一種斷路器彈簧操動機構運動狀態判定方法
【專利摘要】本發明公開了一種斷路器彈簧操動機構運動狀態判定方法，包括：1.確定分、合閘彈簧剛度、自由長度及初壓長度這三個參數；2.在斷路器合閘操作任意時刻，根據合閘彈簧剛度、自由長度及初壓長度計算合閘彈簧的歸算力與釋放的操作功；3.根據分閘彈簧剛度、自由長度及初壓長度計算分閘彈簧的歸算力與消耗的功；4.利用Fluent軟件仿真獲得緩沖器緩沖阻力，并計算其歸算力與消耗的功；5.滅弧室運動阻力的歸算與其消耗功的計算；6.根據步驟2～5得到歸算處的合力與系統的剩余功；7.根據步驟6的計算結果判定彈簧操動機構所處的運動狀態。本發明數學模型準確、有效地描述了彈簧操動機構在斷路器合閘操作中的運動狀態，克服了以往方法效率低、精度不高以及不能反映合閘過程動態變化的局限性，為探索彈簧操動機構的可靠運行提供了良好的理論依據。
【專利說明】一種斷路器彈簧操動機構運動狀態判定方法 【技術領域】
[0001] 本發明涉及高壓斷路器領域，特別涉及一種斷路器彈簧操動機構運動狀態判定方 法。 【【背景技術】】
[0002] 彈簧操動機構作為斷路器的動力源，其運動狀態對斷路器的機械特性有著很大的 影響。一般情況下，高壓斷路器通過連接機構與彈簧操動機構連接，彈簧操動機構輸出的力 與功經過連接機構后，推動斷路器實現分合動作。
[0003] 以斷路器合閘為例，整個系統受到合閘彈簧驅動力、分閘彈簧阻力、緩沖器緩沖阻 力、滅弧室運動阻力以及摩擦力的作用，這些力在歸算處的合力大小直接反應了該處加速 度的大小，這就是說彈簧操動機構的運動狀態與這些力的歸算合力密切相關。
[0004] 從功的角度來考慮，斷路器合閘過程，動力來源為壓縮合閘彈簧釋放的操作功，而 系統運動消耗的功主要有:壓縮分閘彈簧儲能消耗的功、緩沖器消耗的功、滅弧室運動阻力 消耗的功及摩擦阻力消耗的功。根據能量守恒，在合閘過程中的任意一點位置，由壓縮合閘 彈簧釋放的功，應等于克服運動系統中各種反力消耗的功及運動系統動能的增量。當合閘 彈簧釋放的功不足以克服系統消耗的功時，彈簧操動機構將停止運動，致使斷路器不能完 成合閘操作。
[0005] 利用系統力與功的分析可以判斷彈簧操動機構在合閘任意時刻所處的運動狀態， 但由于彈簧操縱機構結構復雜，再加上斷路器的合閘操作是一個動態過程，這就給各種力 的等價歸算與功的計算帶來很大困難。以往的研究首先要通過作圖確定彈簧操動機構運動 部件在某一合閘位置的相對關系，之后在不考慮緩沖器緩沖阻力、滅弧室運動阻力以及摩 擦力的前提下，僅對分、合閘彈簧產生的力與功進行計算。這種方法不僅效率低，而且還存 在以下問題：
[0006] 1)該方法只能對合閘過程中的幾個點進行作圖分析，并不能真實反映彈簧操動機 構在斷路器合閘操作整個過程中的動態變化規律。
[0007] 2)該方法忽略的因素太多，尤其是緩沖器緩沖阻力與滅弧室運動阻力的忽略，造 成利用該方法在判定彈簧操動機構運動狀態時的精度不高。 【
【發明內容】
】
[0008] 本發明的目的在于提供一種斷路器彈簧操動機構運動狀態判定方法，以解決上述 技術問題。
[0009] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案:一種斷路器彈簧操動機構運動狀 態判定方法，包括以下步驟：
[0010] 步驟1.給定分、合閘彈簧的剛度、自由長度、初壓長度這三個參數的值；
