CN104156541B - 一种特高压断路器用液压操动机构的仿真平台系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种特高压断路器用液压操动机构的仿真平台系统及方法。包括储能系统、控制阀系统、液压缸及其内缓冲系统和管道系统；其中储能系统包括初始参数计算、蓄能器搭建、充压装置子模块；控制阀系统包括电磁先导阀、放大阀和主阀子模块；液压缸及其内缓冲系统包括差动式液压缸和缸内缓冲参数化模型子模块；管道子系统包括沿程压力损失模型和局部压力损失模型子模块。通过理论建模和参数确立，将四个系统调入仿真模型搭建和计算系统，并通过结果输出系统进行计算结果的输出。本发明可以对特高压断路器用液压操动机构的综合特性进行计算机模拟仿真和准确评价，缩短产品设计周期、降低试验成本、避免试验的盲目性。
Description
技术领域
本发明涉及复杂大功率液压操动系统建模及仿真方法，尤其涉及一种特高压断路器用液压操动机构的仿真平台系统及方法。
背景技术
特高压断路器是特高压输电线路中最重要的保护和控制设备，能够控制电网线路的运行和退出、快速切断故障线路，是我国“发展特高压输电、建设坚强智能的电网”的重要保证。特高压断路器运行时所切断的电流高达几万安培，所需的操作功大，必须配备高效、大功率、可控性强的操动机构。
断路器用操动机构可分为手动操动机构、电磁操动机构、电动操动机构、弹簧操动机构、气动操动机构和液压操动机构等，每一种机构都有其各自的优缺点和使用场合，但特高压断路器运行时所需的操作功巨大，要想实现操动机构的输出力与负载力的良好匹配，考虑到液压操动机构的功率大、动作快、操作平稳的特点，目前在特高压断路器中一般采用液压操动机构。
大功率液压操动机构的先进核心技术主要掌握在世界上的几大公司手中，如欧洲的Siemens、ABB、Alstom、Schneider、Bucher等公司，以及亚洲日本的三菱、东芝、日立和韩国的晓星等公司。在中国，液压操动机构主要以引进技术为主，自主核心技术比较薄弱，河南平高电气集团、西安电气集团和沈阳新东北电气集团等几家大公司都在致力研究特高压断路器液压操动机构的关键技术。我国生产的断路器的性能与世界其它国家相比，电气性能的差距不大，主要差距是在操动机构的机械性能方面。
由于特高压断路器在动作中具有瞬时爆发大功率、高速响应等特点，所配备的液压操动机构结构复杂紧凑、零件众多，在运行时难免会出现一些问题，如零部件振动剧烈、噪音巨大、液压缸缓冲压力过高、管道系统压力波动严重等，这些问题和故障往往是相互关联、相互影响的，同时在产品设计时是无法预料和评估的，传统的“试验测试-发现问题-结构改进-再测试”的方法费时费力、成本高且盲目性较大，同时在试验测试环节很多因素都无法直接测量，难以找到问题的根源，因此需要寻找科学、高效、实用的设计方法。
以计算机仿真为基础的复杂系统综合建模技术是一种先进的系统结构、功能的设计和分析方法，将其应用到特高压断路器用液压操动机构的设计和优化中，可建立一套科学、高效、实用的液压系统综合仿真平台，将关键零部件结构参数化、功能参数化，在物理样机试制过程中就能预测到系统可能会出现的故障和问题，并能提供切实可行的科学解决方案，从而可降低我国断路器产品的生产成本、增强产品的科技含量和综合竞争力。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种能充分考虑复杂大功率液压操动机构中各元件的协同作用，将各关键元件进行特征提取并进行精确建模，同时能针对故障频发的液压缸缓冲模块，进行结构参数化建模和功能参数化建模，大大提高了建模的效率，并较真实地模拟实际复杂工况，确保仿真结果更接近实际情形，能对液压操动机构的综合性能进行准确评价的一种特高压断路器用液压操动机构的仿真平台系统及方法。
本发明还有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种应用范围广泛，可用于超高压及特高压断路器中的液压操动机构的性能分析和综合评价，亦可用于其它型式的操动机构的一种特高压断路器用液压操动机构的仿真平台系统及方法。
本发明再有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种可显著缩短产品的研发设计周期，并能够提前发现问题进行结构和功能改进，从而可极大地节省试验成本、避免试验的盲目性，协助完善试验测试方案，具有很强的实用性的一种特高压断路器用液压操动机构的仿真平台系统及方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种特高压断路器用液压操动机构的仿真平台系统，其特征在于，包括四个子系统，即：
