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。1CY15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。 图3aCY15液压弹簧机构合闸工作原理图3bCY15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2CY15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：58.2MPa; 机构重合闸闭锁操作压力：57.8MPa; 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3.2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−⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎟⎠⎞⎜⎝⎛−⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=SfShSfShDfSpαf—单片弹簧的变形量mmD—碟片的外径mmS—碟片厚度mmh—加载前碟片的内截锥高度mmα—系数，其数值为式中C—碟片外径与内径之比，C=D/dE—弹性模量N/mm2μ—泊松比对钢制碟形弹簧，E=206010N/mm2，μ=0.3，系数Nmm/106794.827−×=α3.2.3单片碟形弹簧的刚度)33........(.(12332)223'−⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎟⎠⎞⎜⎝⎛+•−⎟⎠⎞⎜⎝⎛==SfSfShShDSdfdppα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−−=fdDafe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−−−⎟⎠⎞⎜⎝⎛−+⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=ECCcccµπα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）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−⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=γβασSfShDfSI)73...(..........5.02−⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎟⎠⎞⎜⎝⎛−−=∏γβασSfShDfS)83...(..........5.0)2(2−⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎟⎠⎞⎜⎝⎛−−=γβγασSfShCDfSIII)93...(..........5.0)2(2−⎥⎦⎤⎢⎣⎡−⎟⎠⎞⎜⎝⎛−−=γβγασSfShCDfSIV)103...().........1ln1(ln6−−−=CCCπβ)113...(21(ln6−−=CCπγ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］CY15液压弹簧机构分、合闸缓冲采用阶梯形柱塞缓冲器，该缓冲属于变截面定缓冲压力的缓冲结构，其特点是：结构简单、加工方便、缓冲压力大致稳定，缓冲制动时间较短且适于大批量生产。其缓冲压力特性曲线见图7。图7a分闸缓冲压力特性曲线图7b合闸缓冲压力特性曲线图8是800KV断路器配大功率液压弹簧机构（用阶梯形柱塞缓冲器）实测的分闸机械特性曲线和合闸机械特性曲线。图8a分闸机械特性曲线图8b合闸机械特性曲线4结语试验结果表明：计算值能满足工程实用需要，和试验实测值基本吻合，综合技术性能达到了设计时的预想要求，目前该机构已随800kVGIS和LW13-800/Y5000-50型双断口罐式高压交流断路器投入工程生产，应用和运行在多个750kV工程项目中。参考文献：［1］机械工程手册，第五卷第30篇第4章P30-58～30-63，机械工业出版社1982年出版。［2］陈保伦.SF6断路器液压弹簧机构的油缸缓冲器的设计、试验与调整.高压电器，1989No3.
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