[0011] 步驟2.由合閘彈簧剛度、自由長度、初壓長度計算合閘彈簧在斷路器合閘某一時 刻的力值，由此計算合閘彈簧力對凸輪轉軸的力矩，在此基礎上根據能量守恒的換算原則 計算合閘彈簧力對輸出拐臂轉軸的歸算力矩，最終得到合閘彈簧力在凸輪與滾子接觸點處 的歸算力;最后依據合閘彈簧在該時刻的壓縮量與剛度，獲得合閘彈簧釋放的操作功；
[0012] 步驟3.由分閘彈簧剛度、自由長度、初壓長度計算該時刻分閘彈簧力，由此計算分 閘彈簧力對輸出拐臂轉軸的力矩，在此基礎上計算分閘彈簧力在凸輪與滾子接觸點處的歸 算力，最后依據分閘彈簧在該時刻的壓縮量與剛度，獲得分閘彈簧消耗的功；
[0013] 步驟4.根據緩沖器活塞速度曲線(計算獲得該時刻緩沖器緩沖阻力，由此計算緩 沖阻力對輸出拐臂轉軸的力矩，在此基礎上計算緩沖阻力在凸輪與滾子接觸點處的歸算 力，最后根據緩沖阻力曲線與活塞行程包圍的面積獲得緩沖阻力消耗的功；
[0014]步驟5.由滅弧室運動阻力計算其對輸出拐臂轉軸的力矩，在此基礎上計算滅弧室 運動阻力在凸輪與滾子接觸點處的歸算力，最后依據動觸頭行程計算滅弧室運動阻力消耗 的功；
[0015] 步驟6.根據步驟2~5，計算該時刻歸算處的合力與系統的剩余功，其中，該時刻歸 算處的合力EF為：rF' 2-F'3-F'4,其中，F' hF' 3Y 4分別為合閘彈簧力、分閘彈 簧力、緩沖阻力，以及滅弧室運動阻力在該時刻在凸輪與滾子接觸點處的歸算力;所述剩余 功EW為EWzWi-WrWs-W^其中，W' 4分別為合閘彈簧力、分閘彈簧力、緩沖阻 力，以及滅弧室運動阻力在該時刻的消耗功；
[0016] 步驟7.根據步驟6的計算結果判定斷路器合閘操作過程中彈簧操動機構在該時刻 所處的運動狀態，判定方法為：
[0017] EF>0，E W=0:彈簧操動機構即將開始運動；
[0018] EF>0, EW>0:彈簧操動機構加速運動；
[0019] EF = 0，EW>0:彈簧操動機構勻速運動；
[0020] EF〈0, EW>0:彈簧操動機構減速運動；
[0021] EF = 0，EW=0:彈簧操動機構停止運動。
[0022]進一步的，步驟2中斷路器合閘某一時刻合閘彈簧力在凸輪與滾子接觸點處的歸 算力方程為：
[0024]其中:為該時刻合閘彈簧力在凸輪與滾子接觸點處的歸算力，方向沿凸輪與滾 子接觸點法線方向；1^為合閘彈簧自由長度；llg為合閘彈簧初壓縮長度；11S為合閘彈簧工 作行程;Si為合閘彈簧在該時刻相對于終壓縮位置的長度變化量;ki為合閘彈簧剛度;^為 合閘彈簧銷子與凸輪固定轉軸的距離;a為儲能保持過中角度4為該時刻凸輪旋轉角度;冊 是凸輪在該時刻的瞬時轉角;dy是輸出拐臂在該時刻的瞬時轉角;U為歸算力F':繞輸出拐 臂轉軸旋轉的力臂。
[0025]進一步的，步驟2中合閘彈簧釋放操作功的計算方程為：
[0027]其中為合閘彈簧釋放的操作功;Sn為合閘開始時刻合閘彈簧壓縮量;S12為該時 刻合閘彈簧壓縮量。
[0028]進一步的，步驟3中分閘彈簧力在凸輪與滾子接觸點處的歸算力方程為：
[0029] F'2= {[(l2h_l2g)+S2] ? k2 ? h ? cos(li-入）}/Li(3)
[0030] 其中:FS為分閘彈簧力在凸輪與滾子接觸點處的歸算力，方向沿凸輪與滾子接觸 點法線方向；]_2h為分閘彈簧自由長度;]_2g為分閘彈簧初壓縮長度;S2為分閘彈簧在該時刻相 對于初壓縮位置的長度變化量;k 2為分閘彈簧剛度;12為分閘彈簧銷子與輸出拐臂轉軸的距 離A為合閘起始時刻，分閘銷子和輸出拐臂轉軸的連線與豎直方向的夾角;y為該時刻輸出 拐臂旋轉角度，u為歸算力^:繞輸出拐臂轉軸旋轉的力臂。
[0031] 進一步的，步驟3中分閘彈簧消耗功的計算方程為：