储能子系统：用于保持系统正常工作所需的压力，为系统工作提供动力；
控制阀子系统：用于切换系统工作状态、控制液压缸活塞杆的运动方向，并保证系统的快速高效响应；
液压缸及其内缓冲子系统：用于建立系统工作时的负载条件，在满足系统工作所需速度要求的基础上，减轻活塞对缓冲套和液压缸缸壁的冲击；
管道子系统：用于连接液压操动机构中的各元件，为液压缸、控制阀的动作供油，并提供泄压至油箱的回路；
其中，
所述储能子系统包括：
蓄能器活塞初始位置计算模块：由蓄能器预冲压、系统要求工作压力和蓄能器体积三个参数，根据气体状态平衡方程来计算蓄能器活塞的初始位置；
蓄能器搭建模块：据活塞式蓄能器的特点，考虑活塞的惯性和局部细节特征，运用最基本的活塞单元组建蓄能器的计算模型，避免造成蓄能器模型与实际不符的缺陷；
充压装置模块：考虑到系统工作时蓄能器所提供的压力必定会有一定程度的降低，需要设置充压装置，以保证蓄能器的压力保持在一定范围内；所述控制阀子系统包括：
电磁先导阀模块：一个分闸电磁先导阀和一个合闸电磁先导阀，先导阀又由电磁铁和锥阀组成，采用电磁场仿真模块，根据电磁铁的特征参数计算电磁铁动态出力特性，将特征数据导入到液压系统仿真软件中共同搭建电磁先导阀的模型；
放大阀模块：一个分闸放大阀和一个合闸放大阀，放大阀和先导阀之间设置直径为0.8mm的节流短管，用以组建压力保持回路；
主阀模块：一个与分合闸共用的大流量滑阀，考虑滑阀阀口的非标准特性，建立阀口过流随阀芯行程的参数化模型，并根据实际参数计算过流面积和水力直径随行程的变化数据，嵌入到主阀的仿真模型中；
所述液压缸及其内缓冲子系统包括：
差动式液压缸模块：由活塞、活塞杆、活塞两端柱塞、液压缸缸壁组合搭建液压缸的精确仿真模型，通过读取拟合的分合闸负载曲线在液压缸端部设置负载子模型；
缸内缓冲参数化模型模块：对同一型式柱塞的结构参数化建模；以及对不同型式柱塞的方案参数化建模，缓冲柱塞的结构参数包括柱塞长度、直径、柱塞与缓冲孔配合的初始间隙、台阶数量、各台阶长度、配合间隙，缓冲柱塞的方案参数化模型包括台阶形柱塞、圆柱形柱塞、圆锥形柱塞、抛物线形柱塞和短笛形柱塞；
所述管道子系统包括：
沿程压力损失模型模块：根据每一条管道的长度、直径计算管道的容性、阻性和惯性效应，然后选择满足要求的最简单的管道模型，以避免模型过于复杂对系统造成不良影响；
局部压力损失模型模块：在管道发生流道突变的位置，选用合适的局部损失模型来连接整个管道系统。
一种特高压断路器用液压操动机构的仿真方法，其特征在于，基于流体力学相关的基本理论建模和机械动力学相关的基本理论建模，其中流体力学理论以实际不可压缩流体总流的伯努利方程为基础，
其中ρ为液体密度，g为重力加速度，P1、P2为沿程两点的压力，z1、z2为沿程两点的绝对高度，v1、v2为沿程两点液体的断面平均流速，hf为单位重量流体沿总流机械能损失的平均值，α1、α2为相应的动能修正系数，其表达式为：
Δu为实际流速和断面平均流速的差值，A为过流断面的面积；
上述实际不可压缩流体总流的伯努利方程表示系统中压力能、动能、势能和损失能之间的转化关系，在实际系统建模中只需根据具体要求选用合适的数学模型和元件模拟对应的能量项即可，具体来说，压力能对应蓄能器内和管道内的液体压力能，动能对应管道内液体流动以及液体所驱动的活塞运动动能，势能对应不同布置高度处元件内的液体重力势能，在系统结构紧凑、工作压力高的情况下可忽略重力势能，损失能对应液体在管道内流动的沿程压力损失和液体流经弯管、阀门的局部压力损失；
系统中能量集中和能量转换剧烈的元件是液压缸，活塞在缸内的运动是一维有阻尼受迫运动，其运动微分方程为：
其中mA为活塞质量，c1和c2为粘性阻尼系数，f0为库伦摩擦力，F(t)为阀芯两端液体压力形成的驱动力；
包括以下步骤：
步骤1，进行参数确立：包括需要用户输入的系统工况参数和仿真计算所需的模型特征参数，其中，需要用户输入的系统工况参数属于计算所需的基本工况参数，决定着系统的工作环境、系统响应速度和结果响应趋势；仿真计算所需的模型特征参数为具体位置处的计算设置，包括蓄能器的精确结构参数、控制阀的阻尼和开口度参数、液压缸和缓冲柱塞的具体结构参数、管道的结构参数；
所述需要用户输入的系统工况参数具体包括，系统工作压力P0，液压缸行程L0和直径D0，缓冲孔直径d和缓冲长度L，蓄能器的容积V1、直径D1和预冲压P1，这些参数决定系统工作的基本形式以及重要特性数据的变化趋势和转折点；
仿真计算所需的模型特征参数是根据第一类基本参数自动计算出的，具体包括：
