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碟形彈簧液壓操動機構緩沖特性的仿真與優(yōu)化過程發(fā)布者：廈門力常彈簧有限公司 發(fā)布時間：2019-06-02 20:13
對碟形彈簧的液壓操動機構常用的階梯型緩沖結構進行了理論分析，在AMESim仿真環(huán)境下建立了相應的仿真模型，并對碟簧液壓操動機構的緩沖特性進行仿真分析。通過仿真分析與有限元強度分析多次交互的方法對緩沖特性進行優(yōu)化，為碟簧液壓操動機構緩沖結構的設計提供依據(jù)。
操動機構是高壓斷路器的核心元件，其性能好壞會直接影響到斷路器的分合特性。液壓操動機構由于具有功率大、動作快、動作平穩(wěn)、速度可調等優(yōu)點廣泛應用于高壓、超高壓以及特高壓電壓等級的開關領域。碟簧液壓操動機構由于具有外形尺寸小、受環(huán)境溫度的影響小、動作穩(wěn)定性高等優(yōu)點成為液壓操動機構的重要發(fā)展方向。
然而與傳統(tǒng)的氮氣儲能液壓操動機構相比，碟簧液壓操動機構壓力高，一般來說可以達到傳統(tǒng)液壓操動機構的1.5～2 倍，通過測算，斷路器分閘過程中工作缸緩沖壓力峰值又可達到系統(tǒng)額定壓力的2 倍以上， 緩沖壓力峰值過高會造成機構活塞桿折斷、緩沖元件嚴重變形影響動作特性等嚴重事故。因此，有必要對碟簧液壓操動機構的緩沖特性進行仿真研究，并在此基礎上進行優(yōu)化。
針對碟簧液壓操動機構常用的階梯型緩沖結構進行理論分析，在此基礎上利用AMESim 軟件搭建仿真平臺進行仿真研究， 結合ANSYS 軟件對緩沖特性進行優(yōu)化，通過仿真分析與關鍵零件有限元強度分析多次交互的過程，最終得到最優(yōu)方案[1-4]。
1 緩沖過程的理論分析
工作缸的緩沖結構見圖1， 緩沖柱塞的端部為階梯形，直徑為d，緩沖柱塞與緩沖套內孔之間單側間隙為δ，工作缸內孔直徑為D。在緩沖過程中，緩沖柱塞、缸體和緩沖套三者之間形成了封閉空間，封閉油液只能從緩沖柱塞和緩沖套之間的間隙中流出，從而在封閉空間內造成瞬時高壓，迫使緩沖活塞減速制動而實現(xiàn)緩沖。在不考慮粘性阻尼和認為液壓油是不可壓縮的情況下，得出階梯型緩沖結構的運動學方程為
式(1)中：x 為活塞位移，m;m 為運動部分質量，kg;P0、P1分別為有桿腔和無桿腔壓力，Pa;A0、A1分別為有桿腔和無桿腔作用面積，m2;F 為負載力，N;F1為緩沖反力，N;f 為運動部件的阻力，N。
工作缸的緩沖過程可以分為2 個階段：第1 階段，當緩沖柱塞接近緩沖套時，緩沖腔的油液通過緩沖柱塞邊緣與緩沖套內孔之間流出，相當于閥口節(jié)流，由于流道彎曲突變產(chǎn)生局部壓力損失;第2 階段，當緩沖柱塞進入緩沖套中，通流面積隨著位移的變化不斷變化，形成了閥口節(jié)流與縫隙節(jié)流同時存在的情況。根據(jù)上述分析，以柏努利方程作為流體壓力損失的基礎方程，可以得到閥口節(jié)流與縫隙節(jié)流的壓力損失方程。
閥口節(jié)流處流量為
縫隙節(jié)流處流量為
式(2)、(3)中：Cd為流量系數(shù);d 為緩沖套內孔直徑，m;δ 為緩沖柱塞與緩沖套內孔之間的間隙，m;ρ為油液密度，kg/m3， 一般取850;Δρ 為進出口壓力差，Pa;μ 為油液的動力粘度，Pa·s;l 為進入緩沖套的階梯長度，m;ε 為偏心度，m。
整個緩沖過程的2 個階段轉換很快，很難判斷緩沖是否進入下一階段，即2 個階段流場狀態(tài)的轉換點很難選取。在此假設當閥口節(jié)流與縫隙節(jié)流的流量小于單一閥口節(jié)流的流量時，可認為緩沖過程進入閥口節(jié)流與縫隙節(jié)流階段[5-16]。
2緩沖過程的仿真與分析
