循環(huán)載荷作用下斷路器分閘彈簧應(yīng)力松弛分析

鄧集，李欣，黎治宇，范敏，段建家

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙 410007;

2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙 410007）

循環(huán)載荷作用下斷路器分閘彈簧應(yīng)力松弛分析

鄧集1，李欣2，黎治宇2，范敏2，段建家2

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙 410007;

2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙 410007）

對LW36-126斷路器分閘彈簧進(jìn)行了10 000次分合閘試驗(yàn)，基于該結(jié)果，建立彈簧在循環(huán)載荷下的應(yīng)力松弛模型;然后利用ANSYS有限元軟件對彈簧在10 000次循環(huán)載荷作用下的應(yīng)力松弛行為進(jìn)行仿真，通過與試驗(yàn)結(jié)果的比較，驗(yàn)證所建模型的正確性;最后對斷路器彈簧操動機(jī)構(gòu)在20 000次循環(huán)載荷作用下的松弛壽命進(jìn)行預(yù)測。

應(yīng)力松弛;斷路器;分閘彈簧;有限元

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的控制和保護(hù)設(shè)備，能開斷、關(guān)合和承載正常電流，也能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)承載、關(guān)合和開斷規(guī)定的異常電流。高壓斷路器一般情況下處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)進(jìn)行斷路器操作或發(fā)生故障時(shí)，需要迅速動作，接通或開斷電流，因此高壓斷路器需要較高的可靠性。長期以來，對高壓斷路器可靠性的研究開展了大量的工作，根據(jù)國際大電網(wǎng)會議 (CIGRE)以及國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)資料對斷路器故障的統(tǒng)計(jì)，操動機(jī)構(gòu)故障占斷路器全部故障總數(shù)的50%以上〔1-3〕。

液壓和氣壓操動機(jī)構(gòu)因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率較高而限制了其使用范圍，因此彈簧操動機(jī)構(gòu)逐漸被廣泛采用。彈簧操動機(jī)構(gòu)中的分合閘彈簧一般采用螺旋彈簧，由于長期處在分合閘操動作用下，易發(fā)生不同于靜態(tài)應(yīng)力松弛的應(yīng)力松弛現(xiàn)象。關(guān)于動態(tài)應(yīng)力松弛，早期的研究工作表明，循環(huán)蠕變及循環(huán)軟化是機(jī)械彈簧發(fā)生動態(tài)應(yīng)力松弛的主要原因，但是動態(tài)應(yīng)力松弛機(jī)理及理論的有關(guān)研究尚有待深入。所以分析彈簧操動機(jī)構(gòu)所使用的圓柱螺旋彈簧在循環(huán)載荷作用下的應(yīng)力松弛行為，對于今后彈簧操動機(jī)構(gòu)的分閘彈簧的設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)將有積極的指導(dǎo)意義。

1 動態(tài)應(yīng)力松弛試驗(yàn)對象及方法

應(yīng)力松弛是各種機(jī)械彈簧、螺栓等基礎(chǔ)件、精密儀器及儀表中彈性元件的主要失效模式之一。文中動態(tài)應(yīng)力松弛試驗(yàn)以LW36-126斷路器分閘圓柱螺旋壓縮彈簧為研究對象，該彈簧由60 Si2CrVA彈簧鋼絲卷制而成，具體技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 彈簧參數(shù)

應(yīng)力松弛試驗(yàn)應(yīng)在彈簧的彈性極限范圍內(nèi)進(jìn)行，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該斷路器分閘彈簧所能承受的彈性極限載荷為28 000 N，考慮彈簧在實(shí)際使用過程中的承載條件，確定應(yīng)力松弛試驗(yàn)中循環(huán)載荷的最大值為26 157 N。