参数组一：蓄能器活塞初始位置计算模块根据用户设定的系统工作压力P0、预充压P1、蓄能器容积V1进行蓄能器活塞初始位置参数计算，具体计算过程如下
P1V1 n＝P0V0 n，n为指数，在蓄能器大量供油时为绝热状态，n取值为1.4
参数组二：控制阀的相关参数模块根据用户设定的阀芯行程l0和阀芯质量单元的初始参考坐标x0进行阀芯运动的极限位置x1和x2的设定，根据阀芯质量单元的初始参考坐标x0进行阀芯在初始状态时的开口度a0的设定，根据阀体直径D和阀芯质量单元的初始参考坐标x0进行阀芯在初始状态时各级阀的控制腔长度l的设定，根据主阀阀芯的通径d0、阀芯行程l0以及阀套的锥形沉割槽和阀芯的倒角的特征参数a、α、b、β进行主阀非标准阀口参数化模型的计算；
各级阀阀口过流的流量方程如下，
其中i取值为[1,2,3……]代表不同的控制阀，Qi为阀口流量，Ai为阀口过流面积，Cdi为阀口流量系数，ΔPi＝(Pi-Pi+1)为阀口过流前后压差，ρ为油液密度；
参数组三：液压缸的相关参数模块根据用户设定的负载机构各构件的质量进行归结到活塞上的当量质量m的计算，计算公式如下
其中mA为活塞本身的质量，mB、mC为运动构件中各节点的质量；
液压缸缓冲柱塞的结构参数，具体可分为圆柱型、圆锥型、阶梯型和抛物线型四种结构，在柱塞进入缓冲孔后的缝隙节流阶段，四种结构柱塞的节流方程分别为
其中Qf1、Qf2、Qf3、Qf4分别为圆柱型、圆锥型、阶梯型和抛物线型四种型式缓冲的流量，d为缓冲孔直径，p为过流口前后压差，δ为柱塞与缓冲孔之间的间隙，对于圆柱型柱塞δ为均匀间隙，对于圆锥型柱塞为δ1最小间隙、δ为最大间隙，对于阶梯型柱塞δi为各级阶梯与缓冲孔之间的间隙，对于抛物线型柱塞δ为柱塞与缓冲孔的最小间隙，μ为液体的动力粘度，v为柱塞的运动速度，x为柱塞的位移，l0′为计算开始时柱塞距离缓冲孔的距离，l′为缓冲柱塞的总长度，li为各级阶梯的长度；
参数组四：管道的参数模块根据用户设定的实际结构的管道内径D′和长度L′，进行长细比Aratio和粘性影响Ndiss度这两个参数的计算，计算公式如下
其中μ为液体的动力粘度，a′为音速，根据这两个参数的计算结果进行管道模型的详细选择和搭建；
步骤2，参数确定后，进行仿真模型搭建和计算，根据理论建模和参数确立的结果，在仿真平台中进行系统综合计算模型的搭建，采用最基本的单元进行复杂模型的组装，然后运用合适的管道模型将各元件连接在一起，再进行具体参数的精确设置，然后进行特定工况下系统综合特性的仿真计算；
步骤3，结果输出，计算完毕后，可根据需要输出系统的重要特性数据，包括控制阀阀芯的位移、速度，电磁铁的电流和铁芯位移，典型管道中的脉动压力，液压缸活塞的位移、速度、加速度，液压缸缓冲腔内的冲击压力、控制阀阀芯上的冲击压力，通过这些特征数据可预测系统的工作特性并能够发现可能存在的运行问题和故障。
在上述的一种特高压断路器用液压操动机构的仿真平台方法，所述参数组二的设定中：主阀非标准阀口参数化模型的计算基于经过参数化设计的主阀阀口过流面积和水力直径随阀口开度的计算模型，公式如下：
阀口开度x′的分段模型为：
最终计算得到的阀口过流面积S随阀口开度的变化为：
阀口过流水力直径随Dh随阀口开度的变化为：
上述参数化模型中：a，α，b，β分别为阀套的锥形沉割槽和阀芯的倒角的特征参数；x为用于数据交互的阀口开度状态变量；d0为主阀阀芯的通径，L0为阀芯行程。
因此，本发明具有如下优点：1、能充分考虑复杂大功率液压操动机构中各元件的协同作用，将各关键元件进行特征提取并进行精确建模，同时能针对故障频发的液压缸缓冲模块，进行结构参数化建模和功能参数化建模，大大提高了建模的效率，并较真实地模拟实际复杂工况，确保仿真结果更接近实际情形，这样就能对液压操动机构的综合性能进行准确评价；2、应用范围广泛，可用于超高压及特高压断路器中的液压操动机构的性能分析和综合评价，仿真建模思路和问题处理方法亦可用于其它型式的操动机构；3、采用本发明可显著缩短产品的研发设计周期，如在液压操动机构研发设计的初始阶段即可应用本发明来模拟高速液压缸在缓冲制动时的运动和压力特性，可提前发现问题进行结构和功能改进，从而可极大地节省试验成本、避免试验的盲目性，同时本发明还具有现有试验技术所不具备的优点，能够协助完善试验测试方案，本发明具有很强的实用性。
附图说明
图1为液压操动机构仿真平台总体构成图。
图2为AMESim仿真模型搭建及计算流程。
图3为电磁铁动态出力特性计算流程。
图4为主阀非标准阀口参数化模型。
图5为主阀阀口过流面积随开度变化的特征数据曲线。
图6为主阀阀口过流水力直径随开度变化的特征数据曲线。
图7为三级控制阀的位移响应曲线。
图8a为经过参数化设计的阶梯型柱塞模型。
