高壓雙動斷路器沖擊動力學仿真

劉亞培，王之軍，杜迎乾，張 豪，張 博，郝相羽

(平高集團有限公司，河南 平頂山 467001)

作為電網(wǎng)系統(tǒng)中的控制保護執(zhí)行設備，斷路器的設計涵蓋了機械、電、熱、流體、電磁場以及自動控制等多個學科。對斷路器機械性能的研究，常采用多體動力學方法來研究其傳動系統(tǒng)的運動特性，由于把零件處理成剛體，忽略了結構的變形能，因此無法評估各個零件在沖擊過程中的應力水平[1-2]。也有一些研究采用沖擊動力學方法，但多集中在單獨的傳動機構[3-4]或彈簧機構[5]，鮮有對整機模型進行詳細的仿真模擬，而且對于模型中次要的傳動結構多進行了有限元模擬方式的簡化，比如鉸鏈采用1D梁單元進行模擬等，這種處理方式簡化了建模和分析過程，但也忽略了傳動副本身的變形。

本文采用LS-DYNA軟件，旨在嘗試建立斷路器整機的詳細仿真模型，同時考慮接觸、摩擦引起的能量損失和各零件的彈性變形，研究各個結構的瞬態(tài)應力-時間曲線等沖擊特性，最后通過試驗驗證了仿真方法的可行性和仿真結果的準確性。

1 仿真模型的建立

1.1 斷路器結構介紹

高壓雙動斷路器結構主要由彈簧機構和斷路器本體兩個子結構組成，其結構如圖1所示。彈簧機構(圖1左端)是高壓雙動斷路器的動力來源；斷路器本體傳動系統(tǒng)(圖1右端)將彈簧機構的動作傳遞到高壓開關的觸頭上。

圖1 斷路器整機模型

區(qū)別于傳統(tǒng)的動、靜觸頭，滅弧室內的兩側觸頭都可以運動，通過觸頭聯(lián)動實現(xiàn)合、分閘，即雙動。雙動結構(如圖2所示)只需要較少的能量就可以得到單動結構同樣的開斷間距，因而更有利于降低彈簧機構的操作功，進而提高斷路器的機械可靠性。

圖2 雙動觸頭

斷路器合閘-分閘操作是一個涉及摩擦、間隙、碰撞、柔性等多因素的過程[6]。彈簧機構合閘-分閘結構示意圖如圖3所示。彈簧機構工作過程如下[7]。

合閘過程：合閘掣子在重力作用下轉動，與鎖扣分離，合閘彈簧釋放能量，飛輪齒輪在合閘彈簧作用下轉動，同時凸輪轉動，帶動合閘磙子轉動，拐臂隨之轉動，同時拉動分閘鏈條，分閘鏈開始儲能，拐臂通過內花鍵帶動花鍵轉動，拐臂轉動的同時，緩沖器被拉開，合閘動作完成，分閘彈簧儲能完畢。

分閘過程：分閘一級掣子松開，分閘二級掣子釋放，分閘彈簧釋放能量，花鍵、拐臂等在分閘彈簧作用下轉動，實現(xiàn)分閘。分閘的同時，拐臂帶動活塞桿運動，緩沖器將分閘能量緩沖掉。

圖3 彈簧機構結構示意圖

斷路器的合閘、分閘過程一般在幾十毫秒以內，動作過程時間短、沖擊大，屬于典型的沖擊問題。

1.2 網(wǎng)格劃分

模型的前處理工作在Hypermesh中進行。綜合考慮仿真精度和效率，整體網(wǎng)格尺寸控制在2～ 3 mm；為了相對精確地模擬接觸，對于軸銷類的柱面接觸，接觸面網(wǎng)格尺寸控制在1.5～2.0 mm，以減少由接觸的數(shù)值模擬引起的接觸面的初始間隙和輕微穿透對結果的影響；對于單元類型，總體上采用精度較高的線性六面體單元進行網(wǎng)格劃分，對于個別的難以進行六面體網(wǎng)格劃分的結構，如動端固定座等，采用四面體單元進行網(wǎng)格劃分。斷路器的整體網(wǎng)格模型如圖4所示，共劃分2 040 000個單元，2 070 000個節(jié)點。

圖4 斷路器網(wǎng)格模型

1.3 分析設置

高壓斷路器的機械可靠性要求材料在彈性范圍內工作，因此材料模型不考慮塑性。針對仿真涉及的材料，分別定義其密度、彈性模量和泊松比3個物理量。

接觸采用LS-DYNA軟件中適應性較好的自動接觸，軟件的關鍵字為*contact_automatic_single_surface。

時間步長(time step)設置為2E-07 s，計算的終止時間(termination time)為180 ms。采用高級質量縮放功能，將最小穩(wěn)定時間步長增大至2E-07 s，從而提高計算效率。在16核工作站上執(zhí)行一次完整分析需要50 h。后續(xù)仿真結果表明，質量縮放引起的動能增加占總能量的百分比小于1%，滿足精度要求。

