GW16/17型隔離開(kāi)關(guān)錐齒輪瞬態(tài)接觸有限元分析

蔡?hào)|苗 張 任 殷海杰

（河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467000）

隔離開(kāi)關(guān)是一種將檢修或安裝設(shè)備與高壓電源進(jìn)行隔離，保證檢修、安裝人員及設(shè)備安全的高壓電器。其中GW16/17型隔離開(kāi)關(guān)在電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用，其具有結(jié)構(gòu)獨(dú)特、電氣及機(jī)械性能優(yōu)異，有較強(qiáng)的抗腐蝕、抗地震能力等突出特點(diǎn)。但由于主閘刀底座裝配中的雙四連桿與旋轉(zhuǎn)瓷瓶是通過(guò)一對(duì)傘型錐齒輪實(shí)現(xiàn)力矩的傳遞，在隔離開(kāi)關(guān)分合閘過(guò)程中，承受較大的載荷和沖擊，因此，其易發(fā)生點(diǎn)蝕、斷裂、變形等失效情況。

1 GW16 /17 型隔離開(kāi)關(guān)錐齒輪接觸強(qiáng)度理論計(jì)算

齒輪材料采用40Cr，其泊松比為0.3，彈性模量為210GPa，電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的最大輸出力矩按1000N·m。

錐齒輪圓周力：

式中：T-輸入轉(zhuǎn)矩；

m-錐齒輪模數(shù)；

Z1-小錐齒輪齒數(shù)，Z1=18。

錐齒輪節(jié)圓處的計(jì)算接觸應(yīng)力為：

表1 應(yīng)力參數(shù)值

2 GW16 /17 型隔離開(kāi)關(guān)錐齒輪三維模型的建立

錐齒輪位于瓷瓶上部導(dǎo)電底座內(nèi)，用于傳遞來(lái)自機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)90°，從動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)180°的轉(zhuǎn)化，同時(shí)從動(dòng)齒輪的傳動(dòng)軸通過(guò)拐臂和連桿實(shí)現(xiàn)主閘刀的分合閘運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 底座裝配圖

按表2錐齒輪的主要參數(shù)創(chuàng)建錐齒輪[1]。將創(chuàng)建完成的錐齒輪實(shí)體模型裝配，確保不干涉。再對(duì)裝配體進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，去除對(duì)有限元結(jié)果影響較小的部分，錐齒輪裝配體如圖2所示。

圖2 錐齒輪裝配體

表2 錐齒輪相關(guān)參數(shù)

3 GW16 /17 型隔離開(kāi)關(guān)錐齒輪瞬態(tài)接觸有限元分析

利用ANSYS軟件中的“Configuration Manager”模塊與SolidWorks軟件建立二者之間的無(wú)縫接口，把先前建立的GW16/17型隔離開(kāi)關(guān)錐齒輪系統(tǒng)三維簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入到ANSYS中[2-5]。

3.1 定義單元屬性

網(wǎng)格劃分單元按六面體和四面體。錐齒輪在GW16/17型隔離開(kāi)關(guān)正常工作時(shí)要具有足夠的沖擊韌性和機(jī)械強(qiáng)度，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得錐齒輪的材料屬性。錐齒輪所選用的材料為40Cr，材料的泊松比為0.3 ，彈性模量為210GPa，密度為7.82 g/cm3。

由于GW16/17型隔離開(kāi)關(guān)錐齒輪系統(tǒng)為兩個(gè)相交為900的錐齒輪裝配體，在劃分網(wǎng)格之前需要設(shè)置接觸面。在“Contacts”中，設(shè)置錐齒輪之間的接觸類(lèi)型，齒輪之間的接觸一般選擇“Frictional”，其值為0.2，在“Behavior”中，選擇“Asymmetric”，在“Connections”中，設(shè)置相對(duì)地面的旋轉(zhuǎn)中心，分別代表兩個(gè)錐齒輪在正常工作時(shí)的情況[6-8]。

3.2 劃分網(wǎng)格

為了確保計(jì)算結(jié)果的精度，對(duì)于兩個(gè)錐齒輪采用掃描網(wǎng)格劃分，并配合使用區(qū)域控制函數(shù)，對(duì)于接觸區(qū)域，采用局部加密的方法接觸區(qū)域，采用局部加密的方法GW16/17型隔離開(kāi)關(guān)錐齒輪劃分的網(wǎng)格如圖3所示，進(jìn)行網(wǎng)格劃分后共生成707868個(gè)節(jié)點(diǎn)，459565個(gè)單元[9-11]。

圖3 錐齒輪網(wǎng)格劃分圖

圖4 錐齒輪應(yīng)力云圖

圖5 錐齒輪局部應(yīng)力云圖

3.3 邊界載荷的施加

按產(chǎn)品實(shí)際工況，以大錐齒輪作為輸入對(duì)象，輸入轉(zhuǎn)矩為1000N·m，錐齒輪大端處采用無(wú)摩擦支撐。

3.4 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)GW16/17型隔離開(kāi)關(guān)錐齒輪系統(tǒng)的有限元模型進(jìn)行求解分析，計(jì)算結(jié)果最大應(yīng)力值為222.72 MPa。與理論計(jì)算應(yīng)力值為211.708 MPa比相對(duì)誤差為5.2 %，導(dǎo)致這種誤差值的主要原因是在進(jìn)行錐齒輪有限元分析過(guò)程中，沒(méi)有考慮轉(zhuǎn)速的影響因素，只考慮輸入轉(zhuǎn)矩對(duì)錐齒輪的作用。理論計(jì)算時(shí)，是按受力等效方法，把作用力于分度圓上，實(shí)際情況，錐齒輪嚙合過(guò)程中受力的位置是沿接觸線(xiàn)變化的；另外，在仿真分析前處理過(guò)程中，模型的簡(jiǎn)化、網(wǎng)格的劃分以及接觸對(duì)摩擦系數(shù)的選擇，也是對(duì)仿真結(jié)果造成一定的影響。

在完成GW16/17型隔離開(kāi)關(guān)錐齒輪瞬態(tài)接觸應(yīng)力分析后，為了驗(yàn)證齒輪正常工作狀態(tài)下的可靠性，進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行安全系數(shù)分析。由圖6可知，錐齒輪在正常工作條件下，安全系數(shù)為1.0387 大于1，因此，GW16/17型隔離開(kāi)關(guān)錐齒輪的接觸應(yīng)力不會(huì)達(dá)到屈服極限。

圖6 錐齒輪安全系數(shù)云圖

4 結(jié)論

通過(guò)理論計(jì)算值與仿真值對(duì)比，計(jì)算誤差在約10%，是符合應(yīng)用工況要求，同時(shí)仿真計(jì)算能更好的顯示整個(gè)錐齒輪在正常工作條件下接觸應(yīng)力分布狀況，因此，利用ANSYS有限元分析得到的結(jié)果是可行的。通過(guò)對(duì)GW16/17型隔離開(kāi)關(guān)錐齒輪的有限元分析，可以明確應(yīng)力分布情況，為合理規(guī)劃錐齒輪的受力奠定了理論基礎(chǔ)。