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摘 要:根据高压电器中弹簧操动机构缓冲器的工作原理,建立了缓冲器仿真模型,介绍了缓冲器仿真的方法和步骤。针对产品生产试验中出现的缓冲问题,提出了缓冲器缸体阻尼孔结构的修改方案,对比分析了缸体修改前后的特性曲线,并对新缸体进行了试验跟踪。结果显示,通过修改缓冲器缸体阻尼孔结构,提高了缓冲器的缓冲性能。
关键词:弹簧操动机构缓冲器阻尼孔特性曲线缓冲性能
中图分类号:TM561 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)09(a)-0021-02
1 绪论
高压断路器是电力系统中重要的控制和保护设备。而操动机构是高压断路器中不可缺少的重要组成部分,它不仅要保证断路器准确无误的开断和关合短路电流,并可靠地保持在分闸或者合闸位置上,而且还需要完成快速自动重合闸操作,具备防跳跃、自动复位和闭锁等功能。由于断路器的分合闸操作都是通过操动机构来实现的,因此操动机构的工作性能和质量优劣,直接影响着高压断路器的工作性能和可靠性。
高压断路器的分合闸速度很高,而触头的运动行程相对较小。要使速度很高的运动部件在较短的行程内停止,须采用缓冲器来吸收运动部分的动能,防止断路器中某些零部件因受到巨大的冲击而损坏。此外,在触头运动结束时刻,断路器的运动部分不应有显著的反弹[1]。因此,缓冲器的缓冲作用对断路器的性能指标有着重要的影响。本文根据弹簧机构缓冲器的工作原理,建立了缓冲器仿真模型,阐述了缓冲器仿真的步骤。并针对我公司产品试验中出现的缓冲问题,对缓冲器缸体结构进行了修改,结合试验数据,对比了缸体结构修改前后的特性曲线。并且通过后期的试验跟踪,验证了缸体修改方案的正确性、合理性。
2 缓冲器的结构形式与工作原理
弹簧操动机构缓冲器主要由大缸体、小缸体、弹簧、活塞、导套等元件组成。其结构如图1所示:
图1中缓冲器活塞5处于分闸稳定位置。当机构收到合闸操作命令时,活塞5在机构合闸弹簧力的作用下向左运动,小缸体2与大缸体1之间产生压强差,液压油4在压力差的作用下通过阻尼孔3在两个缸体之间流动。由于阻尼孔3的出流量限制,活塞5的速度也受到限制。在合闸操作过程中,合闸弹簧能量一部分用于给分闸弹簧储能,另一部分能量被缓冲器中液压油4的缓冲反力抵消掉。最终,活塞5停留在合闸稳定位置。当机构收到分闸操作命令时,活塞5从合闸稳定位置开始向右运动,分闸弹簧能量全部被缓冲器的缓冲反力吸收,活塞5最终停留在分闸稳定位置。
从上述分析可以看出,缓冲器的特性是指缓冲过程中大小缸体之间的压强差与流油量之间的关系。因此,影响缓冲器缓冲特性的主要因素是阻尼孔3的存在以及活塞5与小缸体2之间的间隙。
3 缓冲器仿真模型建立
为了给解决生产实际中存在的缓冲问题提供一定的理论指导,本文建立了缓冲器仿真计算模型。
3.1 假设条件
在不影响整体仿真结果的前提下对部分条件作以下假设:
(1)假设缓冲器的工作过程为绝热过程。在液压动力学中,充油和放油时间小于1分钟即可认为是绝热过程[2]。而该缓冲器的缓冲过程为几十毫秒,因此假设为绝热过程。(2)由于缓冲器中液压油的重力势能远小于其动能及压力势能,故仿真过程中不考虑液压油的重力。(3)忽略由于压力及温度变化引起的系统刚性构件的弹性变形。(4)忽略由于压力升高引起的液压油的压缩量。
3.2 数学模型
(1)缓冲反力方程
式中,-缓冲反力;
-小缸体2中液压油压强;
-小缸体2的作用面积;
-大缸体1中液压油压强;
-大缸体1的作用面积。
(2)阻尼孔流量方程
小孔流动类型可以根据孔的长度与直径的比值来确定[3]。弹簧机构用缓冲器缸体阻尼孔的流量方程表示如下:
式中,-通过阻尼孔的流量;
-流量系数。完全压缩情况下,=0.6-0.62。
