高压断路器配液压操动机构液压缸缓冲特性的仿真研究

　　引言

　　高压断路器是电力系统中最重要的控制和保护设备。高压断路器的操动机构根据能量形式的不同可分为: 手动操动机构、电磁操动机构、弹簧操动机构、电动机操动机构、气动操动机构、和液压操动机构等，其中液压操动机构具有体积小、功率大，动作快，动作平稳、易于操作控制等优点，因此广泛应用于高压断路器、特别是超高压和特高压断路器领域中。

　　液压操动机构在动作的过程中必须具有“适宜的速度特性”，即在行程的某些位置必须具有很高的速度，而在行程终点速度又能平稳地降下来。由于负载质量较大、运动速度很高，则当液压操动机构液压缸的活塞运动到行程终点时，会产生很大的冲击，为此在操动机构的液压缸中往往要设置缓冲结构或装置。

　　目前的缓冲方法有两种: 一种是液压缸外部控制，是在控制液压缸的回路上安装节流阀或其他形式的流量控制装置进行缓冲，一般结构较复杂; 另一种是液压缸内部控制，有间隙式缓冲和节流孔缓冲等，它结构简单、工作可靠、体积小、缓冲性能较好，因而在高压断路器领域得到广泛应用广泛。本文针对液压操动机构常用的阶梯型缓冲装置的缓冲特性进行仿真研究。

　　1 阶梯型缓冲的理论分析

　　如图1 所示，在缓冲过程中，缸体1、缓冲活塞2和缓冲套3 之间形成了封闭空间，封闭空间中的油液只能从活塞2 和缓冲套3 之间的节流环缝中流出，从而在封闭空间造成瞬时高压，迫使缓冲活塞减速制动而实现缓冲。在不考虑粘性阻尼和认为液压油是不可压缩的情况下，得出阶梯型缓冲结构的运动学方程和流量方程:

　　式中: m 为活塞与负载的等效质量，kg; v 为活塞的运动速度，m/s; p₁，p₂分别为有杆腔和缓冲腔的油液压力，MPa; A₁，A₂分别为有杆腔和缓冲腔的有效承压面积，m²; F 为负载力，N; f 为运动部件的阻力，N; C_d为流量系数; d 为缓冲孔直径，m; δ 为缓冲活塞与缓冲孔之间的间隙，m; ρ 为油液密度，kg/m³，一般取850kg / m³。

　　液压缸缓冲过程的流场情况比较复杂，可以分为三个阶段: 第一阶段，当液压缸缓冲活塞进入缓冲区时，缓冲腔的油液通过缓冲套内孔流出，由于流道弯曲突变产生局部压力损失; 第二阶段，当缓冲活塞接近缓冲套时，缓冲活塞的边缘和缓冲套内孔的边缘形成锐缘节流; 第三阶段，当缓冲活塞进入缓冲套中，过流面积随着行程不断变化，形成了阀口节流与缝隙节流同时存在的情况。根据上述分析，以柏努利方程作为流体压力损失的基础方程，可以建立缓冲过程各阶段的压力损失方程。