CN88101589A - 控制电力断路器的差动液压柱塞缸 - Google Patents

Abstract

用于控制电力断路器的差动柱塞缸的活塞，它与缸体的内表面的配合关系中无任何形式的密封环。缸活塞机械地与一个阀协同作用，用以在活塞处于相当于电力断路器跳闸行程末尾位置时，确保主室的供/排液孔口连续密封关闭。柱塞缸的缸体以铸件形式构成，该铸件具有一个不需要任何精密加工(例如抛光或研磨)的圆筒形内表面。

Description

此项发明是有关一种用来控制电力断路器的差动液压柱塞缸（jack）;此类柱塞缸中，缸体的内表面与外露的活塞杆的外表面限定一个环状室，它始终与一个高压液流源相连。

液压柱塞缸的露出的活塞杆与断路器的动触头相连。在缸体主室端部所形成的供/排液孔口，可选为与上述的高压液流源相连接（“供液”位置），以便推回活塞;或者选为与一个低压槽相连（“排液”位置），以使活塞在维持于环形室内的高压强P的作用下退回到其初始位置。

第一个动作引起活塞杆的向外移动，使得断路器移向接合或合闸位置;第二个动作引起活塞杆向内移动，使之进入缸内，这使断路器移向非接合或断开位置。

上述这类差动柱塞缸中的液压断路器控制系统是众所周知的，例如在法国专利第2，317，532号（或美国专利第4，026，523号）中已有描述。

为这种应用而做的差动柱塞缸设计，增加了在结构上的困难，特别因为它们尽管在量级为300巴至400巴这一相当高的液压强P与每秒10米至15米量级的高速下，在相当长的时期内须保证恒定而绝对地密封。正如在上文引证的先有专利中所示出的那样，这些缸体都必须于活塞杆的通道设置第一道密封，活塞杆由缸体的端部伸出;在活塞上还必须设置第二道密封。

从取得绝对密封的观点来看，构制第一道密封相对是容易的。这道密封实际上是静止的，从而寻求一种经研磨抛光之后不磨损密封的活塞杆是一件简单的事。进一步讲，固体活塞杆在压力的作用下其直径不会改变，该处的密封事实上也不会承受压力的变化，因为该环状室中总是受到由油存储罐维持的恒定油压P的作用，压力油存储罐构成压力液流源。

所考虑的第二道密封，或换言之在活塞与缸体之间形成不漏的密封的密封环，则不得不承受要困难得多的运行工况。

以上所述的安装在活塞上的密封环，需经受以下的不利因素：

-该密封环为可移动的，且需承受很大的加速度和冲击力，其原因在于其动作是在小于百分之几秒的非常短的时间间隔内发生的;

-上述的密封环需承受在合闸与跳闸位置之间显著的压力变动;

-缸体在（量级为300至400巴）的压力作用下发生膨胀;

-缸体的内表面必须精密研磨、抛光，以维护密封环的完好;

-最后，在一次跳闸位移的末尾，密封环可能要承受相当大的过载压强（数千巴），如若不采取某些预防措施，密封环的强度易受到损害，而这些预防措施却使得结构上的复杂性随之而生。

至今，所能制造出的可令人满意的活塞的密封环只能是结构比较复杂，而且价格昂贵（对此，业已提交了大量专利）。人们乐于使用的一种谓之“弹簧加载密封”，它是由一个或一些弹性材料做成的环经一个弹簧使其维持被压缩状态而构成的。这种弹簧加载密封的一个示例由上文引证过的先有专利中的图2表示。在任何情况之下，这种类型的活塞密封件只能与一个经过精细抛光过的圆筒表面相配合。

除了在设计活塞密封或密封环结构以及为使缸体表面达到所需要的状态时所遇到的困难之外，差动柱塞缸还承受着更大的不利因素;即必须要采取措施，制出一个大截面的导管或通道，以使在主室与柱塞缸环状室之间允许在高流量下进行快速的传输。实际上，断路器的合闸与跳闸动作（或换言之，该柱塞缸活塞的往返冲程）应是发生在量级为百分之几秒的相当短的时间内，这就需要避免因较低流量的油循环所引起的任何制动作用。

直到目前，这种大截面传输通道在大多数情况下是由包围在柱塞缸体外的壳体构成，在柱塞缸与外壳体之间的环形空间形成了上述的通道。这类使得差动柱塞缸的结构更趋复杂的设计的一个例子，在上文引证过的先有专利的图3中表示出来。