-阻尼孔的流通总面积;
-液压油密度;
-阻尼孔两侧压力差。
(3)补充方程
式中,-活塞的运动速度;
-活塞的运动位移;
-活塞的横截面有效面积;
、-分别为大缸体1中初始的空气体积、被压缩的空气体积。
3.3 仿真方法
从上述数学模型可以看出,缓冲反力与活塞的运动速度和运动位移之间存在联系,若已知某时刻活塞的运动速度和运动位移,便可计算出该时刻的缓冲反力。Adams与其它控制程序的联合控制是首先在adams中建立多体系统,由adams输出描述系统方程的有关参数,再在其它控制程序中读入adams输出的信息并建立控制方案。在计算的过程中,adams与其它控制程序进行数据交换,由adams的求解器求解系统的方程,由其它控制程序求解控制方程,共同完成整个控制过程的计算[4]。本文利用adams和matlab进行缓冲器的数值仿真。在仿真过程中,adams和matlab进行实时的数据交换。在adams中计算出每一时刻活塞的运动速度和运动位移,并输出到matlab中,在matlab中建立控制系统,计算出相应时刻的缓冲反力,再将计算出的缓冲反力从matlab输出到adams中,求解下一时刻活塞的运动速度和运动位移。如此迭代,直至仿真时间结束。具体步骤如下:
(1)在adams中建立三个状态变量,分别代表缓冲反力、活塞的运动速度和运动位移。并将状态变量与模型关联。(2)定义输入输出变量。将代表缓冲反力的状态变量定义为输入变量,代表活塞运动速度和运动位移的状态变量定义为输出变量。(3)导出控制参数。创建了控制输入和控制输出之后,将系统的控制参数导出到matlab中。(4)启动matlab。首先读入adams输出的控制文件,然后在命令窗口中输入adams与matlab的接口命令,以激活兩者的联合仿真。(5)建立控制方案。利用matlab中的simulink库建立控制方案。(6)设置adams与matlab之间的数据交换参数及仿真参数。(7)进行仿真计算。(8)结果后处理。
4 缓冲器缓冲性能改进
在高压电器产品试验过程中,发现有些机构的缓冲性能不佳,并且在缓冲末级缓冲较弱,导致缓冲不到底。试验得到的特性曲线如图2所示。
通过将该特性曲线与小缸体阻尼孔结构图进行对比分析发现,末级阻尼孔直径较小是造成缓冲不到底的主要原因。而小缸体上阻尼孔的大小和位置不仅影响缓冲器的缓冲性能,还影响本体的分合闸时间与分合闸速度。因此,为了改善缓冲器的缓冲性能不能只针对一个阻尼孔进行修改,要在满足分合闸时间与分合闸速度等特性要求的基础上,修改对缓冲性能影响显著的阻尼孔结构。这样才能保证产品性能在符合相关要求的基础上有较好的缓冲性能,进而对其它部件起到保护作用。
通过上面分析,并结合缓冲器小缸体上阻尼孔结构与特性曲线,对小缸体上阻尼孔结构进行了修改。配用新缓冲器缸体后,试验得到的特性曲线如图3所示。
对比图2与图3特性曲线可以看出,换用新的缓冲器缸体后,缓冲性能较原缸体有明显改善,并且不再有缓冲不到底情况。为了进一步验证新缓冲器缸体的正确性,在同型号其它弹簧机构产品上进行了试验跟踪。试验结果显示,新缓冲器缸体在缓冲性能方面,较原缓冲器都有大幅度的提高。说明此次缓冲器缸体修改方案是切实可行的。
5 结语
(1)缓冲器在高压开关中发挥着重要的作用。本文建立了弹簧机构缓冲器仿真计算模型,介绍了利用adams和matlab进行缓冲器联合仿真的方法和步骤。(2)针对高压产品生产试验中出现的缓冲问题,本文提出了缓冲器小缸体阻尼孔结构修改方案,对比了缓冲器小缸体结构修改前后特性曲线。结果表明:新缓冲器缸体较原缸体的缓冲性能有明显提高。并且对新缓冲器缸体进行了试验跟踪,保证了缸体结构修改的正确性。
参考文献
[1] 徐国政,张节容等.高压断路器原理和应用[M].北京:清华大学出版社,2000.