根據(jù)上述理論分析，以某型碟簧液壓操動機構的分閘過程為例，在AMESim 軟件平臺中建立其仿真模型。液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1。
根據(jù)經(jīng)驗先初步擬定碟簧液壓操動機構的緩沖方案，緩沖結構采用階梯型，具體尺寸見表2。根據(jù)表2 所列緩沖結構尺寸進行仿真，得到碟簧液壓操動機構分閘過程的緩沖特性，機械行程曲線見圖2，緩沖壓力曲線見圖3。
從圖2 可以看到， 機械行程曲線比較平滑，進入緩沖段也是圓滑過渡，到行程將要結束時的速度也比較低，可以初步判斷該緩沖結構尺寸性能良好;從圖3 可以看到，緩沖壓力峰值為102 MPa，根據(jù)所選用的工作缸材料， 緩沖壓力大于100 MPa時， 工作缸所承受的應力已接近于材料的屈服應力，可能會對系統(tǒng)造成影響;另外從該曲線的走勢來看，壓力分布不均衡，波峰位置的壓力值遠高于其他位置的壓力值，表明該緩沖結構具有進一步優(yōu)化的空間[17-23]。
3 緩沖特性的優(yōu)化
為了進一步驗證緩沖結構設計的好壞，可以按照圖4 所示的流程對緩沖特性進行優(yōu)化。在初步設計緩沖尺寸進行仿真的基礎上對關鍵零件進行有限元強度分析，判斷是否滿足安全系數(shù)要求，如果滿足該工況下的安全系數(shù)要求，即可確定緩沖方案，進行數(shù)據(jù)存檔，如果不滿足該工況下的安全系數(shù)要求，則需要重新設計緩沖尺寸，通過多次重復上述過程， 最終可確定緩沖方案。此處以關鍵零件———工作缸的有限元強度分析為例進行說明，同理也可對緩沖套、緩沖柱塞等關鍵零件進行分析。
根據(jù)上述流程， 首先采用ANSYS Workbench有限元分析模塊進行建模，添加載荷時緩沖腔按102 MPa 的緩沖壓力峰值進行加載， 其余容腔按額定壓力45 MPa 進行加載，計算得到的最大應力為187 MPa，安全系數(shù)為1.9，最大應力出現(xiàn)在緩沖腔附近，見圖5。此時工作缸的安全系數(shù)小于2，根據(jù)經(jīng)驗需要通過進一步優(yōu)化緩沖特性來提高安全系數(shù)。
通過對機械行程曲線與緩沖壓力曲線的分析，并參考設計經(jīng)驗對緩沖尺寸進行優(yōu)化，優(yōu)化后的緩沖結構尺寸見表3。此處只對緩沖間隙進行了調整，同理也可以通過對緩沖階梯長度進行調整來實現(xiàn)優(yōu)化緩沖的目的。緩沖尺寸優(yōu)化前后的機械行程曲線對比見圖6，緩沖壓力曲線對比見圖7。
優(yōu)化后工作缸應力分析見圖8， 從優(yōu)化前后的機械行程曲線對比可以看出，緩沖結構尺寸優(yōu)化以后機械行程曲線幾乎沒有變化，非常吻合;從優(yōu)化前后的工作缸緩沖壓力曲線可以看出，緩沖壓力峰值由之前的102 MPa 降低到88 MPa， 降低了13.7%，緩沖性能有明顯的改善。再次對工作缸進行應力分析，此時添加載荷緩沖腔按88 MPa 的緩沖壓力峰值進行加載，其余容腔仍然按額定壓力45 MPa進行加載，計算得到的最大應力為161 MPa，此時安全系數(shù)達到2.2，與之前相比有較大提高，滿足該工況下的安全系數(shù)要求。
將上述優(yōu)化后的緩沖尺寸應用于新研發(fā)的碟簧液壓操動機構，并將仿真結果和試驗結果進行對比。機械行程曲線對比見圖9，緩沖壓力曲線對比見圖10。
從仿真和試驗的結果對比可以看出，機械行程曲線幾乎沒有變化，非常吻合;工作缸緩沖壓力峰值仿真結果為88 MPa，試驗結果為92 MPa，緩沖性能基本一致;工作缸所承受的最大應力仿真結果為161 MPa， 試驗結果為167 MPa， 安全系數(shù)分別為2.2、2.1，滿足該工況下對安全系數(shù)的要求[24-26]。
4 結語