[0033]其中:W2為分閘彈簧消耗的功;k2為分閘彈簧剛度;S21為分閘彈簧初始壓縮量;S 22 為該時刻分閘彈簧壓縮量。
[0034]進一步的，步驟4中，根據緩沖器活塞速度曲線獲得緩沖器緩沖阻力的主要步驟 為：
[0035]步驟A:建立緩沖器在合閘初始時刻的三維流體分析模型；
[0036] 步驟B:對該三維流體分析模型進行四面體網格劃分；
[0037] 步驟C:選取斷路器標準合閘行程曲線，將該行程曲線轉化為緩沖器活塞的速度曲 線，并將速度曲線離散成一系列的數據點，通過使用Fluent中的瞬態profile文件來定義活 塞的連續運動；
[0038] 步驟D:假定外缸體內液壓油與內缸體低壓腔油液的相對壓力均為OMPa;
[0039]步驟E:根據步驟A建立的三維流體分析模型，進行數值迭代求解，獲得緩沖器內部 壓力場的分布云圖以及活塞面上的壓力；
[0040] 步驟F:在合閘過程中，根據步驟E的結果依據以下公式計算緩沖器所受緩沖阻力：
[0041] F3 = P3 ? S3(5)
[0042] 其中:F3為斷路器合閘過程中緩沖阻力;P3為活塞面所受壓強;S3為活塞面積。
[0043]進一步的，步驟4中緩沖阻力在凸輪與滾子接觸點處的歸算力方程為：
[0044] F/3=(F3 ? I2 ? cos(li-A))/Li(6)
[0045]其中:F'3為緩沖阻力在凸輪與滾子接觸點處的歸算力，方向沿凸輪與滾子接觸點 法線方向，F3為斷路器合閘過程中緩沖阻力，12為分閘彈簧銷子與輸出拐臂轉軸的距離，y為 該時刻輸出拐臂旋轉角度A為合閘起始時刻，分閘銷子和輸出拐臂轉軸的連線與豎直方向 的夾角，Li為歸算力F、繞輸出拐臂轉軸旋轉的力臂。
[0046] 進一步的，步驟4中緩沖阻力消耗功的計算方程為：
[0047] F,(x)dx (7)
[0048]其中：W3為緩沖阻力消耗的功;F3(x)為緩沖器活塞行程x與緩沖阻力的關系;^為 緩沖器活塞在該時刻的行程。
[0049] 進一步的，步驟5中滅弧室運動阻力F4在合閘過程(空載）中是變量:在動靜觸頭未 接觸之前，F4主要是氣體阻力;在動靜觸頭剛接觸時，F4迅速增大。對于已有的斷路器產品， 滅弧室運動阻力可由測力工裝測量;對于正在研發的斷路器產品，滅弧室運動阻力可利用 與已有產品類比進行估算。
[0050] 進一步的，步驟5中滅弧室運動阻力在凸輪與滾子接觸點處的歸算力方程為：
[0051] F/4=(F4 ? I3 ? cos(li-8))/Li(8)
[0052]其中:F'4為滅弧室運動阻力在凸輪與滾子接觸點處的歸算力，方向沿接觸點法線 方向;F4為滅弧室運動阻力，13為滅弧室運動阻力作用點與輸出拐臂轉軸處的距離;y為該時 刻輸出拐臂旋轉角度，S為合閘起始時刻，滅弧室運動阻力作用點和輸出拐臂轉軸的連線與 水平方向的夾角，U為歸算力^:繞輸出拐臂轉軸旋轉的力臂。
[0053] 進一步的，步驟5中滅弧室運動阻力消耗功的計算方程為：
[0054] W4=F4 ? S4(9)
[0055] 其中：W4為滅弧室運動阻力消耗的功；S4為該時刻動觸頭行程，F4為滅弧室運動阻 力。
[0056] 與現有技術相比，本發明具有如下優點與有益效果:本發明通過對高壓斷路器合 閘操作過程的機理分析，在綜合考慮合閘彈簧推力與釋放操作功、分閘彈簧阻力與消耗功、 緩沖器緩沖阻力與消耗功、滅弧室運動阻力與消耗功的基礎上，通過數學模型分析了合閘 操作任意時刻推力與阻力在歸算處的合力以及剩余功，對于準確判定斷路器彈簧操動機構 的運動狀態提供了良好的理論基礎;在彈簧操動機構產品設計階段，利用本發明可預先校 核合閘彈簧在合閘操作過程中所提供的動力是否充足，為分、合閘彈簧相關參數的設計調 整提供依據;在產品試制階段，利用本發明可快速判斷分、合閘彈簧的壓縮量(外露螺桿長 度)是否匹配，為合理調整這兩個量提供幫助。 【【附圖說明】】