图8b为经过参数化设计的圆柱型、圆锥型和抛物线型柱塞模型。
图9为实施例中的液压缸活塞运动特性曲线。
图10为实施例中的液压缸缓冲压力特性曲线。
图11为实施例中的不同缓冲方案速度特性对比曲线。
图12为实施例中的不同缓冲方案压力特性对比曲线。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
图1为液压操动机构仿真平台的总体构成图，该平台由4个子系统组成，包括：储能系统、控制阀系统、液压缸及其内缓冲系统和管道系统。其中储能子系统用于保持系统正常工作所需的压力，为系统工作提供源源不断的动力；控制阀子系统用于切换系统工作状态、控制液压缸活塞杆的运动方向，并保证系统的快速高效响应；液压缸及其内缓冲子系统用于建立系统工作时的负载条件，在满足系统工作所需速度要求的基础上，减轻活塞对缓冲套和液压缸缸壁的冲击。
对复杂的液压操动机构进行建模必须遵循科学先进的设计思路，即“理论建模-参数确立-仿真模型搭建和计算-结果输出”，。首先根据所研究的液压操动机构的基本特征，以流体力学和机械动力学的相关理论为基础，建立系统中各元件的液压传动基本运动方程和流量方程；在理论分析的基础上，初步确立仿真所需重要参数的取值范围；然后根据理论模型和参数的特征进行仿真元件的选取和模型的搭建；通过计算得到所需的结果，结合设计要求对结果进行分析评价，找到系统存在的问题，然后提出针对性的解决方案，最终实现操动机构整体的性能优化。具体说明如下：
一、首先介绍本发明所使用到的基本模型。
本发明所采用的理论建模包括流体力学相关的基本理论建模和机械动力学相关的基本理论建模，其中流体力学理论以实际不可压缩流体总流的伯努利方程为基础，
其中ρ为液体密度，g为重力加速度，P1、P2为沿程两点的压力，z1、z2为沿程两点的绝对高度，v1、v2为沿程两点液体的断面平均流速，hf为单位重量流体沿总流机械能损失的平均值，α1、α2为相应的动能修正系数，其表达式为
Δu为实际流速和断面平均流速的差值，A为过流断面的面积。
上述实际不可压缩流体总流的伯努利方程表示系统中压力能、动能、势能和损失能之间的转化关系，在实际系统建模中只需根据具体要求选用合适的数学模型和元件模拟对应的能量项即可，具体来说，压力能对应蓄能器内和管道内的液体压力能，动能对应管道内液体流动以及液体所驱动的活塞运动动能，势能对应不同布置高度处元件内的液体重力势能，在系统结构紧凑、工作压力高的情况下可忽略重力势能，损失能对应液体在管道内流动的沿程压力损失和液体流经弯管、阀门等的局部压力损失。
系统中能量集中和能量转换剧烈的元件是液压缸，活塞在缸内的运动是一维有阻尼受迫运动，其运动微分方程为
其中m为活塞质量，c1和c2为粘性阻尼系数，f0为库伦摩擦力，F(t)为阀芯两端液体压力形成的驱动力。
控制阀阀芯的运动方程与活塞的类似，都是考虑各种阻尼的在阀芯两端压力作用下的一维非线性运动。
二、下面介绍给予上述模型，本发明的具体操作方法。
步骤1，进行参数确立：包括需要用户输入的系统工况参数和仿真计算所需的模型特征参数两大类。第一类参数属于计算所需的基本工况参数，决定着系统的工作环境、结果响应趋势等；第二类参数为具体位置处的计算设置，包括蓄能器的具体参数、控制阀的阻尼和开口度参数、缓冲柱塞的具体结构参数等。
第一类参数具体包括，系统工作压力P0(实施例取值为32.6MPa)，液压缸行程L0(实施例取值为230mm)和直径D0(实施例取值为90mm)，缓冲孔直径d(实施例取值为50mm)和缓冲长度L(实施例取值为85mm)，蓄能器的容积V1(实施例取值为37.5L)、直径D1(实施例取值为200mm)和预冲压P1(实施例取值为21.5MPa)，这些参数决定系统工作的基本形式以及重要特性数据的变化趋势和转折点等。
第二类参数是根据第一类基本参数自动计算出的，具体包括：
(a)蓄能器活塞初始位置参数，根据气体状态平衡方程来计算蓄能器到达系统工作压力P0时气体的体积V0，再根据提供的基本参数即蓄能器直径D1来计算内部气体和液体空间分别占据的长度l1和l2，具体计算过程如下，实施例中计算得到的长度l1为787.2mm，l2为406.6mm
P1V1 n＝P0V0 n，n为指数，在蓄能器大量供油时为绝热状态，n取值为1.4
(b)控制阀的相关参数：各级阀芯的粘性阻尼系数c1和c2根据控制阀过流量大小分别设置，阀芯运动的极限位置x1和x2根据阀芯行程l0和阀芯质量单元的初始参考坐标x0进行设置，阀芯在初始状态时的开口度a0根据阀芯质量单元的初始参考坐标x0进行设置，阀芯在初始状态时各级阀的控制腔长度l根据阀体直径D和阀芯质量单元的初始参考坐标x0进行设置。