此项发明的目的在于克服至今已知的差动液压柱塞缸的缺点，並且通过减少元件数目，使结构更简单而经济，同时能确保甚至更高的可靠性。

在以下的说明中，“合闸冲程”一词用来代表活塞由主室端部至环状室端部的这段位移，而“跳闸冲程”一词是用来表示活塞相反方向的回程位移。

此项发明旨在对上述的那种类型的差动液压柱塞缸进行改进。在此发明中，活塞上没有提供任何形式的密封环来与柱塞缸体内表面相配合，活塞机械地与一个阀门协同作用，使得当活塞位于跳闸行程末尾位置时，确保缸体主室的供/排液孔口被连续关闭而不泄漏。

按照这种结构，活塞外圆柱面基本上是与缸体的内壁做直接金属对金属的滑动接触。由于未采用任何密封环的措施，在活塞与缸壁之间显然会发生漏油;然而，申请人业已发现，这种泄漏当活塞以一个方向或以另一个方向运动时是可忽略不计的，特别是这种运动仅延续百分之几秒就更是如此。

在“合闸”位置，在活塞两个表面的压强（P）是相等的，因此活塞的每一侧都不会有泄漏发生。

在“跳闸”位置，在活塞环状表面维持的压强P因活塞与缸体间存在泄漏的结果而作用到活塞的相对一侧，但是，这一现象通过位于跳闸冲程端部的由活塞带动下阀门的紧闭而被阻止。这样，就能在断开或“跳闸”位置时，产生防止在断路器控制系统中有不允许存在的任何连续油流的效果。

按照简单的解决办法，把此阀门刚性地固定在活塞上述的相对的侧面上，並在主室供/排液孔口的圆周位置处形成阀座。

从下文可显而易见，这个没带任何密封环的活塞结构取得了更为显著的优点;譬如，尤其是它可以按铸造的方式来设计缸体，这样只需要简单的机加工;而对于带有活塞环或密封设施的情况，这样做是行不通的。再者，缸体主室与环状室之间的大截面传输管可以直接通过铸造而成，这样大大减少了柱塞缸元件的数量。

图1是一个表示按先有技术的差动柱塞缸简图，並且已知的液压断路器控制系统在所说过的缸体中已包括进去。

图2是本发明的差动柱塞缸的剖面图。

图3和图4是表示另外两种形式的由活塞驱动的紧闭阀结构的局部视图。

图5是本发明的具有铸造缸体的差动柱塞缸的轴向剖面图。

图6是沿图5中Ⅵ-Ⅵ线剖取的剖面图。

为了对先有技术建立清楚的概念，在图1中示出了已知的差动柱塞缸型断路器控制系统的液力图。

该控制系统包括一个差动柱塞缸2，柱塞缸2具有一个油缸4、一个活塞6和一个外露的活塞杆8;活塞杆8与断路器的动触头10相连，以接通或断开断路器静触头12-12′之间的回路。图1所示的位置，是断路器“跳闸后”或断开位置（触头断开）;在该位置，活塞6靠近缸体内其下部位置。

环状的柱塞缸室14位于活塞6的上边，並围绕着活塞杆8;室14通过管道15与高压（如300到400巴）压力油存储罐18连通。在室14内的压力不停地趋向于使断路器恢复到断开位置。

在柱塞缸的主室20内，形成一个通道或孔口28，它能够借助装有一个三通阀24的供/排液管道22，通过管道22′和传输管16连到存储缸18，或通过管道25连到低压排液槽26（图1示出位置）。

该系统的运动是众所周知的，除了以下情况外没必要作其它说明;该情况是：将阀24设置在供液位置，使之在室20内的活塞6的大的表面上建立起高压强，因而使活塞克服由同样的高压强施加在其环状表面上的较小的力而向上移动，于是就使断路器动作到其合闸位置。

通过把阀门24置于排液位置（图1所示），可使断路器跳闸。在环状室14内连续维持的高压，有使活塞6向下移动的作用。由于供/排液孔口28和相联的液力部件24-25具有大的截面积，在柱塞缸主室20内容纳的油以大流量迅速排出，于是能够以百分之几秒数量级的短时间内，使断路器跳闸。

