一种液压机构储能行程监测装置的设计

蒋 龙，许艳蒲，陈 文，尹 启，张润田，范雪丽

(1.南方电网公司曲靖局，云南 曲靖 655000) (2.西安西电高压开关操动机构有限责任公司，陕西 西安 710077)

操动机构是高压断路器的重要部件，断路器的各种动作都是依靠操动机构来完成的。操动机构类型主要有弹簧机构、气动机构和液压机构。高电压等级的断路器、直流转换开关等设备，一般都需要较大操作功的操动机构。液压碟簧操动机构[1-5]由于其碟簧具有非线性力学特性，能在很小变形的情况下承受变化范围很大的载荷，因此能够提供非常大的操作功，在超高压、特高压等级断路器上应用很广泛[6-9]。液压碟簧操动机构的动作特点是时间短、速度高、振动大，其动态特性及缓冲特性的设计也是影响机构可靠性的重要因素[10-14]。液压碟簧操动机构的能量是靠压缩碟簧组来实现的，其储能状态通过一组储能行程监测装置来控制。本文对一种液压碟簧操动机构储能行程监测装置的冲击碰撞问题进行了分析论述，并通过测试和计算，设计了一种可靠的缓冲结构。

1 液压碟簧操动机构原理介绍

液压碟簧操动机构是一种以碟簧为储能元件、液压油为传递能量介质，通过集成化设计、模块化装配而成的机构，该类型代表性的操动机构是德国ABB公司的HMB型系列液压碟簧操动机构。目前，国内也有一些专业公司能够设计、制造各电压等级断路器用的液压碟簧操动机构，工作原理和结构模式基本一致[1-4，10，12]。

1.1 基本结构

液压碟簧操动机构主要由充压模块、储能模块、控制模块、工作模块、监测模块等5大模块组成，在中心工作模块周围呈环形布置。3个储能模块以及充压模块、控制模块、检测模块和碟簧以60°旋转角度间隔布置在中心轴周围。以ABB公司HMB型液压碟簧操动机构为例，其结构如图1所示。

1—HMB4碟簧组；2—手动泄压阀；3—充油接头；4—活塞杆；5—低压油箱；6—油位观察窗；7—HMB8碟簧组；8—充压模块；9—油泵电机；10—碳刷；11—储能模块；12—监测模块；13—电磁阀-分闸2；14—电磁阀-分闸1；15—电磁阀-合闸；16—控制模块

1.2 液压碟簧操动机构储能行程监测装置

液压碟簧操动机构储能行程监测装置结构如图2所示，其中凸轮5共有8片，凸起部分角度各不相同，凸轮5均匀贯穿在六方轴4上，六方轴4和齿轮1同轴，两端固定在2个支撑板3上。压力开关8(与凸轮对应共8片)通过支撑板7固定在支撑板3上，与凸轮5形成配对关系。支撑板3固定在工作缸上，齿条2末端固定在液压机构的碟簧组件上，可以随碟簧做直线往复运动。行程监测模块通过对碟簧压缩量的监测，带动行程开关凸轮旋转来断开或闭合微动开关触点，达到为电站主控室提供报警及闭锁信号的目的。

1—齿轮；2—齿条；3—支撑板；4—六方轴；5—凸轮；6—压力开关滚轮；7—支撑板；8—压力开关

工作原理为：齿条2随碟簧向下运动，带动齿轮1转动，齿轮1带动六方轴4转动，六方轴4带动不同角度的凸轮5转动，不同角度的凸轮5在旋转过程中凸起部分与压力开关8的滚轮6接触，实现压力开关8接通或断开。在机构动作过程中,弹簧迅速释放能量,为机构提供动力,在此过程中,储能行程检测装置的齿条迅速向上运动,带动齿轮旋转,进而带动齿轮切换压力开关,实现机构闭锁或报警信号的发出。

2 液压碟簧操动机构储能行程监测装置缓冲结构设计

在实际工程应用中,如图2所示,齿条2随机构的动作上下往复运动,机构齿条向下运动时,为液压机构的储能过程,该过程动作一般比较平缓,平均运动速度只有0.01 m/s左右，而当机构进行分合闸动作时，监测模块的运动速度就比较快，一般为1.5 m/s左右，同时会伴随巨大的振动。因此，在液压机构碟簧带动齿条高速分合闸时，齿轮齿条在啮合过程中就会受到巨大的冲击，有时甚至会造成齿条或齿轮上的齿断裂，从而造成储能行程监测装置失效。为了避免上述问题的发生，实际工程应用中往往在齿条末端设计一套缓冲结构，这种缓冲结构可以很好地改善齿轮齿条传动过程中的受力状况，大大提升储能行程监测装置的可靠性。

2.1 储能行程监测装置缓冲结构设计

图3是某型号液压碟簧操动机构储能行程监测装置传动结构示意图，本文设计的缓冲结构如图3中缓冲碟形弹簧组3所示，碟形弹簧具有刚度大、缓冲吸振能力强、能以小变形承受大载荷等特点，很适合用于有限空间的缓冲设计。但是，由于碟形弹簧的力学特性比较复杂，呈非线性，并具有变刚度特性，其特性曲线可以呈直线型、渐增型、渐减型或是上述各型的组合[2]，实际应用中，要想利用碟形弹簧的力学特性来满足缓冲结构设计的要求，必须根据实际设计尺寸及结构安装尺寸来设计缓冲碟形弹簧的结构尺寸。