各级阀阀口过流的流量方程如下，
其中i取值为[1,2,3……]代表不同的控制阀，Qi为阀口流量，Ai为阀口过流面积，Cdi为阀口流量系数，ΔPi＝(Pi-Pi+1)为阀口过流前后压差，ρ为油液密度。
(c)液压缸的相关参数：系统所驱动的运动构件归结到活塞上的当量质量m，计算如下
其中mA为活塞本身的质量，mB、mC等为运动构件中各节点的质量，实施例中计算得到的当量质量为150kg。
液压缸缓冲柱塞的结构参数，具体可分为圆柱型、圆锥型、阶梯型和抛物线型四种结构，在柱塞进入缓冲孔后的缝隙节流阶段，四种结构柱塞的节流方程分别为
其中Qf1、Qf2、Qf3、Qf4分别为四种型式缓冲的流量，d为缓冲孔直径，p为过流口前后压差，δ为柱塞与缓冲孔之间的间隙(对于圆柱型柱塞δ为均匀间隙，对于圆锥型柱塞为δ1最小间隙、δ为最大间隙，对于阶梯型柱塞δi为各级阶梯与缓冲孔之间的间隙，对于抛物线型柱塞δ为柱塞与缓冲孔的最小间隙)，μ为液体的动力粘度，v为柱塞的运动速度，x为柱塞的位移，l0为计算开始时柱塞距离缓冲孔的距离，l为缓冲柱塞的总长度，li为各级阶梯的长度。
(d)管道的参数，根据实际结构的管道内径D和长度L，计算出长细比Aratio和粘性影响Ndiss度两个参数如下，
其中μ为液体的动力粘度，a为音速取值为340m/s，根据这两个参数的计算结果进行管道模型的详细选择和搭建。实施例中采用的管道数学模型为HL000、HL01、HL03、HL07、HL09、HL12、HL040、HL042、HLG0022。
步骤2，参数确定后，进行仿真模型搭建和计算，根据理论建模和参数确立的结果，在仿真平台中进行系统综合计算模型的搭建，采用最基本的单元(如AMESim中的piston单元)进行复杂模型的组装，然后运用合适的管道模型(如AMESim中的HL01单元)将各元件连接在一起，再进行具体参数的精确设置，然后进行特定工况下系统综合特性的仿真计算。
步骤3，结果输出。计算完毕后，可根据需要输出系统的重要特性数据，包括控制阀阀芯的位移、速度，电磁铁的电流和铁芯位移，典型管道中的脉动压力，液压缸活塞的位移、速度、加速度，液压缸缓冲腔内的冲击压力等，通过这些特征数据可预测系统的工作特性并能够发现可能存在的运行问题和故障。
图2为AMESim仿真模型的计算流程图，本发明依循该计算流程，进行仿真平台主体模型的建立。首先是进行物理模型功能分析，包括对控制阀的结构型式、过流方式进行分析，对液压缸内活塞结构和功能进行分析，对缸内缓冲套的布置及可调的2mm配合间隙的功能进行分析，对复杂管道系统的配置方式和功能进行分析并去除不必要管道的影响等。在进行模型基本功能和结构分析的基础上，合理选择液压元件设计库中的单元进行系统框架的搭建，在此要注意保留与外部数据交互的接口，包括液压缸负载、电磁铁动态出力、主阀非标准阀口的过流特性，这些接口通过特定格式的数据文件实现复杂元件的功能。然后进行所搭建模型中元件数学模型的分配，分配的基本原则是在满足其具体功能的前提下优先选择最简单的数学模型。再根据理论分析确立的基本参数进行元件关键参数的设置，这些关键参数包括三级阀阀芯的行程、阀芯初始开口度、粘性摩擦力、阀芯复位弹簧刚度和阻尼等。然后进行求解器的设置，选用动态标准积分求解器，仿真总时间为0.05s，打印输出间隔为10-6s。计算完成后，运用“Post processing”和“Experiment”等模块进行重要特性的结果对比分析，包括三级控制阀阀芯的动作特性、液压缸内缓冲压力特性、活塞杆的运动特性和管道压力波动特性，如果发现某项指标不符合设计要求或者超过试验数据很多，则返回上一级重新进行草图搭建、数学模型选择和参数设置，以保证所关心的结果符合要求，最终将所需数据结果进行输出。
图3为电磁铁动态出力特性的计算流程，是对图2中提及的与外部数据交互接口的电磁铁动态出力部分的进一步说明。根据所分析电磁铁的基本参数，包括铁芯材料、线圈电阻、线圈匝数、初始气隙、最大行程、工作电压等，运用电磁场仿真软件(如Ansoft/Maxwell)进行其动态出力特性的计算，得到电磁铁磁通和电磁力随气隙和安匝数的变化，然后将特性数据制作成二维ASCII数据文件，通过预留的接口导入AMESim电磁铁模型中。
图4为主阀非标准阀口参数化建模流程，是对图2中提及的与外部数据交互接口的主阀非标准阀口过流特性的进一步说明。图4(a)所示阀套上特征参数为(b，β)的锥形沉割槽与阀芯上特征参数为(a，α)的倒角之间形成阀口，其过流面为一截顶圆锥的侧面，x3为阀芯行程，-x0为阀芯动作前的负开口度，则开口度x为x3-x0。随着阀芯的动作，阀口过流状态会发生从(a)～(f)的改变，按照最小过流面积的原则，推导得到阀口过流面积和水力直径随阀口开度的参数化模型如下：