[0057]圖1為本發明方法的流程示意圖；
[0058]圖2為本發明的受力分析不意圖；
[0059]圖3為本發明的合閘彈簧力及在凸輪轉軸處力矩的計算示意圖；
[0060]圖4為本發明的合閘彈簧力歸算示意圖；
[0061]圖5為本發明的分閘彈簧力歸算示意圖；
[0062]圖6為本發明的緩沖器緩沖阻力計算流程圖；
[0063]圖7為本發明的某彈簧機構緩沖器緩沖阻力隨緩沖器活塞行程變化曲線；
[0064]圖8為本發明的滅弧室運動阻力歸算示意圖； 【【具體實施方式】】
[0065] 下面將結合具體實施例和附圖對本發明做進一步詳細描述。
[0066] 請參閱圖1與2所示，一種斷路器彈簧操動機構運動狀態判定方法包括以下步驟：
[0067] 步驟1.給定分、合閘彈簧的剛度、自由長度、初壓長度這三個參數的值；
[0068] 步驟2.由合閘彈簧剛度、自由長度、初壓長度計算合閘彈簧在斷路器合閘某一時 刻的力值，由此計算合閘彈簧力對凸輪轉軸1的力矩，在此基礎上根據能量守恒的換算原則 計算合閘彈簧力對輸出拐臂轉軸4的歸算力矩，最終得到合閘彈簧力在凸輪5與滾子6接觸 點處的歸算力。最后依據合閘彈簧壓縮量與剛度，獲得合閘彈簧釋放的功；
[0069] 步驟3.由分閘彈簧剛度、自由長度、初壓長度計算分閘彈簧力，由此計算分閘彈簧 力對輸出拐臂轉軸4的力矩，在此基礎上計算分閘彈簧力在凸輪5與滾子6接觸點處的歸算 力。最后依據分閘彈簧壓縮量與剛度，獲得分閘彈簧消耗的功；
[0070]步驟4.根據活塞速度曲線(從斷路器動觸頭折算到緩沖器活塞上），利用Fluent軟 件計算獲得該時刻緩沖器緩沖阻力，由此計算緩沖阻力對輸出拐臂轉軸4的力矩，在此基礎 上計算緩沖阻力在凸輪5與滾子6接觸點處的歸算力。最后計算緩沖阻力曲線與活塞行程包 圍的面積獲得緩沖阻力消耗的功；
[0071]步驟5.由滅弧室10運動阻力計算其對輸出拐臂轉軸4的力矩，在此基礎上計算滅 弧室10運動阻力在凸輪5與滾子6接觸點處的歸算力。最后依據動觸頭行程計算滅弧室10運 動阻力消耗的功；
[0072 ]步驟6.根據步驟2~5，計算該時刻歸算處的合力與系統的剩余功；
[0073]步驟7.根據步驟6的計算結果判定斷路器合閘操作過程中彈簧操動機構在該時刻 所處的運動狀態。
[0074]其中，在所述步驟2中，合閘彈簧力h的計算方程為：
[0075] Fi= EPi2~ki ? Si(l)
[0076] 式中，EP12為合閘彈簧終壓縮位置的力值;ki為合閘彈簧剛度;Si*合閘彈簧在該 時刻相對于終壓縮位置的長度變化量。
[0077]所述EP12可由式(2)計算得到：
[0078] EPi2=(lih-lig+lis) ? ki(2)
[0079] 式中，1^為合閘彈簧自由長度；llg為合閘彈簧初壓縮長度；11S為合閘彈簧工作行 程。
[0080] 如圖3所示，所述&可由式(3)計算得到：
[0081] Si = ri-ri ? cos(a+0)(3)
[0082] 式中，^為合閘彈簧銷子7與凸輪固定轉軸1的距離;a為儲能保持過中角度4為該 時刻凸輪5旋轉角度。
[0083]如圖3所示，合閘彈簧力對凸輪轉軸1的力矩方程為：
[0084] Mn = Fi ? li = Fi ? ri ? sin(a+0)(4)
[0085]式中，li為合閘彈簧力Fi繞凸輪轉軸1旋轉的力臂。
