斷路器三聯(lián)箱有限元強(qiáng)度分析

王向克　王茜茜　張帆　姚燦江

摘 要：以LW10B系列斷路器三聯(lián)箱為研究對(duì)象，運(yùn)用SolidWorks三維軟件對(duì)其進(jìn)行實(shí)體建模，然后利用ANSYS Workbench對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析。分析表明：利用ANSYS Workbench對(duì)斷路器三聯(lián)箱進(jìn)行強(qiáng)度分析，可以清楚地確定斷路器三聯(lián)箱變形情況，避免理論計(jì)算的復(fù)雜性，為斷路器三聯(lián)箱的改進(jìn)奠定了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：三聯(lián)箱；有限元；強(qiáng)度分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.174

0 引言

斷路器產(chǎn)品是高壓開關(guān)設(shè)備中最重要的設(shè)備之一，具有開合電路的專用滅弧裝置，不僅能通斷負(fù)荷電流，而且能接通和承受一定時(shí)間的短路電流，并能在保護(hù)裝置作用下自動(dòng)跳閘，切除短路故障。在負(fù)荷投入或轉(zhuǎn)移時(shí)，它應(yīng)該準(zhǔn)確地開合。在設(shè)備（發(fā)電機(jī)、變壓器和電動(dòng)機(jī)等）出現(xiàn)故障或母線、輸配電線路出現(xiàn)故障時(shí)，它能有選擇地動(dòng)作，保證非故障點(diǎn)的安全連續(xù)運(yùn)行，在維護(hù)電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)和可靠性運(yùn)行中發(fā)揮重要作用。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性和作用的重要性，其被廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、變電所及電力系統(tǒng)中。三聯(lián)箱是保障LW10B斷路器正常工作的樞紐，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震性是保證其正常工作的前提，如果三聯(lián)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，在工作過(guò)程中極易產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲，影響斷路器使用性能和壽命。對(duì)斷路器三聯(lián)箱進(jìn)行強(qiáng)度分析，為斷路器提高可靠性理論依據(jù)。

1 斷路器三聯(lián)箱三維模型的建立

LW10B系列斷路器，滅弧室采用變開距壓氣式結(jié)構(gòu)，雙斷口串聯(lián)形式，呈Y字形布置。由三聯(lián)箱左右兩側(cè)分別放置一個(gè)滅弧室裝置，液壓碟簧機(jī)構(gòu)通過(guò)絕緣拉桿把力傳遞給三聯(lián)箱的拐臂裝置，拐臂裝置把豎直方向的機(jī)構(gòu)操作力轉(zhuǎn)化為滅弧室裝配的軸向力，三聯(lián)箱左右兩側(cè)法蘭呈前后布置的方式，避免拐臂裝置在傳遞力的過(guò)程中相互干涉。LW10B系列斷路器結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，機(jī)械操作輕巧、平穩(wěn)，現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)整方便。其主要由滅弧室裝配、三聯(lián)箱、支柱絕緣子和液壓碟簧機(jī)構(gòu)等組成。LW10B系列斷路器三維簡(jiǎn)圖如圖1所示。

對(duì)于有限元模型的建立方式主要有以下兩種，一種是利用ANSYS Workbench自帶的幾何建模“Engineering Data”直接建立，另一種則是通過(guò)其它三維軟件建立幾何模型再利用三維與ANSYS之間的無(wú)縫接口導(dǎo)入已建立的模型。由于三聯(lián)箱結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且ANSYS的三維建模能力存在一定的局限性，本文主要采用SolidWorks來(lái)建立斷路器三聯(lián)箱的三維實(shí)體模型。在建模之初，為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算的便捷性，對(duì)三聯(lián)箱模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，去除對(duì)分析結(jié)果影響較小的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化后的三聯(lián)箱模型如圖2所示。

2 斷路器三聯(lián)箱強(qiáng)度分析

有限元分析的基本思想是將結(jié)構(gòu)或連續(xù)體的求解域離散為若干個(gè)單元，并通過(guò)邊界的節(jié)點(diǎn)相互聯(lián)結(jié)為一個(gè)組合體，然后用每個(gè)單元內(nèi)所假設(shè)的近似函數(shù)來(lái)分片地表示全求解域內(nèi)待求解的未知場(chǎng)變量。有限元強(qiáng)度分析的目標(biāo)在于識(shí)別出系統(tǒng)的目標(biāo)的應(yīng)力、應(yīng)變和變形參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