[2] 金朝铭.液压动力学[M].国防工业出版社,1994.
[3] 王宝和.流体传动与控制[M].国防科技大学出版社,2001.
[4] 李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].国防工业出版社,2009.
关键词:弹簧操动机构缓冲器阻尼孔特性曲线缓冲性能
中图分类号:TM561 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)09(a)-0021-02
1 绪论
高压断路器是电力系统中重要的控制和保护设备。而操动机构是高压断路器中不可缺少的重要组成部分,它不仅要保证断路器准确无误的开断和关合短路电流,并可靠地保持在分闸或者合闸位置上,而且还需要完成快速自动重合闸操作,具备防跳跃、自动复位和闭锁等功能。由于断路器的分合闸操作都是通过操动机构来实现的,因此操动机构的工作性能和质量优劣,直接影响着高压断路器的工作性能和可靠性。
高压断路器的分合闸速度很高,而触头的运动行程相对较小。要使速度很高的运动部件在较短的行程内停止,须采用缓冲器来吸收运动部分的动能,防止断路器中某些零部件因受到巨大的冲击而损坏。此外,在触头运动结束时刻,断路器的运动部分不应有显著的反弹[1]。因此,缓冲器的缓冲作用对断路器的性能指标有着重要的影响。本文根据弹簧机构缓冲器的工作原理,建立了缓冲器仿真模型,阐述了缓冲器仿真的步骤。并针对我公司产品试验中出现的缓冲问题,对缓冲器缸体结构进行了修改,结合试验数据,对比了缸体结构修改前后的特性曲线。并且通过后期的试验跟踪,验证了缸体修改方案的正确性、合理性。
2 缓冲器的结构形式与工作原理
弹簧操动机构缓冲器主要由大缸体、小缸体、弹簧、活塞、导套等元件组成。其结构如图1所示:
图1中缓冲器活塞5处于分闸稳定位置。当机构收到合闸操作命令时,活塞5在机构合闸弹簧力的作用下向左运动,小缸体2与大缸体1之间产生压强差,液压油4在压力差的作用下通过阻尼孔3在两个缸体之间流动。由于阻尼孔3的出流量限制,活塞5的速度也受到限制。在合闸操作过程中,合闸弹簧能量一部分用于给分闸弹簧储能,另一部分能量被缓冲器中液压油4的缓冲反力抵消掉。最终,活塞5停留在合闸稳定位置。当机构收到分闸操作命令时,活塞5从合闸稳定位置开始向右运动,分闸弹簧能量全部被缓冲器的缓冲反力吸收,活塞5最终停留在分闸稳定位置。
从上述分析可以看出,缓冲器的特性是指缓冲过程中大小缸体之间的压强差与流油量之间的关系。因此,影响缓冲器缓冲特性的主要因素是阻尼孔3的存在以及活塞5与小缸体2之间的间隙。
3 缓冲器仿真模型建立
为了给解决生产实际中存在的缓冲问题提供一定的理论指导,本文建立了缓冲器仿真计算模型。
3.1 假设条件
在不影响整体仿真结果的前提下对部分条件作以下假设:
(1)假设缓冲器的工作过程为绝热过程。在液压动力学中,充油和放油时间小于1分钟即可认为是绝热过程[2]。而该缓冲器的缓冲过程为几十毫秒,因此假设为绝热过程。(2)由于缓冲器中液压油的重力势能远小于其动能及压力势能,故仿真过程中不考虑液压油的重力。(3)忽略由于压力及温度变化引起的系统刚性构件的弹性变形。(4)忽略由于压力升高引起的液压油的压缩量。
3.2 数学模型
(1)缓冲反力方程
式中,-缓冲反力;
-小缸体2中液压油压强;
-小缸体2的作用面积;
-大缸体1中液压油压强;
-大缸体1的作用面积。
(2)阻尼孔流量方程
小孔流动类型可以根据孔的长度与直径的比值来确定[3]。弹簧机构用缓冲器缸体阻尼孔的流量方程表示如下:
式中,-通过阻尼孔的流量;
-流量系数。完全压缩情况下,=0.6-0.62。
-阻尼孔的流通总面积;
-液压油密度;
-阻尼孔两侧压力差。
(3)补充方程
式中,-活塞的运动速度;
-活塞的运动位移;
-活塞的横截面有效面积;
、-分别为大缸体1中初始的空气体积、被压缩的空气体积。
