斷路器三聯箱有限元強度分析

王向克　王茜茜　張帆　姚燦江

摘 要：以LW10B系列斷路器三聯箱為研究對象，運用SolidWorks三維軟件對其進行實體建模，然后利用ANSYS Workbench對其進行強度分析。分析表明：利用ANSYS Workbench對斷路器三聯箱進行強度分析，可以清楚地確定斷路器三聯箱變形情況，避免理論計算的復雜性，為斷路器三聯箱的改進奠定了理論基礎。

關鍵詞：三聯箱；有限元；強度分析

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

0 引言

斷路器產品是高壓開關設備中最重要的設備之一，具有開合電路的專用滅弧裝置，不僅能通斷負荷電流，而且能接通和承受一定時間的短路電流，并能在保護裝置作用下自動跳閘，切除短路故障。在負荷投入或轉移時，它應該準確地開合。在設備（發電機、變壓器和電動機等）出現故障或母線、輸配電線路出現故障時，它能有選擇地動作，保證非故障點的安全連續運行，在維護電力系統的安全、經濟和可靠性運行中發揮重要作用。由于其結構的特殊性和作用的重要性，其被廣泛應用于發電廠、變電所及電力系統中。三聯箱是保障LW10B斷路器正常工作的樞紐，其結構的穩定性和抗震性是保證其正常工作的前提，如果三聯箱結構設計不合理，在工作過程中極易產生較大的振動和噪聲，影響斷路器使用性能和壽命。對斷路器三聯箱進行強度分析，為斷路器提高可靠性理論依據。

1 斷路器三聯箱三維模型的建立

LW10B系列斷路器，滅弧室采用變開距壓氣式結構，雙斷口串聯形式，呈Y字形布置。由三聯箱左右兩側分別放置一個滅弧室裝置，液壓碟簧機構通過絕緣拉桿把力傳遞給三聯箱的拐臂裝置，拐臂裝置把豎直方向的機構操作力轉化為滅弧室裝配的軸向力，三聯箱左右兩側法蘭呈前后布置的方式，避免拐臂裝置在傳遞力的過程中相互干涉。LW10B系列斷路器結構緊湊，布局合理，機械操作輕巧、平穩，現場安裝調整方便。其主要由滅弧室裝配、三聯箱、支柱絕緣子和液壓碟簧機構等組成。LW10B系列斷路器三維簡圖如圖1所示。

對于有限元模型的建立方式主要有以下兩種，一種是利用ANSYS Workbench自帶的幾何建模“Engineering Data”直接建立，另一種則是通過其它三維軟件建立幾何模型再利用三維與ANSYS之間的無縫接口導入已建立的模型。由于三聯箱結構比較復雜，且ANSYS的三維建模能力存在一定的局限性，本文主要采用SolidWorks來建立斷路器三聯箱的三維實體模型。在建模之初，為了實現計算的便捷性，對三聯箱模型進行合理的簡化，去除對分析結果影響較小的結構，簡化后的三聯箱模型如圖2所示。

2 斷路器三聯箱強度分析

有限元分析的基本思想是將結構或連續體的求解域離散為若干個單元，并通過邊界的節點相互聯結為一個組合體，然后用每個單元內所假設的近似函數來分片地表示全求解域內待求解的未知場變量。有限元強度分析的目標在于識別出系統的目標的應力、應變和變形參數，為結構系統的振動特性分析、振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優化設計提供依據。

LW10型柱式六氟化硫斷路器，三聯箱結構材料采用ZL101A-T6鑄鋁硅合金。為了優化設計三聯箱，充分利用制造原材料，現對三聯箱進行強度、剛度等計算分析，以驗證新設計的三聯箱滿足強度、剛度等設計要求。

2.1 三聯箱網格劃分

定義單元類型為四面體單元，設置斷路器三聯箱的材料屬性，彈性模量71000MPa，泊松比為0.33，密度為2680kg/m3。采用四面體單元與六面體單元混合網格單元劃分，以六面體單元為主，法蘭過渡處為5mm細化網格，細化網格單元密度，提高數值計算精度。總體網格單元數為172685，節點數為778049，網格過渡平滑，無畸變網格，網格質量較高，滿足數值計算模型的要求，三聯箱網格劃分如圖3所示。

2.2 三聯箱邊界條件的施加

三聯箱主要承受靜載荷和風載荷。靜載荷主要包含內壓力載荷、端子靜拉力載荷以及滅弧室裝配和三聯箱自身重力載荷詳見表1，而風載荷按照設計風速34m/s對應風壓700Pa計算，主要包含滅弧室裝配和三聯箱等所受風載荷，風載荷工況如表1所示，載荷加載圖如圖4所示。

2.3 后處理

采用有限元ANSYS Workbench軟件對所研究組件進行組合載荷的工況分析，三聯箱應力云圖如圖5所示，變形云圖如圖6所示。

通過對三聯箱的有限元模型進行求解后，得到三聯箱的應力分布云圖和變形云圖。通過應力云圖可以看出：從三聯箱法蘭與筋板接觸區域應力較大，上接觸區域是拉應力，而法蘭下端則是壓應力，左右兩法蘭筋板所受的應力先減小再增大，筋板中間位置應力最大，所受的最大應力為126.7MPa。從三聯箱變形云圖可知，兩側法蘭上端變形最大，而下端筋板位置變形相對較小。

在完成三聯箱強度分析后，進一步探索三聯箱正常工作狀態下的可靠性，因此對其進行安全系數分析。在ANSYS Workbench工作環境中提供了一個基于最大等效應力（Max Equivalent stress）的壽命分析工具，可以根據三聯箱的受力情況，生成三聯箱的安全系數云圖，進而根據安全系數云圖判斷三聯箱的壽命以及最容易破壞的區域。三聯箱安全系數云圖如圖7所示。

由圖7可知，三聯箱在LW10型斷路器正常工作條件下，安全系數為1.0261大于1，因此，三聯箱所受應力不會達到屈服極限。

3 結論

（1）在有限元仿真分析過程中，合理的建模、網格的劃分以及摩擦系數的選擇均會對仿真結果造成一定的影響。

（2）通過對三聯箱的有限元分析，可以明確應力分布情況，為合理規劃三聯箱的受力奠定了理論基礎。

參考文獻：

[1]戚援，陳沛.彈性車輪有限元靜強度分析及疲勞強度校核[J].軌道交通裝備與技術，2018（06）：13-15.

[2]楊心理.高壓管箱法蘭的強度和剛度有限元分析[J].壓力容器，2018，35（06）：45-49.

[3]寧可，張祥儒，關榮鑫.基于ANSYS的城軌鑄鐵箱體結構強度有限元分析[J].2018，35（S1）：159-161.

[4]張海蘭.基于有限元的鎖緊液壓缸強度接觸分析[J].機械工程師，2018（08）：140-143.

[5]賀軍.基于有限元法的ZY6400/21/45型放頂煤液壓支架強度分析[J].機械管理開發，2019（02）：99-103.

[6]陳龍，胡鵬翔，王英杰.某三缸汽油機曲軸箱強度及疲勞有限元分析[J].2018（23）：134-135.

[7]姚瑤，于維一，趙禮輝.某重型變速箱端蓋強度有限元分析及試驗研究[J].2019，41（01）：133-139.

作者簡介：王向克（1989-），男，河南平頂山人，本科，工程師，研究方向：高壓電器設備研發和制定相關國家標準。

*為通訊作者