大功率高压开关液压操动机构活塞杆有限元分析

苏东海，庞林恺

大功率高压开关液压操动机构活塞杆有限元分析

苏东海，庞林恺

(沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳110870)

介绍了一种大功率高压开关集成式液压弹簧操动机构的结构及工作原理;建立了高压开关液压操动机构的三维实体模型;研究其关键部件活塞杆的受力状况并进行了有限元分析，得出活塞杆最大位移变形和最大应力集中部位，为产品研发升级提供理论依据。

高压开关;液压操动机构;活塞杆;有限元分析

0 前言

高压开关是输变电系统的关键设备，其操动机构的主要作用就是带动动触头的合与分［1］。在常用的液压操动机构中，活塞杆作为液压缸中重要的传动执行元件，联接着液压缸和开关动触头，其工作环境恶劣，所受应力大，受冲击频繁［3］。在实际产品应用中经常出现活塞杆断裂的事故，活塞杆稳定性直接影响到机械设备的使用寿命与工作性能［3］。而国内对活塞杆的应力分析、强度校核和稳定性分析还没有受到重视，在活塞杆的设计与校核中所用的分析方法较为原始，因此，采用现代有限元法对活塞杆的应力分析、强度校核以及稳定性进行有限元分析，对于优化其结构和延长其使用寿命以及提高其经济效益具有重要意义。

1 液压操动机构的结构及工作原理

液压操动机构的结构如图1所示。本型号操动机构采用压缩碟簧片组来获得能量的机械式能量储存方式，并且运用了环形储能缸体的密封技术和复合密封材料，在主体结构上创新采用了储能与工作缸套装式结构组合式密封储能缸体，实现了液压系统的高压可靠密封［4］。液压操动机构的工作原理如图2所示，图示位置P腔为高压腔、A腔与液压缸下侧连通，T腔与回油箱连通。P、A两腔封闭，A、T两腔与回油箱连通，机构处于分闸位置。当合闸电磁阀通电时，电磁阀阀芯在电磁力的作用下开启，控制油经电磁阀作用在换向阀阀芯上，阀芯移动，使得P、A两腔连通，A、T两腔封闭，机构处于合闸位置。当任意一个分闸电磁阀通电时，电磁阀阀芯在电磁力作用下开启，使得A、T两腔连通，机构处于分闸位置。

图1 液压操动机构结构示意图Fig.1Structure diagram of hydraulic operating mechanism

图2 液压操动机构原理图Fig.2Schematic diagram of hydraulic operating mechanism

2 活塞杆受力分析

式中，F为单片碟簧的载荷，N;f为单片碟簧变形量，cm;α为计算系数。

液压操动机构通过碟簧片组的压缩来储备油液的压力能，在需要的时候将此能量释放出来完成有用功。要分析组合的碟簧片组，首先要分析单片碟簧的载荷与变形量的关系。图3为单片碟簧示意图。

单片碟簧载荷与变形关系公式为

图3 碟簧片结构示意图Fig.3Structure diagram of disc spring

计算系数:

式中，E为弹性模量，N/cm2;μ为泊松比;C为碟片外径与内径之比。

碟簧储能器总载荷为

式中，n为叠合层数。

忽略蓄能器到工作缸的压力损失，得出系统额定油压为

式中，Dg为液压操动机构工作缸活塞直径;dg为液压操动机构工作缸活塞杆直径。

活塞杆的受力示意图如图4所示。

式中，Dh为蓄能器活塞直径;Dg为蓄能器活塞杆直径。

活塞杆在分闸的时候所受油压力最大，在得出系统油压之后，通过计算活塞杆的受力面积得出活塞杆的分闸受力公式为

图4 活塞杆受力示意图Fig.4Force diagram of piston rod

3 活塞杆有限元分析

以某型号高压开关为例，建立活塞杆的三维实体模型，设定其材料参数为:弹性模量207 GPa，泊松比0.25，密度7 800 kg/m3，材料抗拉强度1 080 MPa，屈服强度835 MPa。

将模型以*.x_t格式导入ANSYS的前处理界面中进行网格划分，单元类型为四面体非结构化网格，总体网格尺寸在4 mm左右，经过网格划分，共生成四面体单元共45344个，节点68576个。得到结构网格剖分示意图如图5所示。

图5 活塞杆网格划分Fig.5Piston rod mesh generation

经计算求解并提取得到有限元软件ANSYS的后处理结果。

计算得到结构的变形图如图6，由图中变形云图可以看出，结构最大变形位置在结构端部，结构最大位移为0.33 mm。

图6 结构变形位移图Fig.6Deformation contour of piston rod

计算得到结构应力云图如图6所示，结构各特征点应力云图如图7所示。由应力云图可以看出，结构最大应力发生在活塞杆径缩部位处，由此可以判断该部位为结构较危险部位。该处最大应力为367.14 MPa，但都小于结构的屈服应力。最大应力发生位置有较为明显的应力集中现象，故应在设计使用中加以注意。

图7 结构应力云图Fig.7Stress contour of piston rod

4 结束语

活塞杆在执行元件液压缸中起到了执行动作的关键作用，是一个运动频繁、技术要求高的运动部件，其加工质量的好坏直接影响整个产品的寿命和可靠性［5］。因此，对于活塞杆的强度分析变得十分重要，而通过ANSYS软件的有限元分析，可以准确得出活塞杆的结构应力云图以及结构变形位移图，从而可以直观的得出活塞杆结构强度分析情况，为产品的研发与升级改造提供便利。

［1］陈保伦．液压操动机构设计与应用［M］．北京:机械工业出版社，2011．

［2］刘平安，槐创锋．详解ANSYS有限元分析［M］．北京:电子工业出版社，2015．

［3］邹高鹏，王永良．高压断路器配液压操动机构液压缸缓冲特性的仿真研究［J］．液压与气动．2011 (9)．

［4］刘伟，徐兵，杨华勇，等．高压断路器液压操动机构特性分析［J］．机械工程学报．2010(10):23－25．

［5］李壮云．液压元件与系统［M］．北京:机械工业出版社，2011．

［6］苏东海，于江华，王连鹏，等．高压SF6断路器液压操动机构的阀控缸系统数学模型及其速度特性分析［J］．组合机床与自动化加工技术．2007 (2)．

Finite element analysis of piston rod for hydraulic operating mechanism with lager power high-tension switch

SU Dong-hai，PANG Lin-kai
(College of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Liaoning Shenyang 110870，China)

The thesis introduce the structure and working principle of a hydraulic operating mechanism for high voltage circuit breaker，and establish the three-dimensional model of the mechanism．The piston rod，the key component of the mechanism，its load condition was studied and analyzed．Then the part of the maximal deformation and the maximal stress was obtained．The finite element analysis results could provide theoretical basis for the development and upgrade of the product．

high-tension switch;hydraulic operating mechanism;piston rod;finite elerment analysis

TH137.5

A

1001－196X(2017)01－0084－03

2015－11－27;

2015－12－23

辽宁省高等学校优秀科技人才支持计划(LR2012004);沈阳市科学技术计划项目(F13－069－2－00)

苏东海(1965－)，男，沈阳工业大学机械工程学院教授，博士，研究方向为流体传动与控制。