LW10型柱式六氟化硫斷路器，三聯(lián)箱結(jié)構(gòu)材料采用ZL101A-T6鑄鋁硅合金。為了優(yōu)化設(shè)計(jì)三聯(lián)箱，充分利用制造原材料，現(xiàn)對(duì)三聯(lián)箱進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等計(jì)算分析，以驗(yàn)證新設(shè)計(jì)的三聯(lián)箱滿足強(qiáng)度、剛度等設(shè)計(jì)要求。

2.1 三聯(lián)箱網(wǎng)格劃分

定義單元類型為四面體單元，設(shè)置斷路器三聯(lián)箱的材料屬性，彈性模量71000MPa，泊松比為0.33，密度為2680kg/m3。采用四面體單元與六面體單元混合網(wǎng)格單元?jiǎng)澐郑粤骟w單元為主，法蘭過(guò)渡處為5mm細(xì)化網(wǎng)格，細(xì)化網(wǎng)格單元密度，提高數(shù)值計(jì)算精度?？傮w網(wǎng)格單元數(shù)為172685，節(jié)點(diǎn)數(shù)為778049，網(wǎng)格過(guò)渡平滑，無(wú)畸變網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量較高，滿足數(shù)值計(jì)算模型的要求，三聯(lián)箱網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2.2 三聯(lián)箱邊界條件的施加

三聯(lián)箱主要承受靜載荷和風(fēng)載荷。靜載荷主要包含內(nèi)壓力載荷、端子靜拉力載荷以及滅弧室裝配和三聯(lián)箱自身重力載荷詳見(jiàn)表1，而風(fēng)載荷按照設(shè)計(jì)風(fēng)速34m/s對(duì)應(yīng)風(fēng)壓700Pa計(jì)算，主要包含滅弧室裝配和三聯(lián)箱等所受風(fēng)載荷，風(fēng)載荷工況如表1所示，載荷加載圖如圖4所示。

2.3 后處理

采用有限元ANSYS Workbench軟件對(duì)所研究組件進(jìn)行組合載荷的工況分析，三聯(lián)箱應(yīng)力云圖如圖5所示，變形云圖如圖6所示。

通過(guò)對(duì)三聯(lián)箱的有限元模型進(jìn)行求解后，得到三聯(lián)箱的應(yīng)力分布云圖和變形云圖。通過(guò)應(yīng)力云圖可以看出：從三聯(lián)箱法蘭與筋板接觸區(qū)域應(yīng)力較大，上接觸區(qū)域是拉應(yīng)力，而法蘭下端則是壓應(yīng)力，左右兩法蘭筋板所受的應(yīng)力先減小再增大，筋板中間位置應(yīng)力最大，所受的最大應(yīng)力為126.7MPa。從三聯(lián)箱變形云圖可知，兩側(cè)法蘭上端變形最大，而下端筋板位置變形相對(duì)較小。

在完成三聯(lián)箱強(qiáng)度分析后，進(jìn)一步探索三聯(lián)箱正常工作狀態(tài)下的可靠性，因此對(duì)其進(jìn)行安全系數(shù)分析。在ANSYS Workbench工作環(huán)境中提供了一個(gè)基于最大等效應(yīng)力（Max Equivalent stress）的壽命分析工具，可以根據(jù)三聯(lián)箱的受力情況，生成三聯(lián)箱的安全系數(shù)云圖，進(jìn)而根據(jù)安全系數(shù)云圖判斷三聯(lián)箱的壽命以及最容易破壞的區(qū)域。三聯(lián)箱安全系數(shù)云圖如圖7所示。

由圖7可知，三聯(lián)箱在LW10型斷路器正常工作條件下，安全系數(shù)為1.0261大于1，因此，三聯(lián)箱所受應(yīng)力不會(huì)達(dá)到屈服極限。

3 結(jié)論

（1）在有限元仿真分析過(guò)程中，合理的建模、網(wǎng)格的劃分以及摩擦系數(shù)的選擇均會(huì)對(duì)仿真結(jié)果造成一定的影響。

（2）通過(guò)對(duì)三聯(lián)箱的有限元分析，可以明確應(yīng)力分布情況，為合理規(guī)劃三聯(lián)箱的受力奠定了理論基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：王向克（1989-），男，河南平頂山人，本科，工程師，研究方向：高壓電器設(shè)備研發(fā)和制定相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

*為通訊作者