上面讨论的这种形式断路器的差动柱塞缸液压控制系统，在例如法国专利第2317532号，美国专利第4026523号中已有叙述，並在这些文件的图3中示出。

在图1所示的设计中，已知的差动柱塞缸包括一个用于活塞杆8通道的密封垫30，活塞杆通过柱塞缸的端壁32凸露出来;在活塞6上还提供一个密封环34，用来在活塞和缸体4的内表面之间形成不漏液的密封。该密封环在前面引证过的先有专利中以图2所示的弹簧加载密封形式解释过，它设计成能在所示的跳闸位置约300至400巴的压强下，保证室14完全不漏液。

附图2是本发明差动柱塞缸的剖面图，图中所有的前已叙述过的部件都以同样的参考编号表示。

从该图明显可见，在通过缸体4的螺旋密封压盖或端盖32的活塞杆8的通道设置了密封垫30，但是在柱塞缸活塞6未装设用来形成金属活塞6和金属缸体4之间不漏液密封的任何密封环。结果，活塞6的外部柱面36就能够与缸体4内表面38以实际上为金属对金属的直接滑动接触，而在这两个表面之间未设置不漏液的密封，且无需对表面38进行特别精密的机械加工。

在下表面40以下，活塞6带有一个凸出部，形成截头圆锥阀42。在跳闸冲程的末端（图2所示位置），该阀42用于在跳闸行程末端处（如图2实线所示）关闭在低压下的供/排液孔口28。

阀42适用于以密封方式与缸体的螺旋端盘46中孔口28边棱上所形成的平头圆锥状阀座44相配合。不难理解，阀座44可以加上一个由适用于阀门运行並具有一定等级硬度的零件而构成，並设置在缸体端盘46内。

在断路器合闸位置，柱塞缸的供/排液通道28，通过管道22-22′-16和在供液位置的阀24与存储缸18相连。因此，活塞6在缸内向上移动並占据图2中虚线所示的位置（图中活塞由参考号6′表示，活塞所携带的阀门用参考号42′表示）。由于在活塞的两个表面存在着相同的压强P，为了使断路器维持在合闸位置，向上施加在缸体上的力F₁为：

F₁＝P·S₁-P（S₁-S）＝P·S

其中：S₁是活塞的表面积，而S是活塞杆8的横截面面积（如通常在差动柱塞缸中惯用的一样）。

在这个位置，即断路器正常运行位置，且可能持续几周;在活塞上没有密封环不会带来任何不利影响，因为在活塞以下（在主室20内）和在活塞以上（在环状室14内）有相同的压强P。

为了使断路器跳闸，供/排液通道通过阀24连到排液槽，並且活塞在力F₂＝P（S₁-S）作用下向下冲;在活塞以下的压强P₀，至少在活塞开始加速期间基本上是大气压强。在图2中实线所示的位置（相应于跳闸冲程的末端），阀门42紧靠着其阀座44，且关闭孔口28成密封状，于是也同时决定了活塞行程停止的终端;在环状室14内连续维持的压强P就被防止通过排液通道而逸散掉，因此就没有持久的油流，这种油流通常需要一台泵（未示出）来补充存储罐18。

在环状室14内存在的压强P，可能通过活塞6和缸体之间的泄漏液流至多到达活塞6的下部表面，或换句话说到达主室20的内空间（那时为缩小的容积）。因此活塞6在其上部环状表面“S₁-S”和其下部环状表面“S₁-S₂”均受到压强P作用，其中S₂是阀42的横截面积。

为了得到足以保证阀42和其阀座间的高标准的密封度的作用力，该阀的横截面积S₂必须明显地大于活塞杆横截面积S;也就是说，例如为50%的数量级。采用在25%到100%范围内的数值已取得了良好的效果。

在断路器合闸或跳闸时活塞运动（仅持续百分之几秒）期间，在活塞和缸体之间油的泄漏是可以忽略的，这不会使柱塞缸的动作减慢。

因此很明显，不带任何密封环的活塞和由该活塞机械驱动的用于在跳闸动作的末尾关闭供/排液孔口的阀的组合，能够满足所有操作条件，並确保液压断路器控制系统的安全性。

因而，这种结构的效果不仅是免除了对难以构成的活塞密封圈的任何需要，而且也（如上边参照图2的缸体4所提到的，且参考图5和6更详细可见）免除了对缸体内部表面38进行精密加工（抛光）的需要。

尽管图2示出了一个与活塞协同工作的平头圆锥阀42，但仍可以选择任何其它形式的阀;例如一个球形阀，该阀中紧闭部件是一个球体或球体48的一部分（图3）。要不然是一个平板阀（图4），该阀由缸体的端盘46上部表面50，和紧靠此表面的在活塞6的下部表面54上加工出的环状唇部52所构成。不难理解，也可采用相反的结构，使缸体端盘上部表面56上带有该密封唇部。还可以采取措施，将环状密封垫56用合适的材料做成，使其与唇部52配合。

