一起断路器传动系统连杆变形故障

2024-03-08山东泰开高压开关有限公司张建磊夏俭俭

电力设备管理 2024年1期

山东泰开高压开关有限公司张建磊刘永常浩夏俭俭鉴超徐凯

随着人类社会进入电气化时代，电力能源得到广泛的应用，电网系统的安全性和可靠性至关重要，而断路器则是电网系统中起控制保护作用的重要装置之一，因此国内外大量学者和研究人员对断路器做了详细的研究[1-2]。

在实际运行中，传动机构可能发生某些故障导致传动机构出现卡顿，甚至会出现卡死现象，这样会造成断路器无法及时完成开断工作。比如，相间连杆的弯曲就是一种常见的故障，当连杆发生弯曲时，轻则影响分合闸速度，严重的甚至会导致断路器无法开断。断路器内部结构复杂，且不断有新型的结构出现，若仅用试验方式验证，周期较长且成本较高，因此可以借助CAE 仿真手段对相间连杆的受力状态进行分析，探究连杆发生弯曲的原因并寻求解决方案，这对实际工程具有重要的指导意义。

目前大部分研究中，均将传动机构当作刚性体进行研究，随着计算机运算能力的提高和有限元方法的发展，一些研究人员通过显示动力学方法研究了结构在大变形下的动力学问题，多重非线性准静态问题甚至是更为复杂的接触问题。通过研究应力分布和变形发现断路器的连杆会发生多次弯曲[3]。还有文献研究了传动机构的动作特性和传动效率[4]。之前，研究大多集中在运动学和动力学方面的分析，而本文从屈曲的角度来研究传动系统失效的一个原因，尤其是当结构中存在细长杆件时必须考虑其屈曲失效的形式。

1 问题描述

根据现场反馈，某站一断路器在合闸过程中传动系统的连杆发生向上弯曲，如图1传动系统示意所示左边相与中相上连杆，左边相上连杆的紧固螺母松动，断路器无法分闸。

图1 传动系统示意

2 拉杆弯曲的原因分析

连杆处紧固螺母的安装方式如图2传动系统局部图所示，连杆旋入接头，然后用紧固螺母压接平垫的方式进行防松。机构悬挂在B 相，机构动作时，带动中相拐臂，中相拐臂通过相间连杆带动两个边相进行动作，如图1所示。断路器合闸时，A/B 间上连杆承受中相拐臂的推力作用，分闸时，A/B 间上连杆承受中相拐臂的拉力作用。由于连杆的长度较长，断路器在分合闸过程中，连杆存在纵向变形。

图2 传动系统局部图

连杆在分闸和合闸过程中会受到拐臂施加的拉力或压力作用。而细长杆件在承受压力时，会出现一种低应力破坏的现象，即在其应力远低于屈服强度的情况下而发生的破坏，这种现象称为失稳（屈曲）。因此，在细长杆件承受压力载荷时，须校核其稳定性。

根据现场情况来看，A/B 间上连杆的弯曲是由于屈曲即失稳造成的，失稳的可能原因一是连杆处的紧固螺母松动，导致A/B 间的连杆长度变长，在分合闸过程中，导致纵向受力较大，产生失稳；另一个可能的原因是连杆本身的刚度不足，柔度较大，在分合闸过程中产生失稳。

3 连杆失稳分析

在连杆受压时，细长杆件的失稳往往会发生在材料破坏之前，若仅按强度验算，则会严重高估结构的极限载荷。因此，对A/B 间连杆进行稳定性分析，计算压杆的临界压力和临界应力。

压杆的柔度（也可以叫细长比）记为λ，λ=uL/i。其中，i 为横截面的惯性半径，u 为长度系数，与压杆两端的约束情况有关。对于两端铰支细长压杆，u=1。

细长压杆临界压力欧拉公式为Fcr=π2EI/（uL2）。E 为弹性模量，I 为截面惯性矩（圆的截面惯性矩为I=πD4/64，D 为圆的直径），L 为压杆长度。

细长压杆的临界应力为σcr=Fcr/A=π2E/λ2。

在本模型中，因为杆两端约束为铰支，所以取u=1，长度L=1.6m，横截面的惯性半径i=0.007m，弹性模量E=2.06×1011Pa。带入可得：压杆细长比λ=228.6，临界压力Fcr=1500N，临界应力σcr=39MPa。

因此，当A/B 间下连杆承受压力大于等于1500N时，A/B 间上连杆便发生失稳，压杆受压的承载能力远低于材料破坏承载极限。如图3所示为设计规范中压杆设计应力与细长比的关系曲线，黑色点划线为欧拉理论值，红色实线为GB50017规范值，蓝色实线为AISC360规范值。明显看出随着细长比的增大，结构的屈服应力远低于其屈服强度。

图3 压杆设计应力与细长比的关系曲线

现通过Ansys 计算其临界屈曲压力并提取振型，Ansys 中提供了两种分析结构屈曲的方法，分别是非线性屈曲和特征值屈曲（线性屈曲）。此次分析采用特征值屈曲分析。

现就现场出现的问题做如下仿真分析：模型简化。图4为传动系统，图5为连杆及其连接件。现对模型进行以下简化处理：将连杆及其连接件简化为一根实心圆柱，圆截面直径为14mm，实心圆柱长度为1600mm。

图4 传动系统

图5 连杆及其连接件

边界条件。根据图4传动系统中可以看出，连杆及其连接件两端均为铰支。在直角坐标系中，设杆的长度方向为y 方向。因此，边界条件可以设置为：一端约束ux，uy，uz，rotx，roty，放开rotz；即连杆仅可绕此端作沿z 轴的转动。另一端约束ux，uz，rotx，roty，放开uy，rotz；即连杆可绕此端作沿z 轴的转动并且可沿y 方向移动。在y 向施加大小为1的单位压力。

屈曲分析参数。单元选择beam189单元，材料为低碳钢，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比0.3。如图6模型所示，横截面为半径7mm 的实心圆（圆周分割数为100份，半径分割数为8份），杆长1600mm。

图6 模型

计算结果，前六阶阵型见表1。

表1 前六阶阵型

此六阶的线性屈曲系数见表2。

表2 六阶的线性屈曲系数

可以看出，最小的临界屈曲载荷应为1497.4N。通过与理论计算结果比对，可认为ansys 屈曲分析过程中模型建立，网格划分，边界条件等选择较为准确，其结果具有较高可信度。从图4中可以看出，左下杆和右下杆的几何关系为具有相同的变形，即左下杆的压缩量和右下杆的拉伸量是相同的。根据ΔL=FL/EA 可以得出拉杆受的拉力F 和杆和变形量ΔL 的关系。压杆失稳后的变形计算比较复杂，可参考图7数据，压杆失稳后，稍微增大压力，压杆就会发生极大的变形。比如变形增加了20%，压杆的压力载荷只需增加0.1倍，而拉杆若产生20%的变形（实际上早已断裂），需要的拉力将是压杆压力的数千倍甚至更高。因此，正常工况下，分合闸时主要是拉杆受力，压杆只承受很小的载荷，从而使得压杆受力低于临界压力，或达到临界压力之后压力几乎不再增加。