大功率液压弹簧操动机构

1断路器用大功率液压操动机构 张旭宏 陈保伦 （西安西开高压电气股份有限公司，陕西，西安，710077） 摘要：本文介绍了800kVGIS和双断口罐式断路器用CY15型大功率液压弹簧操动机构的产品结构及工作原理、主要技术参数、贮能碟簧特点及计算和缓冲特性计算及对可靠性的影响。 关键词：液压弹簧操动机构 碟形弹簧 缓冲特性 产品结构 工作原理 0 引言 西安西开高压电气股份有限公司自主研制的LW13-800/Y5000-50型双断口罐式高压交流断路器配用CY15液压弹簧操动机构，于2007年初完成了所有型式试验，2008年6月通过了国家级鉴定。 CY15液压弹簧操动机构是西安西开高压电气股份有限公司在长期对液压机构技术研究的基础上综合国内外液压机构发展的新趋势，自行开发研制的具有自主知识产权的液压机构，可配用于800kV断路器和GIS。 1 CY15液压弹簧机构产品结构及工作原理 1.1 产品结构 CY15液压弹簧机构采用碟形弹簧作为储能元件，工作缸采用常高压差动式回路（分、合闸缓冲油缸内带）、液压阀用两级放大（具备自保持和防慢分功能）、油泵采用双柱塞径向柱塞泵。其机芯液压模块三维外形见图1，机芯外形照片见图2。

图1 机芯液压模块三维外形 图2 机芯外形照片

1.2 液压弹簧机构工作原理图 CY15液压弹簧机构工作原理见图3。 2

98高压低压10111213144123567 低压高压 图3a CY15液压弹簧机构合闸工作原理 图3b CY15液压弹簧机构分闸工作原理 1.辅助开关 2.低压接头 3.合闸节流螺杆 4.合闸控制阀 5.分闸控制阀6.换向阀 7.分闸节流螺杆 8.控制模块 9.碟簧组 10.上支撑环 11.储能活塞 12.储能活塞缸 13.油位观察窗 14.在此测量储能活塞行程 2 CY15液压弹簧机构主要技术参数 机构行程：170mm； 分闸闭锁压力下分闸操作功：22000J； 合闸闭锁压力下合闸操作时的合闸操作功：4200J； 机构额定操作压力：58.2 MPa; 机构重合闸闭锁操作压力：57.8 MPa; 机构分闸闭锁操作压力：49MPa; 从零压到额定压力储能时间 ： < 120s 泄漏率分、合闸位置（贮能活塞下降）泄漏率：< 2mm/24h 机械寿命： 5000次 3 贮能碟簧特点及计算 3.1 碟簧特点 3.1.1 具有变刚度特性，选择适当的内截锥高度h与钢板厚度s的比值，可得到非常适宜液压弹簧机构贮能用的渐减型特性，其变形与压力特性曲线见图4，当h/s接近1.4时，力值在一定位移范围内变化最小。 3.1.2采用不同的组合方式，可以得到不同的弹簧数值特性。对合增大位移、叠合增大力值、复合则同时增大位移和力值。 3.1.3可在支撑面和叠合面间采用圆钢丝支撑并涂润滑油减少摩擦。

图4 碟簧变形与压力特性曲线 3

3.2 碟簧计算［1］ 3.2.1 结构参数计算如下 (见图5) 3.2.1.1已知碟簧参数符号代表意义如下： 碟簧外径—D； 内径—d； 壁厚—S；加载前簧片内截锥高度—h。 单片碟形弹簧的变形量—f； 3.2.1.2 叠簧的精确计算比较复杂，一般均在下列假定条件下对单片叠簧作近似计算： （1）受载后碟片轴向截面不变形而只是绕中性点O回转（图5）； （2）碟片的载荷和支撑反力都均匀分布在圆周上。

图5 载荷不在内外圆周上的单片碟簧示意图 3.2.2 单片碟形弹簧的载荷与变形的关系

式中 p — 单片弹簧承受的载荷 N )13...(..........15.023−⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎟

⎠

⎞⎜⎝⎛−⎟

⎠

⎞⎜

⎝

⎛−=SfShSfShDfSp

α 4

f — 单片弹簧的变形量 mm D — 碟片的外径 mm S — 碟片厚度 mm h — 加载前碟片的内截锥高度 mm α — 系数，其数值为

式中 C — 碟片外径与内径之比，C=D/d E — 弹性模量 N/mm2 μ— 泊松比 对钢制碟形弹簧，E=206010N/mm2 ，μ=0.3，系数Nmm/106794.827−×=α

