在增大，為了保證機構的可靠性，對其材料本身的強度和傳動結構的設計都提出了較高的要求，必須充分考慮動作過程中可能產生的對機構可靠性影響較大的沖擊和振動這兩個因素。本文設計的液壓碟簧操動機構儲能行程監(jiān)測裝置，充分考慮了其結構、功能和動力學特性，可減少其動作過程中的沖擊力，提高行程監(jiān)測模塊的可靠性，保證其能夠充分發(fā)揮緩沖作用，達到保護儲能行程監(jiān)測裝置的目的，為液壓碟簧操動機構的可靠運行提供了保障。