在對碟簧液壓操動機構的緩沖特性進行理論分析與初步仿真分析的基礎上，通過仿真分析與有限元強度分析多次交互的方法對緩沖特性進行優(yōu)化，在滿足碟簧液壓操動機構機械行程特性的前提下有效降低了工作缸的緩沖壓力峰值，提高了安全系數(shù)。在工程應用中參考上述方法，對碟簧液壓操動機構的緩沖特性進行了優(yōu)化設計，達到了滿意的效果。
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然而與傳統(tǒng)的氮氣儲能液壓操動機構相比，碟簧液壓操動機構壓力高，一般來說可以達到傳統(tǒng)液壓操動機構的1.5～2 倍，通過測算，斷路器分閘過程中工作缸緩沖壓力峰值又可達到系統(tǒng)額定壓力的2 倍以上， 緩沖壓力峰值過高會造成機構活塞桿折斷、緩沖元件嚴重變形影響動作特性等嚴重事故。因此，有必要對碟簧液壓操動機構的緩沖特性進行仿真研究，并在此基礎上進行優(yōu)化。
針對碟簧液壓操動機構常用的階梯型緩沖結構進行理論分析，在此基礎上利用AMESim 軟件搭建仿真平臺進行仿真研究， 結合ANSYS 軟件對緩沖特性進行優(yōu)化，通過仿真分析與關鍵零件有限元強度分析多次交互的過程，最終得到最優(yōu)方案[1-4]。
1 緩沖過程的理論分析
工作缸的緩沖結構見圖1， 緩沖柱塞的端部為階梯形，直徑為d，緩沖柱塞與緩沖套內孔之間單側間隙為δ，工作缸內孔直徑為D。在緩沖過程中，緩沖柱塞、缸體和緩沖套三者之間形成了封閉空間，封閉油液只能從緩沖柱塞和緩沖套之間的間隙中流出，從而在封閉空間內造成瞬時高壓，迫使緩沖活塞減速制動而實現(xiàn)緩沖。在不考慮粘性阻尼和認為液壓油是不可壓縮的情況下，得出階梯型緩沖結構的運動學方程為
式(1)中：x 為活塞位移，m;m 為運動部分質量，kg;P0、P1分別為有桿腔和無桿腔壓力，Pa;A0、A1分別為有桿腔和無桿腔作用面積，m2;F 為負載力，N;F1為緩沖反力，N;f 為運動部件的阻力，N。
閥口節(jié)流處流量為
整個緩沖過程的2 個階段轉換很快，很難判斷緩沖是否進入下一階段，即2 個階段流場狀態(tài)的轉換點很難選取。在此假設當閥口節(jié)流與縫隙節(jié)流的流量小于單一閥口節(jié)流的流量時，可認為緩沖過程進入閥口節(jié)流與縫隙節(jié)流階段[5-16]。
2緩沖過程的仿真與分析
根據(jù)上述理論分析，以某型碟簧液壓操動機構的分閘過程為例，在AMESim 軟件平臺中建立其仿真模型。液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1。
3 緩沖特性的優(yōu)化
為了進一步驗證緩沖結構設計的好壞，可以按照圖4 所示的流程對緩沖特性進行優(yōu)化。在初步設計緩沖尺寸進行仿真的基礎上對關鍵零件進行有限元強度分析，判斷是否滿足安全系數(shù)要求，如果滿足該工況下的安全系數(shù)要求，即可確定緩沖方案，進行數(shù)據(jù)存檔，如果不滿足該工況下的安全系數(shù)要求，則需要重新設計緩沖尺寸，通過多次重復上述過程， 最終可確定緩沖方案。此處以關鍵零件———工作缸的有限元強度分析為例進行說明，同理也可對緩沖套、緩沖柱塞等關鍵零件進行分析。
4 結語
在對碟簧液壓操動機構的緩沖特性進行理論分析與初步仿真分析的基礎上，通過仿真分析與有限元強度分析多次交互的方法對緩沖特性進行優(yōu)化，在滿足碟簧液壓操動機構機械行程特性的前提下有效降低了工作缸的緩沖壓力峰值，提高了安全系數(shù)。在工程應用中參考上述方法，對碟簧液壓操動機構的緩沖特性進行了優(yōu)化設計，達到了滿意的效果。
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