延时管内空气含量对液压电磁断路器动作特性的影响

摘 要：检测中发现同一批次的部分液压电磁断路器动作时间存在较大差异，初步分析为延时管装配和密封过程中，延时管内存在不同含量的空气，致使铁心受到的阻尼力大小不同。通过建立流体力学模型，仿真计算了不同空气含量时的阻尼力数据，并在ADAMS中进行动力学仿真。结果表明，随着空气含量的不同，阻尼力的大小会产生变化，进而影响断路器的动作时间。

关键词：液压电磁断路器; 含气量; 阻尼力; 动作特性

中图分类号： TM561文献标志码： A 文章编号： 1674-8417（2024）09-0025-05

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.09.005

0 引 言

液压电磁断路器是小型设备常用的断路器之一，其区别于传统的热磁式断路器的关键之处在于使用了油阻尼脱扣器，脱扣器内部含有延时管，管内注有甲基硅油阻尼液，使铁心向极靴运动时受到阻尼力的作用，从而具有过载延时保护和短路瞬时保护的特性。对于液压电磁断路器的研究，郭会娟、苏秀苹等［1］综述了黏滞流体的分类、黏滞阻尼器的应用及研究现状，推导出电磁式脱扣器的阻尼力方程;周荣伟［2］利用流体分析软件Fluent对油阻尼脱扣器的动作特性进行了仿真分析，得到了铁心在油杯内的运动情况，并且通过试验证明了仿真方法的可行性与正确性。姚国华等［3］通过计算不同气隙和衔铁角度下液压电磁式断路器电磁机构所产生电磁吸力，研究了阻尼液黏度、弹簧初始压缩量、扭簧安装扭矩等参数对脱扣器的动作特性的影响，为液压电磁式脱扣器的性能优化提供了理论依据。但是，上述研究在阻尼力仿真部分，并没有考虑延时管内气体的存在，模拟的都是液体单相流动。文献［4-8］分别使用Fluent软件进行了单相流和多相流的流体力学分析以及使用ADAMS软件对电器设备进行了动力学分析。实际生产中发现，同一参数下的产品在动作时间上存在较大的差距，在排除机械误差的情况下，初步判断是延时管密封过程中，管内进入不同含量的空气，导致甲基硅油阻尼液的体积分数不同，影响了阻尼力的大小。采用虚拟样机技术对产品进行性能分析、状态评估及优化设计，可以缩短研发周期，改进产品质量，降低成本。本文以某型号液压电磁断路器为对象，利用Fluent和ADAMS软件，仿真计算延时管内空气含量对液压电磁断路器动作特性的影响。

1 工作原理及模型解析

1.1 工作原理

本文以额定电流为9 A的某型号液压电磁断路器为研究对象，应用时串联在设备电路中进行保护，其使用油阻尼脱扣器作为核心机构。油阻尼脱扣器实体模型如图1所示。

油阻尼脱扣器主要分为3种工作模式：① 当电路通入额定工作电流时，脱扣器的衔铁与铁心所受到的电磁吸力小于所受阻力，因而不发生动作，动静触头保持闭合状态;② 当电路中出现过载电流时，由于电流增大，铁心所受电磁吸力大于阻尼液的阻尼力与弹簧反力，向极靴运动，当铁心运动过某一位置后，衔铁的电磁吸力距大于扭簧的反力矩，从而导致衔铁吸合，带动脱扣器脱扣，使动静触头分开。铁心开始运动到脱扣器动作所需时间即为过载延时时间;③ 当电路中出现短路电流时，电流对衔铁产生的电磁吸力矩不需要铁心的加持就足够克服扭簧反力矩，使脱扣器脱扣，动静触头分开，完成短路瞬时保护。

1.2 物理模型

分析延时管内部空气含量对阻尼力的影响，只需对延时管部分进行建模分析，本型号脱扣器使用的甲基硅油黏度为175 mPa·s，密度为0.965 g/cm3。延时管的几何参数如表1所示。

1.3 理论基础

2 建模及仿真

当油杯和铁心参数一定的条件下，铁心运动过程中受到的油阻尼力与铁心运动速度和阻尼液黏度有关，利用流体动力学软件Fluent，可以仿真分析铁心在不同运动速度与不同硅油黏度时的受力情况。Fluent仿真流程图如图2所示。

在DM软件中建立延时管三维物理模型时，研究铁心所受阻尼力的大小，无须对油杯内部的反力弹簧建模，所以模型主要由延时管与铁心组成。为简化分析，假设油杯为无限长圆管，流体自上而下绕过铁心流动，由于Fluent仿真的是流体计算域，在建模时采用填充方式生成流体，采用布尔操作减去铁心模型，即可得到实际流体区域，而后进行网格划分并导入Fluent中。延时管物理模型和有限元模型如图3所示。