阀口开度x的分段模型如下：
最终计算得到的阀口过流面积S随阀口开度的变化如下：
阀口过流水力直径随Dh随阀口开度的变化如下：
通过图4所示的计算流程，建立了主阀非标准阀口的过流面积和水力直径随阀口开度的参数化模型，根据实际结构尺寸，输入a、α、b、β即可得到阀口的过流特性，然后将其嵌入到系统仿真平台中即可。
下面通过具体实例来说明上述公式的具体取值情况及计算结果。在该实例中，输入参数a＝1mm，α＝15°，b＝2mm，β＝45°，主阀阀芯的通径d0＝54mm，阀芯行程L0＝20.4mm，通过编程计算得到主阀过流面积和水力直径随阀口开度的变化数据，将其制作成AMESim规定格式的二维数据表嵌入到系统仿真平台中，图5和图6分别为主阀过流面积和水力直径随阀口开度的变化趋势图。进行初步计算后，得到三级控制阀的响应如图7所示，可判断控制阀系统是否能够实现预期的功能，包括主阀的响应是否足够迅速、一级阀和二级阀在动作完成后是否能自动复位，通过读取的信息与设计标准的对比，判断控制阀的设计是否满足要求。
图8a和图8b为缓冲柱塞的四种参数化模型。本发明将常用的几种结构型式的缓冲柱塞进行参数化建模，对不同结构的柱塞关键参数进行提取，在“Global parameter”中设置“Real parameter”和“Text parameter”对变量进行参数化，模拟缓冲过程的渐变阀口节流过程。需要参数化的变量包括柱塞长度L、柱塞基准直径即缓冲孔直径d、初始间隙δ0、阶梯型柱塞的阶梯数量n、各阶梯的长度Li和间隙δi。
在具体实施例中，阶梯型柱塞的总长L＝85mm，柱塞基准直径d＝55mm，初始间隙δ0＝0.8mm，阶梯数量n＝9，各阶梯的长度分别为Li＝(5，12，12，10，10，10，10，8，8)mm，各级阶梯与缓冲孔的间隙分别为δi＝(0.8，0.75，0.7，0.6，0.5，0.375，0.24，0.18，0.1)mm。通过这些参数的初始化，便可实现特定结构的阶梯型柱塞的缓冲。具体结果见图9和图10所示，可从活塞缓冲制动过程的位移、速度曲线以及液压缸内的缓冲压力曲线中，获得系统工作过程中的特殊位置点和重要信息，通过这些关键点来判断其是否符合设计要求。这些关键点和重要信息主要包括分闸位置点A(操动机构所驱动的动触头刚和静触头分离的点)，用以读取系统的分闸时间，并用于计算分闸速度；最高速度点B，用于读取活塞动作的最高速度；缓冲末速度点C，用于读取活塞在制动即将结束时与缓冲套碰撞瞬间的速度。
此外，本发明所具有的对“同一型式柱塞不同结构参数进行优化”和“不同型式柱塞多种缓冲方案进行优化”的功能，在具体实施例中，通过“Real parameter”和“Textparameter”的相应设置和调用，并运用“Batch simulation”强大的参数分析能力来实现。例如在具体实施例中，如图11和图12所示，在保证缓冲柱塞长度L、柱塞基准直径即缓冲孔直径d、初始间隙δ0相同的前提下，对阶梯型、圆柱型、圆锥型、抛物线型柱塞的缓冲效果进行对比，提取缓冲最高压力和缓冲末速度这两个“关键参数点”进行对比，可明显发现圆锥型和抛物线型柱塞的缓冲效果优秀，其中圆锥型柱塞的综合效果最优，最高缓冲压力仅为58.1MPa，缓冲末速度仅为0.7m/s。在不同型式柱塞的缓冲效果择优之后，可根据图2所示的流程进一步对结构优化，以使系统实现最佳功能，这里不再赘述。
需要指出的是，在某些情形下可以对本发明实施例中的计算流程进行简化调整或变形处理。例如，在已保证所建立的液压操动机构仿真模型精度较高和安全可靠的前提下，可省略“性能评价”和“性能优化”设计流程，直接通过仿真结果来指导产品设计。
此外，本发明中对高速大流量控制阀的参数化建模并嵌入系统仿真模型的设计思路，其应用不局限于具体实施例中说明的具有锥形沉割槽和倒角的圆柱滑阀中，该参数化模型和设计思路同样适用于其它特殊结构型式的液压控制阀，如非标准锥阀、具有环形沉割槽的控制阀等。
高速液压缸缓冲中的“结构参数化建模”和“方案参数化建模”设计思路，其应用不局限于具体实施例中的阶梯型、圆柱型、圆锥型、抛物线型缓冲柱塞，其它任意结构的机械式缓冲结构都适用于本发明的设计思路，如短笛型柱塞、非标准带小孔的圆锥型柱塞等。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (3)
1.一种特高压断路器用液压操动机构的仿真平台系统，其特征在于，包括四个子系统，即：
储能子系统：用于保持系统正常工作所需的压力，为系统工作提供动力；
控制阀子系统：用于切换系统工作状态、控制液压缸活塞杆的运动方向，并保证系统的快速高效响应；