图3 储能行程监测装置传动结构示意图

2.2 缓冲碟簧设计

1)工况分析。

如图3所示，HMB型液压碟簧操动机构运动过程为，液压机构储能碟簧组向左运动时，为碟簧压缩机构储能的过程，碟簧压缩行程为85 mm，储能时间为80 s；储能碟簧组向右运动时，表示其进行分闸或合闸动作。运动参数如下：分闸运动时储能碟簧释放行程为30 mm，动作时间为20 ms；合闸运动时储能碟簧释放行程为12 mm，动作时间为60 ms。

2)动力学特性计算。

缓冲碟簧的缓冲力应大于齿条在运动过程中的冲击力和齿条运动阻力的合力，否则缓冲碟簧就会被压平，失去缓冲作用，由此可得出缓冲碟簧的缓冲力：

F缓冲≥F阻力+F冲

(1)

式中：F缓冲为缓冲碟簧力值，N；F阻力为齿条运动的归算阻力，N；F冲为齿条运动的冲击力,N。齿条的冲击力一方面来自于齿条随储能碟簧运动时的运动惯量，即齿条随储能碟簧做合闸或分闸操作时的运动力F运动；另一方面来自于机构运动过程中的振动冲击，即机构分闸或合闸运动过程中能量释放带来的振动力F振动。冲击力计算公式为：

F冲=F运动+F振动

(2)

F运动=ma运动

(3)

F振动=ma振动

(4)

式中：m为齿条归算质量，kg；a运动为齿条的运动加速度，m/s2；a振动为齿条的振动加速度，m/s2。齿条的运动加速度可以理解为齿条随储能碟簧运动的加速度：

(5)

式中：V末为齿条运动的末速度；V初为齿条运动的初速度；t为齿条运动的时间。

由液压机构运动特性可知，齿条运动的末速度与储能活塞运动的末速度相同，齿条运动的时间与储能活塞运动的时间相同，将式(5)代入式(3)，得：

(6)

齿条在运动过程中的振动加速度a振动可以通过实际测量获得，测量方法为在储能行程开关运动部位安装振动加速度传感器，如图4所示。

图4 储能行程监测装置振动测试

某型液压碟簧操动机构按图4测量方法的测量数据汇总见表1。

表1 储能行程监测装置振动加速度测试数据表

由表1可知，该机构配相应断路器在分闸和合闸的过程中，振动加速度在齿条运动方向上的分量平均值最大为1 273.6g(g为重力加速度)，即：

a振动=1 273.6g

(7)

将式(7)代入式(4)可得：

F振动=ma振动=m×1 273.6g

(8)

将式(6)、(8)代入式(2)可得：

(9)

齿条运动过程的归算阻力通过实测获得，利用拉压力传感器进行测量，在储能行程装置做匀速运动时，其测量的力值如图5所示。

图5 齿条运动阻力测试曲线

从图5可知，齿条的运动阻力测量值为31 N，即:

F阻力= 31(N)

(10)

将式(9)、(10)代入式(1)可得到齿条末端的缓冲碟簧力值：

(11)

由式(11)即可计算出储能行程监测装置运动过程的缓冲力，可作为缓冲碟簧设计时的参考值。

该型液压碟簧操动机构的已知参数为：齿条归算质量m=0.1 kg，运动阻力F阻力=31 N；振动加速度a振动=1 273.6g，合闸运动速度为0.2 m/s，合闸运动时间为60 ms，分闸运动速度为1.5 m/s，分闸运动时间为20 ms,齿条在合闸运动和分闸运动时的运动加速度为：

合闸时

(12)

分闸时

(13)

通过以上计算可知，机构在分闸时齿条的运动加速度大于其合闸时的运动加速度，在设计计算时，应取齿条运动时的最大加速度作为计算依据，即：

(14)

将以上已知条件代入式(11)可以计算出缓冲碟簧的力值，结果为1 286.6 N。

由以上分析计算可知，对于该型液压机构储能行程监测装置，其最大的冲击力达1 284.6 N，因此在设计相应的缓冲碟簧时，其缓冲碟簧的力值设计值不能小于该冲击力。

3 缓冲碟簧结构和力值校核计算

根据上文的推理计算，应用碟簧计算公式[6]，对HMB型液压碟簧操动机构缓冲碟簧结构进行力值校核。该结构的碟簧片组合形式为复合形式，即两片碟簧片先叠合，再将叠合的两组碟簧片对合，共形成4组复合组合的碟簧。碟簧片数为16片，要求其组合力值不能小于齿条冲击力。碟簧的结构参数见表2。

表2 碟簧结构参数

将表2中的参数值代入公式，计算得到碟簧的力值见表3。

表3 碟簧力值计算结果

由表3可知，当碟簧压缩量为碟簧最大压缩量h0的一半时，整组碟簧的力值Pz为：

Pz=n·P=2×681=1 362 (N)>1 284.6 (N)

(15)

式中：n=2，为碟簧叠合的片数。由式(15)计算结果可知，本文所设计的碟簧缓冲结构在单片碟簧压缩量为其最大压缩量的50%时，碟簧结构的力值即可大于齿条冲击力。由此说明，缓冲碟簧结构可以起到缓冲作用，符合理论计算和实际测试结果，缓冲碟簧结构的设计较为合理。

4 结束语

近年来，液压碟簧操动机构在高压开关设备上的应用不断增多，其典型故障发生概率也在增大，为了保证机构的可靠性，对其材料本身的强度和传动结构的设计都提出了较高的要求，必须充分考虑动作过程中可能产生的对机构可靠性影响较大的冲击和振动这两个因素。本文设计的液压碟簧操动机构储能行程监测装置，充分考虑了其结构、功能和动力学特性，可减少其动作过程中的冲击力，提高行程监测模块的可靠性，保证其能够充分发挥缓冲作用，达到保护储能行程监测装置的目的，为液压碟簧操动机构的可靠运行提供了保障。