应注意到，即使采用平板阀，阀门关闭的紧密性也容易实现;其方法是，在活塞6的下部跳闸位置，该活塞在两个较远部位实行导向（一方面是活塞杆8的密封垫30，另一方面是活塞和缸体之间的接触）。因此，在每次操作时都会准确地重复阀的承载面的校准线。

该阀能够牢固地固定在活塞6上，或形成活塞整体的一部分，如图2和4所示。另外，该阀可以具有如图3所示一定的自由度。在图3中，半球状阀48嵌入在活塞6内形成的一个凹槽58中，並且借助一个弹性挡环60卡在此凹槽内。最后，如图3所示，可以对阀48和活塞6之间装设的弹簧62采取措施，以保证在活塞到达行程末端以前不久，该阀就紧靠在其阀座44上，以限制行程末端对阀的冲击。

最后，按照另一种变型（未作说明），阀（42或48）不再直接由活塞携带，而是可以由活塞在其行程末端通过一个部件进行驱动，例如该部件是活塞携带的一个控制杆。

应记得，在图2中与通过缸体4环状室14的孔口64连接的管道16，应该具有大的横截面积，以允许油在两个室14和20之间快速传递。

图5是本发明一个较佳实施例的剖面图，图中柱塞缸的缸体4是一个铸件，不是一个钢管。

在这个图中，其左侧部分示出活塞6在上部或闭合位置，其右部分所示为在下部或断开位置。该活塞6适于在其下表面带有一个平头圆锥状阀42。该阀用来与一个平头圆锥状阀座44配合，阀座44是在衬套46中的供/排液孔28边棱上切削而成的，衬套46构成缸体的端部。

大截面传输管道16′与形成缸体4的部件一起铸成一个整体，且因此就不再需要作为一个分开部件与环状室14的孔口64相连接。图6示出了沿图5中线Ⅵ-Ⅵ取的横剖面中铸件4内的传输管16′。

由于活塞6上没有因缸体加工不良而易遭损坏的密封环，缸体的圆筒状内表面38只需要进行简单而经济的加工，而无需研磨或抛光。

因此上述的结构使其结构设计成本大大地低于至今已知的差动柱塞缸，同时，也维持了电力断路器的控制的安全性和可靠性所必须的标准。

Claims (10)

1、一个用于电力断路器油压控制的差动液压柱塞缸，它包括一个缸体、一个活塞和一个外露的活塞杆，在缸体内该活塞杆限定了活塞一侧的环状室和活塞另一侧的主室，上述外露的活塞杆与断路器的动触头相连，上述的环状室连续地与高压液流源相连，而上述主室在缸体的相应端设有主室的供/排液孔口，其中活塞的外圆柱形表面与缸体的内表面基本上是直接金属对金属滑动的不密封接触，在上述活塞上未采用构成与油缸间密封的任何密封垫，上述活塞机械地与一个阀门协同作用，使活塞在朝上述缸体端部的返回行程末尾将上述孔口密封关闭，而缸体为一个铸件。

2、根据权利要求1的一个柱塞缸，其中构成缸体的铸件与一个通向上述柱塞缸的环状室的大截面的输送管一起铸成一个整体。

3、根据权利要求1或2的一个柱塞缸，其中铸件构成的缸体的内表面仅进行简单机械加工，未经任何抛光或研磨。

4、根据权利要求1或2的一个柱塞缸，其中上述阀的表面积S₂比上述活塞杆的横截面积S约大50%。

5、根据权利要求1的一个柱塞缸，其中的阀由活塞携带並在朝向主室的活塞主要表面的下面凸出。

6、根据权利要求1的一个柱塞缸，其中的阀刚性固定在活塞上。

7、根据权利要求1的一个柱塞缸，其中的阀用于与缸体端部内环绕着供/排液孔口的边棱所形成的阀座相配合，上述阀座形成该活塞的行程终止端。

8、根据权利要求7的一个柱塞缸，其中的阀是一个适用于与平头圆锥状阀座相配合的平头圆锥状阀。

9、根据权利要求1的一个柱塞缸，其中的阀是一个与活塞分离並卡在上述活塞中形成的凹槽内的部件。

10、根据权利要求9的一个柱塞缸，其中弹性部件装配在该阀和活塞之间。

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