3.3 仿真方法
从上述数学模型可以看出,缓冲反力与活塞的运动速度和运动位移之间存在联系,若已知某时刻活塞的运动速度和运动位移,便可计算出该时刻的缓冲反力。Adams与其它控制程序的联合控制是首先在adams中建立多体系统,由adams输出描述系统方程的有关参数,再在其它控制程序中读入adams输出的信息并建立控制方案。在计算的过程中,adams与其它控制程序进行数据交换,由adams的求解器求解系统的方程,由其它控制程序求解控制方程,共同完成整个控制过程的计算[4]。本文利用adams和matlab进行缓冲器的数值仿真。在仿真过程中,adams和matlab进行实时的数据交换。在adams中计算出每一时刻活塞的运动速度和运动位移,并输出到matlab中,在matlab中建立控制系统,计算出相应时刻的缓冲反力,再将计算出的缓冲反力从matlab输出到adams中,求解下一时刻活塞的运动速度和运动位移。如此迭代,直至仿真时间结束。具体步骤如下:
(1)在adams中建立三个状态变量,分别代表缓冲反力、活塞的运动速度和运动位移。并将状态变量与模型关联。(2)定义输入输出变量。将代表缓冲反力的状态变量定义为输入变量,代表活塞运动速度和运动位移的状态变量定义为输出变量。(3)导出控制参数。创建了控制输入和控制输出之后,将系统的控制参数导出到matlab中。(4)启动matlab。首先读入adams输出的控制文件,然后在命令窗口中输入adams与matlab的接口命令,以激活兩者的联合仿真。(5)建立控制方案。利用matlab中的simulink库建立控制方案。(6)设置adams与matlab之间的数据交换参数及仿真参数。(7)进行仿真计算。(8)结果后处理。
4 缓冲器缓冲性能改进
在高压电器产品试验过程中,发现有些机构的缓冲性能不佳,并且在缓冲末级缓冲较弱,导致缓冲不到底。试验得到的特性曲线如图2所示。
通过将该特性曲线与小缸体阻尼孔结构图进行对比分析发现,末级阻尼孔直径较小是造成缓冲不到底的主要原因。而小缸体上阻尼孔的大小和位置不仅影响缓冲器的缓冲性能,还影响本体的分合闸时间与分合闸速度。因此,为了改善缓冲器的缓冲性能不能只针对一个阻尼孔进行修改,要在满足分合闸时间与分合闸速度等特性要求的基础上,修改对缓冲性能影响显著的阻尼孔结构。这样才能保证产品性能在符合相关要求的基础上有较好的缓冲性能,进而对其它部件起到保护作用。
通过上面分析,并结合缓冲器小缸体上阻尼孔结构与特性曲线,对小缸体上阻尼孔结构进行了修改。配用新缓冲器缸体后,试验得到的特性曲线如图3所示。
对比图2与图3特性曲线可以看出,换用新的缓冲器缸体后,缓冲性能较原缸体有明显改善,并且不再有缓冲不到底情况。为了进一步验证新缓冲器缸体的正确性,在同型号其它弹簧机构产品上进行了试验跟踪。试验结果显示,新缓冲器缸体在缓冲性能方面,较原缓冲器都有大幅度的提高。说明此次缓冲器缸体修改方案是切实可行的。
5 结语
(1)缓冲器在高压开关中发挥着重要的作用。本文建立了弹簧机构缓冲器仿真计算模型,介绍了利用adams和matlab进行缓冲器联合仿真的方法和步骤。(2)针对高压产品生产试验中出现的缓冲问题,本文提出了缓冲器小缸体阻尼孔结构修改方案,对比了缓冲器小缸体结构修改前后特性曲线。结果表明:新缓冲器缸体较原缸体的缓冲性能有明显提高。并且对新缓冲器缸体进行了试验跟踪,保证了缸体结构修改的正确性。
参考文献
[1] 徐国政,张节容等.高压断路器原理和应用[M].北京:清华大学出版社,2000.
[2] 金朝铭.液压动力学[M].国防工业出版社,1994.
[3] 王宝和.流体传动与控制[M].国防科技大学出版社,2001.
[4] 李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].国防工业出版社,2009.