基于Ansys的高压瓷柱式断路器关键零件——拐臂盒的性能分析方法

姚永其 郭自豪 张敬涛

（河南平高电气股份有限公司，河南 平顶山467001）

0 概述

拐臂盒是高压瓷柱式断路器的关键零件之一，一般安装在绝缘支柱下端（固定在支撑架上）连接机构和本体（如图1所示）。该零件外形复杂一般采用铝铸造成，它的作用主要有以下两点：一方面拐臂盒在过程中起到支撑作用,断路器操作机构的输出通过连杆、传动轴带动断路器本体运动，拐臂盒要承受机构传动的力，受力情况很苛刻；另一方面高压断路器内部一般充有一定压力的绝缘气体，压力一般0.4～0.7MPa，也类似于压力容器元件，需要校核压力。

图1 拐臂盒使用示意图

以往该类零部件的设计往往依据经验或者手工计算，经验设计往往导致设计零件力学强度不够或者余量过大浪费材料。本文介绍了基于Ansys软件的联合计算分析方法，对设计零部件进行力学及气压的联合计算，根据分析结果修改设计零部件，最后达到理想的设计效果。

1 分析计算方法

1.1 软件介绍

ANSYS软件是融结构、热学、电磁场、声场和耦合场分析为一体的大型通用有限元分析计算软件。它能和多数CAD软件接口实现数据的共享和交换。该程序是一个功能强大、界面友好的有限元软件系统，可以运行于各种类型的操作系统和计算机，发展至今，已经广泛应用于世界工业的各个领域，也是我国工程界广泛使用的大型通用有限元分析软件之一。该软件拥有丰富的材料模型库、单元库和求解器，能够保证其具有强大的结构分析能力，可以高效进行各种结构静力分析、动力学分析、非线性分析。静力分析用于求解结构在静力荷载作用下的位移、应力和应变等。静力分析分为线性分析与非线性分析两种。而非线性分析包括材料非线性、几何非线性、状态非线性，涉及塑性、大应变、大变形、旋转软化、应力刚化、粘弹性、接触和蠕变、超弹性等各种情况。

1.2 设计分析流程

设计过程的全过程主要包括：方案初设计、方案的分析计算修改、零部件加工生产、试验验证。分析计算过程（既有限元分析过程）主要分为：建立参数化的实体模型、荷载和边界条件定义、网格控制与划分、材料定义、求解、后处理,设计份修流程如图2所示。

图2 拐臂盒设计分析流程图

下面以一个126kV断路器拐臂盒设计为例，说明一下设计、计算过程。

1.3 拐臂盒设计实例

1.3.1 方案初设计

根据安装要求、对接尺寸、动力学传动布置确定大体形状，同时参照以往类似零件形状及尺寸。一般采用三维设计软件，完成零部件的细节设计，设计过程中要考虑铸造、加工的工艺性。材料采用铸造铝材如ZAlS7Mg1A，铝及铝合铸件材应符合GB/T 1173和GB/T 9438的要求。

1.3.2 模型建立

用ANSYS程序建立模型，或者将设计模型导入计算软件。

1.3.3 荷载和边界条件定义

1）荷载施加

与机构连接的拐臂上施加传动力（或者力矩）：根据弹簧机构输出分闸最大力值转化到此处，施加30kN向下（分闸方向），施加于拐臂上（模拟实际情况，同时可以校核拐臂、轴的强度）。

内压力施加：内壁施加设计压力（0.8MPa）。另外对于该零件同时必须进行破坏校核，施加3.2M Pa，数值来源如下：参照GB7694额定电压72.5 kV及以上的气体绝缘金属封闭开关设备（虽然不是该种设备，但是有一定的公用性，参考其标准制定参数）标准规定：外壳结构中使用的材料应是熟知的、基于计算和/或验证试验证明具有最低物理特性。制造厂应基于材料供应商的检验证书，或制造厂进行的试验，或者两者，对材料的选择和其最低物理特性的维护负责。型式试验的压力试验要求应至少如下：铸铝和铝合金外壳：[3.5/0.7]×设计压力注：数值0.7是考虑了涵盖铸造可能存在的分散性。如果经过专门的材料试验证明，允许将该系数提高到1.0。对于破坏要单独计算，如果将破坏压力和传动力同时施加会过于苛刻，零部件也很难达到此种工况。

因此加载包括两种情况：传动轴传动+内壁施加设计试验的压力；内壁施破坏压力。

2）固定

按实际情况固定安装面，同时固定内部拐臂（模拟传动极端情况，机构动作而本体不能动作的情况）。载荷施加及固定示意见图3

图3 载荷施加及固定示意图

1.3.4 网格划分

划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，需要的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑。网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布特点。

1.3.5 材料定义

材料属性可以在软件中直接选取（铝：弹性模量71000MPa；泊松比0.33）。材料破坏极限从材料选取标准中查阅，如ZAlS7Mg1A：σb MPa≥290，常温下许用应力，58MPa。

1.3.6 求解及观察结果

进行求解，并观察力分析结果，后处理的步骤主要有：绘变形图、变形动画、应力等值线图等。

图4 计算结果示意图

计算结果如图4，在“传动轴传动+内壁施加设计试验的压力”时所有点的应力值均小于材料的破坏强度，拐臂盒应力最大处应力值为83MPa，安全系数可以达到 3.5。 当内壁施破坏压力（3.2MPa）时应力最大处应力值为180MPa。对以上计算结果进行分析，可以看出拐臂盒可以满足设计要求。如果不满足设计要求则根据薄弱环节进行修改，再次计算直到满足设计要求为止。

1.4 试验验证

水压破坏：该零部件生产完成后进行了破坏水压试验验证，破坏压力达到4.5MPa，完全满足设计需要。破坏位置和计算位置相同。水压破坏试验如图5所示。

图5 水压破坏试验示意图

零部件安装到断路器上进行了机械寿命试验，机械寿命后零件完好。

2 小结

文章介绍了利用ANSYS软件计算进行高压瓷柱式断路器关键零件-拐臂盒的设计、性能分析方法，并以一个实例从设计、分析计算、试验验证说明了设计全过程，尤其详细说明了分析计算方法，希望能给相关专业人员提供一些帮助。有不对的地方也请大家见谅、指正。

［1］陈精一,蔡国忠.电脑辅助工程分析 ANSYS使用指南[M].北京：中国铁道出版社,2001.

［2］纪丰伟,陈恳.二维参数化技术的发展状况及趋势发展[J].机械设计与制造工程,2000.

［3］GB7674-2008额定电压72.5kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备[S].