3.2.3单片碟形弹簧的刚度 )33........(..........12332223'−⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎟

⎠

⎞⎜⎝⎛+•−⎟

⎠

⎞⎜

⎝

⎛==SfSfShShDSdfdpp

α

因为载荷的作用位置不在内圆周和和外圆周上（见图5），弹簧的载荷和变形应作如下修正： )43.........(..........2−−=padDpe

)53.....(..........2−−=fdD

afe

由图5可以看出，由于D-d＞2a，因此pe＞p，fe＜f，即在相同的变形大小时，变支位碟簧承受的载荷较大，即弹簧刚度增大。在相同的载荷大小时，变支位碟簧产生的变形较小。 图表1为碟簧组计算中的碟簧组力值和碟簧组变形行程之间的关系，图表2为液压压力

)23..(..........41ln2111122−−−⎟⎠⎞⎜

⎝

⎛

−+

⎟⎠

⎞⎜

⎝

⎛−=ECCccc

µπα 5碟簧位移与液压压力计算值

0100200300400500600700

020406080100120140160180碟簧位移mm

液压压强bar考虑摩擦后值实际值理论值

碟簧计算力值比较0100200300400500600700800900

020406080100120140160180碟簧行程mm

碟簧力值KN理论值摩擦值实际值

和碟簧组变形行程之间的关系。

图表1 碟簧组力值和碟簧组变形行程之间的关系 图表2 液压压力和碟簧组变形行程之间的关系 3.2.3 碟形弹簧的应力计算（计算结果见图表3） 6

碟簧受载后，截面内各点的应力不同，按照近似计算方法图6中各点的应力为 I点，通常为压缩应力

II点，通常为拉应力 Ⅲ点，通常为拉应力 Ⅳ点，通常为压缩应力 其中系数

图6 碟簧应力点分布示意图

)63...(..........5.02−⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡+⎟⎠⎞⎜

⎝

⎛−=γβασ

SfS

hDfS

I

)73...(..........5.02−⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎟

⎠

⎞⎜

⎝

⎛−−=∏γβασ

SfS

hDfS

)83...(..........5.0)2(2−⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎟

⎠

⎞⎜

⎝

⎛−−=γβγασ

SfS

hCDfS

III

)93...(..........5.0)2(2−⎥⎦⎤⎢⎣⎡−⎟

⎠

⎞⎜

⎝

⎛−−=γβγασ

SfS

hCDfS

IV

)103...().........1ln

1(

ln

6−−−=

CCCπβ

)113...().........2

1(

ln6−−=CCπγ 7

碟簧行程和各点强度计算-4000-3000-2000-1000010002000

020406080100120140160

碟簧行程mm相应各点应力值N/mm

2

σⅠσⅡσⅢαⅣ 图表3 碟簧各点的应力 4 缓冲特性对可靠性的影响 可靠性设计用于大操作功场合，除了合理分配加减速行程搭配外，为了达到目的而使冲击能量和剩余能量尽可能的减小，需要细化每一个环节，配合精度要相应提高。对阀来说主要是减少换向时的液压冲击，对工作缸就要从缓冲特性综合考虑了。一般来说缓冲特性要同时考虑机械特性缓冲段的尽量平缓和缓冲压力的限制，表1为最常见的缓冲结构。

表1 常充压差动式油缸及缓冲结构参数选取初算公式［2］ 名称 油缸及主管路 排孔缓冲 阶梯缓冲

简 图

特点及适用场所 差动活塞，本身结构及主回路都简单，广泛用于液压弹簧机构 缓冲压力稳定，效果好，调整容易，用于分、合闸缓冲 结构简单，加工方便，调整较困难，用于分、合闸缓冲

结构 参数 计算 jnhlPcmVdηπ2102= dKD×−=1 DKD×=11 cm 2212dDKD−= （1）将缓冲行程分成多个间隔Sc,求出每个间隔内的平均减速度a及平均速度Vc; （2）求出对应于Sc的缓冲压力Pc

AFmaAPPc22112101010±+=−

MPa

（3）求出对应于Sc的瞬时节流面积Ac

cccPAVAµϕ10

= cm2

m—归算质量 kg； Vn—油缸合闸速度cm/s; C—压力整定系数0.8～0.9;

cm cm

cm