1.4 仿真結果

連桿作為雙動斷路器結構的關鍵傳動零部件，根據(jù)以往的產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗，應重點關注連桿處的應力分布。連桿處的Mises應力峰值出現(xiàn)在分閘過程中，應力峰值為568 MPa，如圖5所示。連桿的材料為35CrMo，經(jīng)過熱處理工藝，其屈服極限為913 MPa。

圖5 應力結果

2 試驗介紹

仿真模型上的連桿標號如圖6所示，試驗樣機貼片位置如圖7所示，測試采樣頻率為10 kHz，采用測試軟件自帶的巴特沃斯濾波器進行數(shù)據(jù)處理。參數(shù)設置如下：低截止頻率1 000 Hz、高截止頻率2 000 Hz、階數(shù)5、通帶波動0.1 dB、阻帶衰減120 dB。

圖6 仿真模型的應力提取位置

為了更準確地提取仿真模型上測點位置的表面應力，與試驗數(shù)據(jù)進行對比，在網(wǎng)格模型上的測點位置建立膜單元，膜單元厚度為1E-06 mm，保證其不會對原結構力學性能產(chǎn)生影響，膜單元應力結果輸出時間間隔為1 ms，應力-時間曲線未做濾波處理。

圖7 應變片位置

3 對標與分析

整體模型的高應力區(qū)域出現(xiàn)在連桿位置，其中3號和4號桿的應力要高于1號和2號桿，符合以往的產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗。仿真和試驗結果都表明，分閘過程的應力峰值要高于合閘過程，因此重點比對了分閘過程3號桿上部(圖8)、3號桿中部(圖9)和4號桿上部(圖10)的仿真結果和試驗結果。

圖8 3號桿上部應力結果

圖9 3號桿中部應力結果

仿真模型的峰值應力出現(xiàn)在3號桿上部，為134.38 MPa，此處實驗測量的應力峰值為125.89MPa，相對誤差為6.74%；其他測點的應力峰值和相對誤差見表1。

表1 應力結果對標

影響仿真應力結果精度的因素有很多，比如計算方法、網(wǎng)格密度、模型簡化等：

1)受顯式計算方法所限，仿真模型的單元類型為一階六面體單元，相對于高階單元，同樣的網(wǎng)格密度，一階單元的精度較低，而二階全積分單元雖然精度高，但會大大增加計算成本，目前主流的顯式計算方法并不支持高階單元。

2)網(wǎng)格的密度是影響求解精度的主要因素。尤其對于接觸面處的網(wǎng)格，由于有限元網(wǎng)格離散導致接觸部位不可避免地會出現(xiàn)一些“尖點”接觸，甚至穿透，導致結果的震蕩，尤其在軸銷類等曲面接觸中，會導致接觸應力顯著增大；如果關注接觸面上的應力，則需要進一步細化網(wǎng)格。本文模型主要考慮求解效率，對接觸面的網(wǎng)格僅進行了少量的細化，網(wǎng)格尺寸為1.5 mm。

3)曲線出現(xiàn)偏差主要是由于在能量的傳遞過程中，仿真模型未能精確地體現(xiàn)物理樣機，比如在彈簧儲蓄能量和釋放能量的過程中，將彈簧模型簡化為1D彈簧單元，可能會引起彈簧能量的損失。由于斷路器整機結構的復雜性，很難建立考慮全面細節(jié)的仿真模型，這在很大程度上(尤其是彈簧機構的模擬)導致了能量的傳遞與時間的曲線存在一定的偏差。

4)摩擦系數(shù)根據(jù)材料的表面處理方式指定，可能與真實的摩擦系數(shù)有一定的偏差，這對于仿真結果會有一定的影響。

4 結束語

本文建立了高壓雙動斷路器瞬態(tài)沖擊動力學的仿真模型，提出了零件的單元尺寸設置、網(wǎng)格劃分方法、接觸模擬方法等模型建立方法，為今后同類型產(chǎn)品的沖擊仿真模型的快速搭建提供參考；通過試驗對比，驗證了仿真模型和仿真方法的合理性。由圖8可知：高應力區(qū)域應力峰值吻合度較好，最大相對誤差為6.74%；仿真與試驗的應力結果顯示，曲線形狀吻合度有一定的偏差，主要原因在于仿真模型過于復雜，而沖擊動力學仿真涉及碰撞、摩擦、間隙、柔性等諸多因素，從而大大增加了仿真模型中應變傳遞的不確定性。