某隔离开关试验台的拨杆零件设计*

万宇杰，潘 高，毕 翔

(江汉大学机电与建工学院，湖北武汉 430056)

0 引言

某电器公司某型隔离开关主要用来将高压配电装置中需要停电的部分与带电部分可靠的隔离，以保证检修工作的安全［1－2］。这就对产品的机械寿命和电寿命都有了比较高的要求。根据GB14048.3对隔离开关的机械寿命的要求，设计一款隔离开关的机械寿命试验台是本课题研究的目的之一。

某型隔离开关机械寿命的测试是通过通用试验台进行测试的，它是公司为所生产的隔离开关各系列产品、测试寿命而开发的非标设备。为了安装方便，测试台采用旋转180°安装被测试样品，安装完后再反向旋转180°回到测试状态。图1中为样品安装位。图1为该类隔离开关电器产品的进行测试的通用测试台。

试验台的机械性能测试是模仿人手操作的过程，其测试次数是成千上万次，为了解决测试的可靠性，必须保证测试设备的稳定性，本测试设备中拨杆结构和性能决定了这些参数获取的有效性，为此，必须针对拨杆进行可靠性测试，从而保证试验台的安全可靠。

图1 某电器通用试验台图

基于NXUG软件所集成的强大三维建模、虚拟装配、动画仿真、有限元分析和工程图生成的功能［3－5］，提高产品的生产效率、缩短制造周期，同时能够无需其他软件就可分析部件的应力情况，借此来辅助零件的设计，进而更好更快地满足市场快速变化的需求，实际证明起到较好的经济效果［6］。

1 试验台结构及原理

如图2为某电器公司的某型电器产品，为了测试其手柄的机械寿命，图中隔离开关处于ON(合闸)状态，将直接手柄顺时针旋转90°，隔离开关处于OFF(分闸)状态，完成一次合分闸过程，机械寿命试验记数一次，直到被测隔离开关不能正常分合主回路时，试验结束，统计试验次数。图3为产品正处于测试过程中状态位置。

图2 某隔离开关示意图

图3 拨杆A在试验台中位置图

测试过程机械传动方式如图4，通过电机－联轴器－蜗杆－蜗轮－拨盘－拨杆－手柄，电机受控制指令进行正反旋转，最后带动拨杆也正反旋转，将手柄从B位置旋转到C位置，完成一次检测，如此反复。记录循环次数，同时每次都要检测电参数是否正常，不正常时试验停止。

图4 试验台的机械性能测试工作过程原理图

可见，拨爪盘与拨杆是整个机构中的带动手柄旋转的执行件，在实验中电机通过机械系统的带动拨爪盘，相对应的拨爪盘A通过2个M10沉头螺钉与联轴法兰固定，拨杆A通过H7/k6的过渡配合与拨爪盘A相连，拨爪盘与拨杆A一起做运动，实验是周期旋转90°，来测试电器的机械寿命，选取的是较大规格的电器产品，前期经过设计计算，拨杆采用40Cr并表面镀镍来保证其强度和耐磨性。同时，整台设备可以通过更换拨爪盘和拨杆来与不同规格的产品手柄相配合，提高了设备的通用性。如图5所示A型号的拨爪盘与拨杆就是针对大规格的产品所设计的。在文中针对核心零件拨杆A进行了有限元分析，从而实现了提高设计成功率的目的。

2 拨杆的有限元模型建立

2.1 创建几何模型及网格划分

针对拨杆零件受力特点，本次设计采用UGNX自带有限元分析模块，简化了设计过程，其流程主要包括:高级仿真、前处理、新建FEM和仿真、新建解算方案、网格划分、添加载荷、指派材料、分析解算、后处理、应力分析、生成应力分析动画、导出报告、核定设计结果，图6为拨杆A的受力模型图。

图5 拨杆A在拨爪盘安装图

图6 拨杆A的受力模型图

拨杆作为电器性能测试的工作点，用UGNX软件建立三维几何模型如图5，受力模型简化为如图6，其中受力F为交变循环应力，上下F力不会同时出现加载，图7为UG软件三维模型网格的划分是完全自动的，可对几何模型直接进行操作，采用10节点四面体单元操作结果如图7。