將被試分閘彈簧裝配在配套的彈簧操動機(jī)構(gòu)上，該彈簧操動機(jī)構(gòu)與模擬試驗(yàn)裝置相連接。在室溫條件下將分閘螺旋彈簧壓縮至所需載荷，并通過分閘操作將載荷突然釋放，如此反復(fù)，從而獲得該螺旋彈簧在多次循環(huán)載荷作用下的應(yīng)力松弛行為。

2 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)學(xué)模型

按照第1節(jié)所述試驗(yàn)方法，在同一彈簧上進(jìn)行10 000次分閘操作循環(huán)試驗(yàn)，每隔200～400次循環(huán)操作后測試彈簧彈力，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。彈簧彈力隨循環(huán)載荷加載次數(shù)的變化趨勢如圖1所示。

圖1 循環(huán)載荷下彈簧負(fù)荷衰減曲線

由圖1可知，隨著操動次數(shù)的增加，圓柱螺旋壓縮彈簧的工作負(fù)荷有減小的趨勢 (即應(yīng)力松弛有增大趨勢)，這是由于彈簧體內(nèi)局部微塑性形變所導(dǎo)致。該試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的分散性，且彈簧負(fù)荷有反彈情況出現(xiàn)，主要原因可能是:當(dāng)加載構(gòu)件與所要測試的圓柱螺旋彈簧緊密接觸時(shí)，由于彈簧的剛度較大，加載構(gòu)件隨環(huán)境溫度波動發(fā)生微小的熱脹冷縮，故造成一定的載荷波動。

根據(jù)材料力學(xué)理論〔4〕，在彈性條件下，密圈螺旋彈簧外載荷P(單位:N)與其表層的最大剪切應(yīng)力τmax(單位:MPa)之間有如下的對應(yīng)關(guān)系:式中 k為修正系數(shù) (k=1.31)。

根據(jù)熱激活理論，溫度對應(yīng)力松弛速率的影響可以通過Arrhenius方程來描述〔5〕。

式中 Qapp為表觀激活能，k是波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度。

根據(jù)彈性材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可推得分閘彈簧的動態(tài)應(yīng)力松弛模型為:

式中 t為循環(huán)載荷的加載次數(shù)，通過試驗(yàn)求得C1=3.068E-28;C2=2.0;C3=0.02。

3 螺旋彈簧應(yīng)力有限元松弛分析

使用ANSYS中參數(shù)化語言建立了簧絲橫截面的中心軌跡參數(shù)方程，使用軟件的掃掠命令(vgen)得出彈簧的三維實(shí)體模型。所建彈簧的參數(shù)參見表1。與Mottershead〔6-7〕所建立的螺旋梁單元相比，ANSYS的三維實(shí)體單元能更準(zhǔn)確地描述應(yīng)力、應(yīng)變等物理量在截面上的分布。另外，三維實(shí)體單元較為真實(shí)地反映出螺旋彈簧截面在外部載荷作用下的應(yīng)力分布。

ANSYS單元庫中的8節(jié)點(diǎn)24自由度三維實(shí)體單元SOLID45具有x，y，z幾個(gè)方向的位移自由度，可以對材料的蠕變問題進(jìn)行分析。文中采用了該單元的無ESF(extra shape functions)形函數(shù)形式對斷路器分閘彈簧進(jìn)行動態(tài)應(yīng)力松弛分析。在用SOLID45單元對該彈簧模型進(jìn)行離散時(shí)，為保證分析精度，文中采用了較細(xì)的網(wǎng)格對該彈簧進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，共有SOLID45單元19 584個(gè)，有限元模型如圖2所示。分閘彈簧實(shí)際工況為一端固定，故在進(jìn)行有限元分析時(shí)，對分閘彈簧固定端節(jié)點(diǎn)的所有位移自由度施加零位移約束。

圖2 螺旋彈簧有限元模型

為分析LW36-126斷路器分閘彈簧的動態(tài)應(yīng)力松弛行為，此次使用ANSYS軟件模擬分閘彈簧在分閘、位移突變釋放時(shí)彈簧內(nèi)的應(yīng)力衰減進(jìn)行了分析。

