基于DEFORM-3D的高壓斷路器操作彈簧應(yīng)力分析*

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(1.貴州大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，貴州 貴陽 550003；2.貴州電力試驗(yàn)研究院，貴州 貴陽 550002)

0 引言

高壓斷路器是電網(wǎng)系統(tǒng)的重要安全設(shè)備，通過強(qiáng)大的開斷、滅弧功能在發(fā)生事故時(shí)迅速接通或切斷電源，以確保效率和電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1-2]。操作彈簧是高壓斷路器機(jī)械操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的儲(chǔ)能元件，利用彈簧的變形能作為高壓斷路器的操動(dòng)能源進(jìn)行分、合閘操作, 因而要求有較高的可靠性。斷路器操作彈簧在載荷作用下分、合閘，不斷發(fā)生壓縮或拉伸變形，因此容易出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，造成彈簧在分、合閘時(shí)發(fā)生拒動(dòng)、誤動(dòng)甚至斷裂，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[3-5]。應(yīng)力作用是引起彈簧疲勞的主要原因之一[6]，因此必須準(zhǔn)確把握操作彈簧在工作時(shí)的應(yīng)力分布狀況、最大應(yīng)力值及其出現(xiàn)的位置，分析其在運(yùn)行工況下的應(yīng)力狀態(tài)，為避免因操作彈簧失效引起的電網(wǎng)故障提供理論指導(dǎo)。

高壓斷路器彈簧在正常服役時(shí)主要以彈性變形為主，彈簧在拉伸變形過程中承受的載荷主要有扭矩、彎矩、拉應(yīng)力、剪應(yīng)力等，應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜，應(yīng)用有限元軟件能夠?qū)饘俚母鞣N成形過程及受力狀態(tài)進(jìn)行模擬分析和精確計(jì)算[7-9]。本文借助于DEFORM-3D軟件對(duì)高壓斷路器操作彈簧服役過程中的彈性變形進(jìn)行模擬計(jì)算，分析了其在變形過程中的應(yīng)力狀況分布和載荷大小，并將模擬結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 斷路器操作彈簧模型的建立

本文采用的高壓斷路器操作彈簧為圓柱螺旋拉伸彈簧，材料為60Si2CrVA，實(shí)際形狀如圖1所示。

圖1 斷路器操作彈簧

根據(jù)斷路器操作彈簧的實(shí)際尺寸在SolidWorks2010中建立出模型，其基本參數(shù)如下：彈簧的總?cè)?shù)為n=22，有效圈數(shù)n=18，棒料直徑d=8 mm，彈簧中徑為D=44 mm，自由高度為185 mm。彈簧的兩端利用上、下夾具夾持，上、下夾具處于同一平面且位于彈簧軸線上以保證彈簧受力不偏心。

2 DEFORM 有限元分析

將在SolidWorks2010中建立的彈簧模型及上、下夾具導(dǎo)入DEFORM-3D中，將彈簧屬性設(shè)置為彈性體，上、下夾具設(shè)置為剛性體。彈簧選取的力學(xué)性能參數(shù)如下：拉伸彈性模量1.97×105MPa；切變彈性模量為7.85×104MPa，σs≥1 666 MPa，σb≥1 862 MPa，泊松比為0.3[10]。

圖2 劃分網(wǎng)格之后的斷路器操作彈簧

對(duì)導(dǎo)入的彈簧幾何體進(jìn)行幾何檢查，質(zhì)量符合之后進(jìn)行四面體網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格劃分量太少，不能準(zhǔn)確計(jì)算應(yīng)力的分布，網(wǎng)格劃分量太多，模擬計(jì)算耗費(fèi)時(shí)間太長(zhǎng)，綜合兩者選取網(wǎng)格數(shù)量為40000，劃分網(wǎng)格之后的彈簧模型如圖2所示。彈簧與夾具之間的接觸關(guān)系定義為剪切模式，摩擦因數(shù)選擇0.12。將上夾具設(shè)置為主動(dòng)模具，通過上夾具的運(yùn)動(dòng)作用于彈簧使其逐漸拉長(zhǎng)，通過該過程模擬斷路器彈簧的拉伸變形。斷路器操作彈簧在實(shí)際應(yīng)用中受到的載荷是近似于脈動(dòng)的載荷，所以主要針對(duì)其在不同的拉伸變形量下的最大應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算，分別設(shè)置了50 mm和100 mm兩個(gè)不同的行程進(jìn)行模擬和對(duì)比分析。模擬計(jì)算設(shè)置數(shù)據(jù)經(jīng)檢查正常生成DB文件后，開始進(jìn)行模擬計(jì)算。

模擬計(jì)算完成之后，選擇DEFORM-3D POST選項(xiàng)進(jìn)入后處理窗口，查看彈簧模型在不同行程下的應(yīng)力分布云圖及載荷——行程曲線。如圖3所示：當(dāng)彈簧的拉伸變形量為50 mm時(shí)，其最大應(yīng)力值為350 MPa，應(yīng)力值較大的區(qū)域集中分布在彈簧的內(nèi)徑附近，夾具對(duì)彈簧施加的最大載荷為772 N；當(dāng)拉伸變形量為100 mm時(shí)，其最大應(yīng)力為758 MPa，應(yīng)力值較大的區(qū)域同樣集中分布在彈簧的內(nèi)徑處，夾具對(duì)彈簧施加的最大載荷為1 630 N。