[0086]合閘彈簧力對輸出拐臂轉軸4的歸算力矩可按能量守恒換算，其歸算力矩的方 程為：
[0088]式中，冊是凸輪5在該時刻的瞬時轉角;dy是輸出拐臂3在該時刻的瞬時轉角。
[0089]從圖4中可以得到合閘彈簧力在凸輪5與滾子6接觸點處的歸算力方程：
[0090] f，1=mVLi(6)
[0091]式中，為該時刻合閘彈簧力在凸輪與滾子接觸點處的歸算力，方向為沿接觸點 法線方向;U為歸算力^:繞輸出拐臂轉軸4旋轉的力臂。
[0092]合閘彈簧釋放操作功的計算方程為：
[0094]式中，Wi為合閘彈簧釋放的操作功;Sn為合閘開始時刻合閘彈簧壓縮量;S12為該時 刻合閘彈簧壓縮量。
[0095] 所述Sn可由式(8)計算獲得：
[0096] Sn= EPi2/ki-(ri-ri ? cos(a))(8)
[0097]所述S12可由式(9)計算獲得：
[0098] Si2 = Sn-Si+(ri-ri ? cos(a))(9)
[0099]其中，在所述步驟3中，分閘彈簧力F2的計算方程為：
[0100] F2= EP21+k2 ? S2(10)
[0101] 式中，EP21為分閘彈簧初壓縮位置的力值;k2為分閘彈簧剛度;&分閘彈簧在該時 刻相對于初壓縮位置的長度變化量。
[0102] 所述EP21可由式（11)計算得到：
[0103] EP2i=(l2h-l2g) ? k2(ll)
[0104] 式中，l2h為分閘彈簧自由長度;l2g為分閘彈簧初壓縮長度。
[0105] 所述&可由式(12)計算得到：
[0106] S2 = l2 ? sin(A)+l2 ? sin(ii-A)(12)
[0107] 式中，12為分閘彈簧銷子9與輸出拐臂轉軸4的距離;A為合閘起始時刻，分閘銷子9 和輸出拐臂轉軸4的連線與Y軸的夾角;y為該時刻輸出拐臂3旋轉角度。
[0108] 如圖5所示，分閘彈簧力對輸出拐臂轉軸4的力矩MS方程為：
[0109] M/2 = F2 ? L2=F2 ? I2 ? cos(li-A) (13)
[0110] 式中，L2為分閘彈簧力F2繞輸出拐臂轉軸4旋轉的力臂。
[0111] 如圖5所示，分閘彈簧力在凸輪5與滾子6接觸點處的歸算力方程為：
[0112] F/2=M/2/Li(14)
[0113]式中，FS為分閘彈簧力在凸輪與滾子接觸點處的歸算力，方向沿接觸點法線方 向。
[0114]分閘彈簧消耗功％的計算方程為：
[0116] 式中，S21為分閘彈簧初始壓縮量;S22為該時刻分閘彈簧壓縮量。
[0117] 所述S21可由式（16)計算獲得：
[0118] S2i= EP2i/k2(16)
[0119] 所述S22可由式（17)計算獲得：
[0120] S22 = S2i+S2(17)
[0121] 其中，在所述步驟4中，利用Fluent軟件計算獲得緩沖器緩沖阻力的主要步驟為 (如圖6所示）：
[0122] 步驟A:為跟實際情況更接近，建立緩沖器在合閘初始時刻的三維流體分析模型。
[0123] 步驟B:由于三維模型的動網格重分格式只能用四面體網格，故通過前處理軟件對 模型進行四面體網格劃分。
[0124] 步驟C:選取斷路器標準合閘行程曲線，將該行程曲線折算為緩沖器活塞的速度曲 線，并將速度曲線離散成一系列的數據點，通過使用Fluent中的瞬態profile文件來定義緩 沖器活塞的連續運動。
[0125] 步驟D:假定外缸體與內缸體之間液壓油的相對壓力為OMPa，由于內缸體低壓腔 (活塞經過后的腔體)有大的阻尼孔與外缸體相互通油，為了簡化計算，假定內缸體低壓腔 油液相對壓力也為OMPa。