图7 拨杆的网格划分图

2.2 创建约束和载荷

通过分析和简化受力模型，建立了载荷和约束条件，载荷和边界条件的设定后，并通过图形显示出来。它们都和几何模型相关，几何体发生更改，载荷和边界条件也会自动更新。

完成的约束见图8，由于拨杆和拨杆盘之间采用的H7/k6配合(过盈配合)，所以可以使用固定约束来约束接触的圆柱面和台阶面。

根据所需测量产品资料知，全系列中最大规格的产品手柄力标准扭矩为55 N·m，当内部机构出现故障时异常手柄力扭矩最大可能达到90 N·m，在这里取极限情况来进行分析，当手柄力90 N·m，此时两拨杆圆心距离为55 mm，作用在拨杆上的径向力F=90 N·m/55 mm=1 636.36 N，完成载荷的添加，添加载荷的拨杆图见图9。

图8 拨杆完成固定约束图

图9 添加载荷的拨杆图

2.3 指派材料及设定分析

拨杆依照设计经验采用硬度较高的40Cr，查得材料库中对应国内材料牌号40Cr为iron_40，完成确定材料。

采用UGNX提供了有限元分析NASTRAN求解器、它能够提供自适应分析特征，实现细化网格的自动化，从而缩短分析时间、提高网格质量并保证更精确的分析结果。

3 仿真结果分析

通过上节分析和计算，仿真分析计算结果以直观的、彩色的图形化方式显示出来，导入结果，可看到图10中部件的变形是由于夸张的放大了位移的缘故，如图9，图中可以直观的看到应力的分布情况，从左上角的信息或者导出的仿真报告中可得知最大应力为40.93 MPa;由机械设计手册知40Cr在25 mm的试样直径下，经850℃油淬和450℃回火的热处理后，抗拉强度为980 MPa，抗剪强度取抗拉强度568.4 MPa，可知其远大于部件可承受的最大应力值，故强度符合要求。对拨杆的有限元分析表明 ，承载区变形较大，其周围局部应力较大，应力分布不均，在其结构设计中，为避免应力集中，可加强承载区域的改进，可采用过度圆弧来连接两个圆柱。采用有限元分析与传统方法相比 ，大大提高了分析精度及设计品质，为进一步改进拨杆结构设计提供了理论依据。以上分析可以得出，应力危险区域为两个圆柱过渡区，满足设计使用寿命。

同时将计算导入结果之后，同样可以生成应力动画，并可录制成视屏，可以看见拨杆所受到应力的动态变化过程，从而方便直观设计过程中核心问题，也可生成html格式的仿真报告，仿真报告如图11。

图10 拨杆的仿真分析结果图

图11 导出仿真报告

另外，应用UGNX软件，当拨杆零件的尺寸及结构进行修改以后 ，只需要改变相应的参数 ，即可进行仿真分析，从而大大提高了计算效率。运用仿真结果对拨杆的强度设计提供了有力设计依据［7］。

4 结论

通过对测试产品被测试项目的研究，为了保证测试可靠性，针对试验台的关键部位零部件的应力受力情况，运用UGNX高级仿真中的有限元分析模块，有效的分析出零部件中的应力情况和形变情况，为其他机械产品的开发提供了借鉴思路。

(1)运用UG－NX的建模模块能够对设计方案进行快捷便利表达。

(2)通过有限元分析，探明了试验台拨杆的应力与位移最大处，因此可对应力较大的地方可以进行针对性的局部修改与加固，在强度保障前的提下对试验台拨杆结构进行优化。

(3)当拨杆零件的尺寸及结构进行修改以后，只需要改变相应的参数，即可进行仿真分析，从而大大提高了设计效率，降低了产品开发成本。

［1］ 王 英，高建国，门世卫，等.隔离开关过热处理技术应用［J］.山西电力，2012(1):11－14.

［2］ 徐 达.塑壳式断路器通用机械寿命试验台控制系统设计［J］.建筑电气，2009(23):58－59.

［3］ 杜平安，甘蛾忠，于亚婷，等.有限元法—原理、建模及应用［M］.北京:国防工业出版社，2004.

［4］ 常德功，卢学玉.机床动力卡盘的UG有限元分析［J］.机械制造与自动化，2005，34(1):99－101.

［5］ 刘 鹏，王好臣.基于UG的立铣刀铣削力的有限元分析［J］.机械工程与自动化，2007(3):36－38.

［6］ 杨国军，石林榕.汽车衡承载架结构的有限元分析［J］.机械研究与应用，2013(2):48－49.

［7］ 丁勇能.基于有限元的发电机轴销孔镶套应力计算［J］.机械研究与应用，2014(5):162－165.