液压缸及其内缓冲子系统：用于建立系统工作时的负载条件，在满足系统工作所需速度要求的基础上，减轻活塞对缓冲套和液压缸缸壁的冲击；
管道子系统：用于连接液压操动机构中的各元件，为液压缸、控制阀的动作供油，并提供泄压至油箱的回路；
其中，
所述储能子系统包括：
蓄能器活塞初始位置计算模块：由蓄能器预冲压、系统要求工作压力和蓄能器体积三个参数，根据气体状态平衡方程来计算蓄能器活塞的初始位置；
蓄能器搭建模块：据活塞式蓄能器的特点，考虑活塞的惯性和局部细节特征，运用最基本的活塞单元组建蓄能器的计算模型，避免造成蓄能器模型与实际不符的缺陷；
充压装置模块：考虑到系统工作时蓄能器所提供的压力必定会有一定程度的降低，需要设置充压装置，以保证蓄能器的压力保持在一定范围内；所述控制阀子系统包括：
电磁先导阀模块：一个分闸电磁先导阀和一个合闸电磁先导阀，先导阀又由电磁铁和锥阀组成，采用电磁场仿真模块，根据电磁铁的特征参数计算电磁铁动态出力特性，将特征数据导入到液压系统仿真软件中共同搭建电磁先导阀的模型；
放大阀模块：一个分闸放大阀和一个合闸放大阀，放大阀和先导阀之间设置直径为0.8mm的节流短管，用以组建压力保持回路；
主阀模块：一个与分合闸共用的大流量滑阀，考虑滑阀阀口的非标准特性，建立阀口过流随阀芯行程的参数化模型，并根据实际参数计算过流面积和水力直径随行程的变化数据，嵌入到主阀的仿真模型中；
所述液压缸及其内缓冲子系统包括：
差动式液压缸模块：由活塞、活塞杆、活塞两端柱塞、液压缸缸壁组合搭建液压缸的精确仿真模型，通过读取拟合的分合闸负载曲线在液压缸端部设置负载子模型；
缸内缓冲参数化模型模块：对同一型式柱塞的结构参数化建模；以及对不同型式柱塞的方案参数化建模，缓冲柱塞的结构参数包括柱塞长度、直径、柱塞与缓冲孔配合的初始间隙、台阶数量、各台阶长度、配合间隙，缓冲柱塞的方案参数化模型包括台阶形柱塞、圆柱形柱塞、圆锥形柱塞、抛物线形柱塞和短笛形柱塞；
所述管道子系统包括：
沿程压力损失模型模块：根据每一条管道的长度、直径计算管道的容性、阻性和惯性效应，然后选择满足要求的最简单的管道模型，以避免模型过于复杂对系统造成不良影响；
局部压力损失模型模块：在管道发生流道突变的位置，选用合适的局部损失模型来连接整个管道系统。
2.一种特高压断路器用液压操动机构的仿真方法，其特征在于，基于流体力学相关的基本理论建模和机械动力学相关的基本理论建模，其中流体力学理论以实际不可压缩流体总流的伯努利方程为基础，
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其中ρ为液体密度，g为重力加速度，P1、P2为沿程两点的压力，z1、z2为沿程两点的绝对高度，v1、v2为沿程两点液体的断面平均流速，hf为单位重量流体沿总流机械能损失的平均值，α1、α2为相应的动能修正系数，其表达式为：
Δu为实际流速和断面平均流速的差值，A为过流断面的面积；
上述实际不可压缩流体总流的伯努利方程表示系统中压力能、动能、势能和损失能之间的转化关系，在实际系统建模中只需根据具体要求选用合适的数学模型和元件模拟对应的能量项即可，具体来说，压力能对应蓄能器内和管道内的液体压力能，动能对应管道内液体流动以及液体所驱动的活塞运动动能，势能对应不同布置高度处元件内的液体重力势能，在系统结构紧凑、工作压力高的情况下可忽略重力势能，损失能对应液体在管道内流动的沿程压力损失和液体流经弯管、阀门的局部压力损失；
系统中能量集中和能量转换剧烈的元件是液压缸，活塞在缸内的运动是一维有阻尼受迫运动，其运动微分方程为：
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其中mA为活塞质量，c1和c2为粘性阻尼系数，f0为库伦摩擦力，F(t)为阀芯两端液体压力形成的驱动力；
包括以下步骤：
步骤1，进行参数确立：包括需要用户输入的系统工况参数和仿真计算所需的模型特征参数，其中，需要用户输入的系统工况参数属于计算所需的基本工况参数，决定着系统的工作环境、系统响应速度和结果响应趋势；仿真计算所需的模型特征参数为具体位置处的计算设置，包括蓄能器的精确结构参数、控制阀的阻尼和开口度参数、液压缸和缓冲柱塞的具体结构参数、管道的结构参数；
所述需要用户输入的系统工况参数具体包括，系统工作压力P0，液压缸行程L0和直径D0，缓冲孔直径d和缓冲长度L，蓄能器的容积V1、直径D1和预冲压P1，这些参数决定系统工作的基本形式以及重要特性数据的变化趋势和转折点；
仿真计算所需的模型特征参数是根据第一类基本参数自动计算出的，具体包括：