[0126] 步驟E:根據所建立的仿真模型，在Fluent軟件平臺上進行數值迭代求解，經過后 處理可以獲得緩沖器內部壓力場的分布云圖以及活塞面上的壓力。
[0127] 步驟F:在合閘過程中，緩沖器所受緩沖阻力F3可由下式計算：
[0128] F3 = P3 ? S3(18)
[0129] 式中，P3為活塞面所受壓強;S3為活塞面積。圖7為采用以上步驟得到的某彈簧機構 緩沖器緩沖阻力隨緩沖器活塞行程變化曲線。
[0130]本實施例中，緩沖阻力與分閘彈簧力作用點位置相同，其歸算方法也與分閘彈簧 力的歸算方法相同，故緩沖阻力對輸出拐臂轉軸4的力矩，3方程為：
[0131] M/3 = F3 ? L2=F3 ? 12 ? COs(li-A) ( 19)
[0132] 緩沖阻力在凸輪5與滾子6接觸點處的歸算力K 3方程為：
[0133] F/3=M/3/Li(20)
[0134] 緩沖阻力消耗的功可由下式表示：
[0135] =JJ f；(.T)t/.v (21)
[0136] 其中：W3為緩沖阻力消耗的功;F3(x)為緩沖器活塞行程x與緩沖阻力的關系;^為 緩沖器活塞在該時刻的行程。
[0137] 其中，在所述步驟5中，滅弧室10運動阻力F4在合閘過程（空載）中是變量:在動靜 觸頭未接觸之前，F4主要是氣體阻力;在動靜觸頭剛接觸時，F 4迅速增大。對于已有的斷路器 產品，滅弧室10運動阻力可由測力工裝測量;對于正在研發的斷路器產品，滅弧室10運動阻 力可利用與已有產品類比進行估算。在本實施例中，為考察彈簧操動機構在最苛刻條件下 的運動狀態，選取測力工裝測量(斷路器壓氣室在額定氣壓條件下）的最大值作為F 4。
[0138] 從圖8中可得滅弧室10運動阻力對輸出拐臂轉軸4的力矩：
[0139] M/4=F4 ? L3=F4 ? I3 ? cos(li-8)(22)
[0140] 式中，4為滅弧室10運動阻力對輸出拐臂轉軸4的力矩;L3為滅弧室10運動阻力繞 輸出拐臂轉軸4旋轉的力臂；1 3為滅弧室10運動阻力作用點2與輸出拐臂轉軸4的距離;S為 合閘起始時刻，滅弧室10運動阻力作用點2和輸出拐臂轉軸4的連線與x軸的夾角。
[0141] 滅弧室10運動阻力在凸輪5與滾子6接觸點處的歸算力K 4方程為：
[0142] F/4=M/4/Li(23)
[0143] 在合閘過程中，滅弧室10運動阻力消耗功W4的計算方程為：
[0144] ff4=F4 ? S4(24)
[0145] 式中，S4該時刻動觸頭行程。
[0146] 其中，在所述步驟6中，歸算處的合力EF方程為：
[0147] EF=F/i-F/2-F/3-F/4(25)
[0148] 剩余功(彈簧機構釋放功與消耗功的差值）EW的計算方程為：
[0149] Eff=ffi-ff2-ff3-ff4(26)
[0150] 其中，在所述步驟7中，斷路器合閘操作過程中彈簧操動機構運動狀態的判定方法 為：
[0151] EF>0，EW=0:彈簧操動機構即將開始運動；
[0152] EF>0, EW>0:彈簧操動機構加速運動；
[0153] EF = 0，EW>0:彈簧操動機構勻速運動；
[0154] EF〈0, EW>0:彈簧操動機構減速運動；
[0155] EF = 0, EW=0:彈簧操動機構停止運動。
[0156] 若在斷路器合閘過程中，歸算處合力EF與剩余功EW在某一時間點出現其它組合 方式，則說明合閘彈簧釋放的能量不足以克服阻力所消耗的能量，彈簧操動機構在該時刻 之前已經停止了運動。
【主權項】
