断路器三联箱有限元强度分析

2019-05-31王向克王茜茜张帆姚灿江

山东工业技术 2019年15期

王向克　王茜茜　张帆　姚灿江

摘要：以LW10B系列断路器三联箱为研究对象，运用SolidWorks三维软件对其进行实体建模，然后利用ANSYS Workbench对其进行强度分析。分析表明：利用ANSYS Workbench对断路器三联箱进行强度分析，可以清楚地确定断路器三联箱变形情况，避免理论计算的复杂性，为断路器三联箱的改进奠定了理论基础。

关键词：三联箱；有限元；强度分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.174

0 引言

断路器产品是高压开关设备中最重要的设备之一，具有开合电路的专用灭弧装置，不仅能通断负荷电流，而且能接通和承受一定时间的短路电流，并能在保护装置作用下自动跳闸，切除短路故障。在负荷投入或转移时，它应该准确地开合。在设备（发电机、变压器和电动机等）出现故障或母线、输配电线路出现故障时，它能有选择地动作，保证非故障点的安全连续运行，在维护电力系统的安全、经济和可靠性运行中发挥重要作用。由于其结构的特殊性和作用的重要性，其被广泛应用于发电厂、变电所及电力系统中。三联箱是保障LW10B断路器正常工作的枢纽，其结构的稳定性和抗震性是保证其正常工作的前提，如果三联箱结构设计不合理，在工作过程中极易产生较大的振动和噪声，影响断路器使用性能和寿命。对断路器三联箱进行强度分析，为断路器提高可靠性理论依据。

1 断路器三联箱三维模型的建立

LW10B系列断路器，灭弧室采用变开距压气式结构，双断口串联形式，呈Y字形布置。由三联箱左右两侧分别放置一个灭弧室装置，液压碟簧机构通过绝缘拉杆把力传递给三联箱的拐臂装置，拐臂装置把竖直方向的机构操作力转化为灭弧室装配的轴向力，三联箱左右两侧法兰呈前后布置的方式，避免拐臂装置在传递力的过程中相互干涉。LW10B系列断路器结构紧凑，布局合理，机械操作轻巧、平稳，现场安装调整方便。其主要由灭弧室装配、三联箱、支柱绝缘子和液压碟簧机构等组成。LW10B系列断路器三维简图如图1所示。

对于有限元模型的建立方式主要有以下两种，一种是利用ANSYS Workbench自带的几何建模“Engineering Data”直接建立，另一种则是通过其它三维软件建立几何模型再利用三维与ANSYS之间的无缝接口导入已建立的模型。由于三联箱结构比较复杂，且ANSYS的三维建模能力存在一定的局限性，本文主要采用SolidWorks来建立断路器三联箱的三维实体模型。在建模之初，为了实现计算的便捷性，对三联箱模型进行合理的简化，去除对分析结果影响较小的结构，简化后的三联箱模型如图2所示。

2 断路器三联箱强度分析

有限元分析的基本思想是将结构或连续体的求解域离散为若干个单元，并通过边界的节点相互联结为一个组合体，然后用每个单元内所假设的近似函数来分片地表示全求解域内待求解的未知场变量。有限元强度分析的目标在于识别出系统的目标的应力、应变和变形参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。

LW10型柱式六氟化硫断路器，三联箱结构材料采用ZL101A-T6铸铝硅合金。为了优化设计三联箱，充分利用制造原材料，现对三联箱进行强度、刚度等计算分析，以验证新设计的三联箱满足强度、刚度等设计要求。

2.1 三联箱网格划分

定义单元类型为四面体单元，设置断路器三联箱的材料属性，弹性模量71000MPa，泊松比為0.33，密度为2680kg/m3。采用四面体单元与六面体单元混合网格单元划分，以六面体单元为主，法兰过渡处为5mm细化网格，细化网格单元密度，提高数值计算精度。总体网格单元数为172685，节点数为778049，网格过渡平滑，无畸变网格，网格质量较高，满足数值计算模型的要求，三联箱网格划分如图3所示。

2.2 三联箱边界条件的施加

三联箱主要承受静载荷和风载荷。静载荷主要包含内压力载荷、端子静拉力载荷以及灭弧室装配和三联箱自身重力载荷详见表1，而风载荷按照设计风速34m/s对应风压700Pa计算，主要包含灭弧室装配和三联箱等所受风载荷，风载荷工况如表1所示，载荷加载图如图4所示。

2.3 后处理

采用有限元ANSYS Workbench软件对所研究组件进行组合载荷的工况分析，三联箱应力云图如图5所示，变形云图如图6所示。

通过对三联箱的有限元模型进行求解后，得到三联箱的应力分布云图和变形云图。通过应力云图可以看出：从三联箱法兰与筋板接触区域应力较大，上接触区域是拉应力，而法兰下端则是压应力，左右两法兰筋板所受的应力先减小再增大，筋板中间位置应力最大，所受的最大应力为126.7MPa。从三联箱变形云图可知，两侧法兰上端变形最大，而下端筋板位置变形相对较小。

在完成三联箱强度分析后，进一步探索三联箱正常工作状态下的可靠性，因此对其进行安全系数分析。在ANSYS Workbench工作环境中提供了一个基于最大等效应力（Max Equivalent stress）的寿命分析工具，可以根据三联箱的受力情况，生成三联箱的安全系数云图，进而根据安全系数云图判断三联箱的寿命以及最容易破坏的区域。三联箱安全系数云图如图7所示。

由图7可知，三联箱在LW10型断路器正常工作条件下，安全系数为1.0261大于1，因此，三联箱所受应力不会达到屈服极限。

3 结论

（1）在有限元仿真分析过程中，合理的建模、网格的划分以及摩擦系数的选择均会对仿真结果造成一定的影响。

（2）通过对三联箱的有限元分析，可以明确应力分布情况，为合理规划三联箱的受力奠定了理论基础。

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