圖3 彈簧模型在不同行程下的應(yīng)力分布云圖及載荷——行程曲線

高壓斷路器操作彈簧模型在不同行程下棒料截面受力情況如圖4所示，彈簧沿外徑到內(nèi)徑方向上的節(jié)點(diǎn)處所受的應(yīng)力呈先減小再增大的趨勢(shì)，在彈簧棒料中徑處應(yīng)力達(dá)到最小值，在內(nèi)徑處達(dá)到最大值，這與圖3應(yīng)力分布云圖顯示的結(jié)論相似。因此內(nèi)徑處是彈簧最易于發(fā)生失效的位置。

圖4 彈簧模型在不同行程下簧絲截面受力示意圖

3 理論分析

彈簧的變形量與對(duì)彈簧施加的載荷值大致呈正比例關(guān)系，兩者之間的關(guān)系如式(1)所示[10]，模擬計(jì)算值與其基本相同。

(1)

式中：λ表示彈簧的變形量(mm)，P為彈簧所受的載荷值(MPa)，D為圓柱螺旋彈簧中徑(mm)，G為剪切模量(MPa)，n彈簧有效圈數(shù)，d為彈簧棒料直徑(mm)。

圓柱螺旋彈簧在載荷作用下發(fā)生壓縮或拉伸變形時(shí)，彈簧內(nèi)徑邊緣處所受的剪應(yīng)力最大，其值的計(jì)算公式為[10]：

(2)

c為D/d。式(1)與式(2)相結(jié)合，可得:

(3)

根據(jù)公式(3)計(jì)算出當(dāng)λ=50 mm時(shí)，τmax=366.7 MPa；當(dāng)λ=100 mm時(shí)，τmax=733.4 MPa，理論計(jì)算值與DEFORM-3D軟件模擬值相近。對(duì)于壓縮或拉伸圓柱螺旋彈簧，主要承受的是扭曲應(yīng)力，通常采用其彈性極限τe。對(duì)于60Si2CrVA彈簧鋼，τe值一般取σb的50%～60%，由σb≥1862 MPa可得τemin=931 MPa，對(duì)于該高壓斷路器操作彈簧的模擬值和計(jì)算值，在拉伸行程達(dá)到100 mm其所受到的最大應(yīng)力值均小于τemin，因此該斷路器操作彈簧在未發(fā)生失效的情況下最大行程可超過100 mm，這為斷路器操作彈簧的行程設(shè)置及最大載荷值提供了理論參考依據(jù)。

4 結(jié)論

1)利用DEFORM-3D有限元軟件對(duì)高壓斷路器操作彈簧正常工作時(shí)的拉伸變形過程進(jìn)行模擬分析表明：彈簧在拉伸變形中，隨著拉伸變形量的增加，彈簧所受的應(yīng)力呈線性增長(zhǎng)，彈簧內(nèi)徑處剪切應(yīng)力值大于外徑處的剪切應(yīng)力，且在中徑處所受應(yīng)力值最小，外徑處所受應(yīng)力值最大。

2)對(duì)高壓斷路器操作彈簧的拉伸變形模擬值與理論計(jì)算值進(jìn)行了比較，兩者數(shù)值相差較小，模擬值與理論計(jì)算值相符合。

3)高壓斷路器操作彈簧在拉伸行程為100 mm時(shí)，仍處于其線彈性范圍之內(nèi)，彈簧未發(fā)生失效，模擬計(jì)算此時(shí)的最大載荷值為772 N，這為斷路器操作彈簧的安全工作提供了可靠的參考數(shù)據(jù)，避免因載荷過大而引起的斷裂。

[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

[2] Jose Lopez-Roldan,Ryszard Pater, Sébastien Poirier,et al. Development of non-intrusive monitoring for reactive switching of high voltage circuit breaker. Electrical Power and Energy Systems 61.2014：219-228

[3] 王連鵬,王爾智. 真空斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真與優(yōu)化[J].高電壓技術(shù),2006(02)27-29

[4] 蘇菊芳,張紅軍, 文亞寧,胡愛紅,程立. CT20彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)在252kV高壓斷路器中的應(yīng)用[J]. 高壓電器，2011(06)87-90

[5] 陳保倫,文亞寧. 斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)介紹[J]. 高壓電器,2010(10)75-80

[6] 束德林.工程材料力學(xué)性能[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007

[7] 周朝輝,曹海橋,吉衛(wèi),何大鈞,王孝培. DEFORM有限元分析系統(tǒng)軟件及其應(yīng)用[J]. 熱加工工藝,2003(04)51-52

[8] Jean-Loup Chenot, Christine Béraudo, Marc Bernacki,et al. Finite element simulation of multi material metal forming. Procedia Engineering 81.2014：2427-2432

[9] 萬會(huì)兵,姜大成,王佳峰,鹿?jié)蓚? 基于CATIA和ADAMS的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真[J]. 現(xiàn)代機(jī)械,2009(02)7+16

[10] 張英會(huì),劉輝航,王德成.彈簧手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008