1. 一種斷路器彈簧操動機構運動狀態判定方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1.給定分、合閘彈簧的剛度、自由長度、初壓長度這三個參數的值； 步驟2.由合閘彈簧剛度、自由長度、初壓長度計算合閘彈簧在斷路器合閘某一時刻的 力值，由此計算合閘彈簧力對凸輪轉軸的力矩，在此基礎上根據能量守恒的換算原則計算 合閘彈簧力對輸出拐臂轉軸的歸算力矩，最終得到合閘彈簧力在凸輪與滾子接觸點處的歸 算力;最后依據合閘彈簧在該時刻的壓縮量與剛度，獲得合閘彈簧釋放的操作功； 步驟3.由分閘彈簧剛度、自由長度、初壓長度計算該時刻分閘彈簧力，由此計算分閘彈 簧力對輸出拐臂轉軸的力矩，在此基礎上計算分閘彈簧力在凸輪與滾子接觸點處的歸算 力;最后依據分閘彈簧在該時刻的壓縮量與剛度，獲得分閘彈簧消耗的功； 步驟4.根據緩沖器活塞速度曲線獲得該時刻緩沖器緩沖阻力，由此計算緩沖阻力對輸 出拐臂轉軸的力矩，在此基礎上計算緩沖阻力在凸輪與滾子接觸點處的歸算力；最后根據 緩沖阻力曲線與活塞行程包圍的面積獲得緩沖阻力消耗的功； 步驟5.由滅弧室運動阻力計算滅弧室運動阻力對輸出拐臂轉軸的力矩，在此基礎上計 算滅弧室運動阻力在凸輪與滾子接觸點處的歸算力，最后依據動觸頭行程計算滅弧室運動 阻力消耗的功； 步驟6.根據步驟2~5，計算該時刻歸算處的合力與系統的剩余功，其中，該時刻歸算處 的合力EF為：EF = F/-F/-F/-F，，其中，F/、F/、F/、F，分別為合閘彈簧力、分閘彈簧 力、緩沖阻力，以及滅弧室運動阻力在該時刻在凸輪與滾子接觸點處的歸算力;所述剩余功 ΣΙ為其中，W/、W/、W/、WZ分別為合閘彈簧力、分閘彈簧力、緩沖阻力， 以及滅弧室運動阻力在該時刻的消耗功； 步驟7.根據步驟6的計算結果判定斷路器合閘操作過程中彈簧操動機構在該時刻所處 的運動狀態，判定方法為： EF>0, EW=0:彈簧操動機構即將開始運動； Σ F>0，Σ W>0:彈簧操動機構加速運動； EF=0, EW>0:彈簧操動機構勻速運動； Σ F〈0，Σ W>0:彈簧操動機構減速運動； EF=0, EW=0:彈簧操動機構停止運動。2. 根據權利要求1所述的一種斷路器彈簧操動機構運動狀態判定方法，其特征在于，步 驟2中斷路器合閘某一時刻合閘彈簧力在凸輪與滾子接觸點處的歸算力方程為：其中：F/為該時刻合閘彈簧力在凸輪與滾子接觸點處的歸算力，方向沿凸輪與滾子接 觸點的法線方向；1^為合閘彈簧自由長度；llg為合閘彈簧初壓縮長度；115為合閘彈簧工作 行程;Si為合閘彈簧在該時刻相對于終壓縮位置的長度變化量;lu為合閘彈簧剛度; ri為合 閘彈簧銷子與凸輪固定轉軸的距離;α為儲能保持過中角度;β為該時刻凸輪旋轉角度;冊是 凸輪在該時刻的瞬時轉角;dy是輸出拐臂在該時刻的瞬時轉角;U為歸算力？/繞輸出拐臂 轉軸旋轉的力臂。3. 根據權利要求1所述的一種斷路器彈簧操動機構運動狀態判定方法，其特征在于，步 驟2中合閘彈簧釋放操作功的計算方程為：其中:Wl為合閘彈簧釋放的操作功;Sll為合閘開始時刻合閘彈簧壓縮量;Sl2為該時刻合 閘彈簧壓縮量。4. 根據權利要求1所述的一種斷路器彈簧操動機構運動狀態判定方法，其特征在于，步 驟3中分閘彈簧力在凸輪與滾子接觸點處的歸算力方程為： F7 2= {[ (l2h-l2g)+S2] · k2 · I2 · cos(y-A)}/Li (3) 其中：FS為分閘彈簧力在凸輪與滾子接觸點處的歸算力，方向沿凸輪與滾子接觸點法 線方向；l2h為分閘彈簧自由長度;l2g為分閘彈簧初壓縮長度;S2為分閘彈簧在該時刻相對于 初壓縮位置的長度變化量;k 2為分閘彈簧剛度;12為分閘彈簧銷子與輸出拐臂轉軸的距離;λ 為合閘起始時刻，分閘銷子和輸出拐臂轉軸的連線與豎直方向的夾角;μ為該時刻輸出拐臂 旋轉角度，U為歸算力^'繞輸出拐臂轉軸旋轉的力臂。