不同于单相流的传统设置，由于延时管内含有空气，使分析模型变为气-液两相流，使用有限体积法，将气体和液体看成两个不同的流动，故采用VOF计算方法;定义第一相为硅油，第二相为空气，初始化阶段指定空气体积分数，而后进行迭代计算。

z=0截面铁心压力及流体速度矢量云图如图4所示。

由图4可以看出，Y方向上，流体在铁心上部产生的压强明显高于下部，从而在铁心两端形成了较大的压强差，此压强差是铁心形成阻尼力的主要原因;流体流过粗铁心时速度达到最大，原因在于此处铁心与油杯间隙最小，在上下压力差的作用下，流速发生较大变化。改变气体体积分数，进口速度为150 mm/s，再进行仿真。铁心运动速度为150 mm/s时的阻尼力如表2所示。

改变铁心运动速度，得到不同空气体积分数、不同速度下的阻尼力曲线如图5所示。

由表2和图5可以看出，当空气含量一定时，随着速度的增加，铁心受到的阻尼力线性增加，与理论公式相符合;速度一定时，阻尼力随着空气含量的增大而减小，且随着速度的增加，阻尼力大小差距越来越大。

3 动态特性分析

气体含量对铁心受到的阻尼力的影响，最终体现在对断路器脱扣时间的影响，将脱扣器的三维模型导入到ADAMS软件中，简化处理后添加约束和接触，施加Maxwell电磁分析所得的电磁吸力、衔铁吸力矩以及测得的弹簧反力和扭簧力，对于铁心受到的阻尼力，方向设置为与铁心运动方向相反。脱扣器动力学仿真模型如图6所示。

采用三维样条插值函数AKISPL将在Fluent中计算出来的不同空气含量时的阻尼力添加到铁心上，以环境温度为25 ℃、接入1.15倍额定电流为例，得到不含空气与空气含量为50%时衔铁角度变化和铁心运动速度。不同空气含量时衔铁角度与铁心速度变化曲线如图7所示。

通过动力学仿真可知，当空气占比达到50%时，铁心的整体运动速度加快，衔铁吸合时间为6.2 s，与不含空气时的13.3 s相差了7.1 s，误差达到118%。采用和仿真条件一致的产品配置，即额定电流为9 A，甲基硅油黏度为175 mPa·s，环境温度为25 ℃，通过1.15倍的额定电流进行小批量延时动作特性测试。不同空气体积分数延时管平均延时时间如表3所示，不同空气体积分数延时管平均延时时间统计图如图8所示。

经过实际的小批量测试，发现延时管内的空气体积分数对断路器的延时时间影响较大，实际测试数据和仿真结果接近。

4 结 语

本文借助Fluent和ADAMS软件进行了流体力学分析和动力学分析，计算了延时管内不同空气含量对阻尼力和脱扣时间的影响，仿真发现随着空气体积分数的增加，铁心受到的阻尼力逐渐减小，脱扣器的动作时间缩短，甚至有可能出现误动故障。因此，在实际生产中，应防止延时管内注入的甲基硅油中存在气泡，并在封装过程中避免空气的混入，以防止断路器的动作特性发生改变。

［1］ 郭会娟，苏秀苹，杨怡君.电磁式脱扣器粘滞流体阻尼力研究［J］.低压电器，2011（3）：5-7.

［2］ 周荣伟.油阻尼脱扣器中铁心动作数值模拟及试验［J］.低压电器，2014（4）：16-19.

［3］ 姚国华，许志红.液压电磁式断路器建模与分析［J］.电器与能效管理技术，2015（9）：8-14.

［4］ 基于两相流理论的挤压油膜阻尼器动力特性研究［D］.大连：大连海事大学，2017.

［5］ 杨和中，刘厚飞.气液两相流体冷却润滑技术—油气润滑［J］.液压与气动，2004（2）：73-74.

［6］ 耿立新，胡义琴，陈琳.电磁脱扣器瞬时动作特性的仿真分析［J］.电器与能效管理技术，2019（21）：33-37.

［7］ 孟晶，戴惠良，方波，等.基于FLUENT的液体动静压轴承油膜特性的分析［J］.液压与气动，2012（8）：17-21.

［8］ 邱广庭，赵琰，胡义琴.基于ADAMS的塑壳断路器弹跳仿真与优化设计［J］.电器与能效管理技术，2019（24）：27-30.

收稿日期： 20240715

Influence of the Air Content in Delay Tube on the Operating

Characteristics of Hydraulic Electromagnetic Circuit Breakers

SHI Hongwei LI Yiwei SHI Hao HU Yuan

（1.Zhejiang BSB Electrical Appliances Co.， Ltd.， Lishui 323000， China;

2.Nanchang Jiaotong Institute， Nanchang 330199， China） Abstract：

During the inspection，it was found that the operation time of some oil damping circuit breakers of the same batch was quite different.Preliminary analysis shows that there is different content of air in oil cup during the assembly and sealing process of delay tube，resulting in different damping force on iron core.Through the establishment of fluid dynamics model，the damping force data of different air content are simulated and calculated，and the dynamic simulation is carried out in ADAMS.The results show that with the different air content，the size of damping force will change，and then affect the action time of circuit breaker.Key words：

hydraulic electromagnetic circuit breaker; air content; damping force; action characteristic