参数组一：蓄能器活塞初始位置计算模块根据用户设定的系统工作压力P0、预充压P1、蓄能器容积V1进行蓄能器活塞初始位置参数计算，具体计算过程如下
P1V1 n＝P0V0 n，n为指数，在蓄能器大量供油时为绝热状态，n取值为1.4
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系统工作时蓄能器容积为V0，蓄能器活塞初始距离为l1，蓄能器活塞移动距离为l2；
参数组二：控制阀的相关参数模块根据用户设定的阀芯行程l0和阀芯质量单元的初始参考坐标x0进行阀芯运动的极限位置x1和x2的设定，根据阀芯质量单元的初始参考坐标x0进行阀芯在初始状态时的开口度a0的设定，根据阀体直径D和阀芯质量单元的初始参考坐标x0进行阀芯在初始状态时各级阀的控制腔长度l的设定，根据主阀阀芯的通径d0、阀芯行程l0以及阀套的锥形沉割槽和阀芯的倒角的特征参数a、α、b、β进行主阀非标准阀口参数化模型的计算；
各级阀阀口过流的流量方程如下，
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其中i取值为[1,2,3……]代表不同的控制阀，Qi为阀口流量，Ai为阀口过流面积，Cdi为阀口流量系数，ΔPi＝(Pi-Pi+1)为阀口过流前后压差，ρ为油液密度；
参数组三：液压缸的相关参数模块根据用户设定的负载机构各构件的质量进行归结到活塞上的当量质量m的计算，计算公式如下
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其中mA为活塞本身的质量，mB、mC为运动构件中各节点的质量；
液压缸缓冲柱塞的结构参数，具体可分为圆柱型、圆锥型、阶梯型和抛物线型四种结构，在柱塞进入缓冲孔后的缝隙节流阶段，四种结构柱塞的节流方程分别为
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其中Qf1、Qf2、Qf3、Qf4分别为圆柱型、圆锥型、阶梯型和抛物线型四种型式缓冲的流量，d为缓冲孔直径，p为过流口前后压差，δ为柱塞与缓冲孔之间的间隙，对于圆柱型柱塞δ为均匀间隙，对于圆锥型柱塞为δ1最小间隙、δ为最大间隙，对于阶梯型柱塞δi为各级阶梯与缓冲孔之间的间隙，对于抛物线型柱塞δ为柱塞与缓冲孔的最小间隙，μ为液体的动力粘度，v为柱塞的运动速度，x为柱塞的位移，l′0为计算开始时柱塞距离缓冲孔的距离，l′为缓冲柱塞的总长度，li为各级阶梯的长度；
参数组四：管道的参数模块根据用户设定的实际结构的管道内径D′和长度L′，进行长细比Aratio和粘性影响Ndiss度这两个参数的计算，计算公式如下
<mfenced open = "" close = "">
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其中μ为液体的动力粘度，a′为音速，根据这两个参数的计算结果进行管道模型的详细选择和搭建；
步骤2，参数确定后，进行仿真模型搭建和计算，根据理论建模和参数确立的结果，在仿真平台中进行系统综合计算模型的搭建，采用最基本的单元进行复杂模型的组装，然后运用合适的管道模型将各元件连接在一起，再进行具体参数的精确设置，然后进行特定工况下系统综合特性的仿真计算；
步骤3，结果输出，计算完毕后，可根据需要输出系统的重要特性数据，包括控制阀阀芯的位移、速度，电磁铁的电流和铁芯位移，典型管道中的脉动压力，液压缸活塞的位移、速度、加速度，液压缸缓冲腔内的冲击压力、控制阀阀芯上的冲击压力，通过这些特征数据可预测系统的工作特性并能够发现可能存在的运行问题和故障。
3.根据权利要求2所述的一种特高压断路器用液压操动机构的仿真方法，其特征在于，所述参数组二的设定中：主阀非标准阀口参数化模型的计算基于经过参数化设计的主阀阀口过流面积和水力直径随阀口开度的计算模型，公式如下：
阀口开度x′的分段模型为：
<mfenced open = "{" close = "">
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最终计算得到的阀口过流面积S随阀口开度的变化为：
阀口过流水力直径随Dh随阀口开度的变化为：
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上述参数化模型中：a，α，b，β分别为阀套的锥形沉割槽和阀芯的倒角的特征参数；x为用于数据交互的阀口开度状态变量；d0为主阀阀芯的通径，L0为阀芯行程。
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