5. 根據權利要求1所述的一種斷路器彈簧操動機構運動狀態判定方法，其特征在于，步 驟3中分閘彈簧消耗功的計算方程為：其中：W2為分閘彈簧消耗的功;k2為分閘彈簧剛度;S21為分閘彈簧初始壓縮量;S22為該 時刻分閘彈簧壓縮量。6. 根據權利要求1所述的一種斷路器彈簧操動機構運動狀態判定方法，其特征在于，步 驟4中，根據緩沖器活塞速度曲線獲得緩沖器緩沖阻力的主要步驟為： 步驟A:建立緩沖器在合閘初始時刻的三維流體分析模型； 步驟B:對該三維流體分析模型進行四面體網格劃分； 步驟C:選取斷路器標準合閘行程曲線，將該行程曲線轉化為緩沖器活塞的速度曲線， 并將速度曲線離散成一系列的數據點，通過使用Fluent中的瞬態profile文件來定義活塞 的連續運動； 步驟D:假定外缸體內液壓油與內缸體低壓腔油液的相對壓力均為OMPa; 步驟E:根據步驟A建立的三維流體分析模型，進行數值迭代求解，獲得緩沖器內部壓力 場的分布云圖以及活塞面上的壓力； 步驟F:在合閘過程中，根據步驟E的結果依據以下公式計算緩沖器所受緩沖阻力： F3 = P3 · S3 (5) 其中:F3為斷路器合閘過程中緩沖阻力;P3為活塞面所受壓強;&為活塞面積。7. 根據權利要求1或6所述的一種斷路器彈簧操動機構運動狀態判定方法，其特征在 于，步驟4中緩沖阻力在凸輪與滾子接觸點處的歸算力方程為： F37 =(F3 · I2 · cos(y-A))/Li (6) 其中：F/為緩沖阻力在凸輪與滾子接觸點處的歸算力，方向沿凸輪與滾子接觸點法線 方向，F3為斷路器合閘過程中緩沖阻力，12為分閘彈簧銷子與輸出拐臂轉軸的距離，μ為該時 刻輸出拐臂旋轉角度，λ為合閘起始時刻，分閘銷子和輸出拐臂轉軸的連線與豎直方向的夾 角，Li為歸算力F/繞輸出拐臂轉軸旋轉的力臂。8. 根據權利要求1所述的一種斷路器彈簧操動機構運動狀態判定方法，其特征在于，步 驟4中緩沖阻力消耗功的計算方程為：其中：W3為緩沖阻力消耗的功;F3(x)為緩沖器活塞行程X與緩沖阻力的關系;Xt為緩沖 器活塞在該時刻的行程。9. 根據權利要求1所述的一種斷路器彈簧操動機構運動狀態判定方法，其特征在于，步 驟5中滅弧室運動阻力在凸輪與滾子接觸點處的歸算力方程為： F/4=(F4 · I3 · cos(y-5))/Li (8) 其中：Κ 4為滅弧室運動阻力在凸輪與滾子接觸點處的歸算力，方向沿凸輪與滾子接觸 點法線方向;F4為滅弧室運動阻力，13為滅弧室運動阻力作用點與輸出拐臂轉軸處的距離;μ 為該時刻輸出拐臂旋轉角度，S為合閘起始時刻，滅弧室運動阻力作用點和輸出拐臂轉軸的 連線與水平方向的夾角，U為歸算力^'繞輸出拐臂轉軸旋轉的力臂。10. 根據權利要求1所述的一種斷路器彈簧操動機構運動狀態判定方法，其特征在于， 步驟5中滅弧室運動阻力消耗功的計算方程為： ff4 = F4 · S4 (9) 其中:W4為滅弧室運動阻力消耗的功;S4為該時刻動觸頭行程，F4為滅弧室運動阻力。
【文檔編號】G06F17/50GK105930622SQ201610382501
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月1日
【發明人】趙偉濤, 蘇菊芳, 黨德旺, 劉超
【申請人】中國西電電氣股份有限公司