計(jì)算方法為，斷路器處于合閘狀態(tài)時(shí)，分閘彈簧被壓縮177 mm的位移。為了使分析數(shù)據(jù)與彈簧工況一致，將彈簧的一端施加了零初值的位移約束。當(dāng)斷路器進(jìn)行分閘時(shí)，相當(dāng)于彈簧所施加的初始位移 (或初始載荷)被瞬間釋放，使彈簧處于瞬態(tài)響應(yīng)條件之下，重復(fù)壓縮、釋放過程，得到與彈簧處于靜態(tài)時(shí)應(yīng)力衰減截然不同的結(jié)果。

圖3為所研究分閘彈簧在初始載荷為26 157N時(shí)，在10 000次操動作用下彈簧內(nèi)剪切應(yīng)力松弛曲線圖。由圖3可知，與靜態(tài)應(yīng)力松弛一樣，彈簧的應(yīng)力松弛明顯分為2個(gè)階段，第1個(gè)階段松弛速率較大，第2個(gè)階段因已處于松弛穩(wěn)定狀態(tài)而使得松弛速率降低。另外，由試驗(yàn)結(jié)果和文中ANSYS分析結(jié)果的對比可知，2組數(shù)據(jù)吻合較好，表明了所建立模型的正確性。

圖3 分閘彈簧應(yīng)力松弛結(jié)果

4 螺旋彈簧松弛壽命預(yù)測

在第1節(jié)的試驗(yàn)條件下，利用上述彈簧松弛模型，預(yù)測分閘彈簧在更多次操作下的應(yīng)力松弛情況，圖4和圖5分別為分閘螺旋彈簧經(jīng)20 000次分閘操作的松弛曲線和彈簧彈力松弛比例曲線。由圖可知，該分閘螺旋彈簧經(jīng)20 000次操作后，其彈力比初始載荷僅僅下降了1.176%。根據(jù)斷路器分閘彈簧使用要求，其彈力在初始載荷的5%以內(nèi)時(shí)依然可正常分閘。由此表明該彈簧在20 000次的操動作用下，其壽命依然可以達(dá)到使用要求。

圖4 分閘彈簧2萬次加載下的松弛仿真結(jié)果

圖5 分閘彈簧2萬次加載下的松弛比例

5 結(jié)論

文中基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了螺旋壓縮彈簧的動態(tài)應(yīng)力松弛模型，并驗(yàn)證了正確性。利用ANSYS軟件，建立了圓截面LW36-126型壓縮彈簧的有限元模型，分析了該分閘彈簧在20 000次操動后的彈力松弛情況。結(jié)果表明，LW36-126彈簧操動機(jī)構(gòu)的分閘螺旋彈簧在經(jīng)過20 000次操動后，其彈力比初始載荷僅僅下降了1.176%，這也說明對于彈簧操動機(jī)構(gòu)，彈簧的分合閘次數(shù)并不會明顯使彈簧的彈力衰減。

〔1〕李建基.高壓斷路器及其應(yīng)用〔M〕.北京:中國電力出版社，2004.

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Analysis on opening-spring stress relaxation of circuit breaker with cycling load

DENG Ji1，LI Xin2，LI Zhi-yu2，F(xiàn)AN Min2，DUAN Jian-jia2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410007，China;
2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

Firstly the opening-closing test of opening-spring in the LW36-126 type circuit breaker was carried out with 10 000 cycles.The stress relaxation model of the spring under cycling load was created based on test results.Secondly，the stress relaxation behavior was simulated with 10 000 cycling load by ANSYS software，and the correctness of the relaxation model was verified.Lastly，the relaxation life of the opening-spring was predicted in the situation of 20 000 cycling load.

stress relaxation;circuit breakers;opening spring;finite element

TM561

B

1008-0198(2014)02-0040-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.02.013

2013-07-15 改回日期:2014-02-24

國網(wǎng)湖南省電力公司科研項(xiàng)目(KZ09K16020)