GW16/17型隔離開關錐齒輪瞬態接觸有限元分析

蔡東苗 張 任 殷海杰

（河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467000）

隔離開關是一種將檢修或安裝設備與高壓電源進行隔離，保證檢修、安裝人員及設備安全的高壓電器。其中GW16/17型隔離開關在電網中廣泛應用，其具有結構獨特、電氣及機械性能優異，有較強的抗腐蝕、抗地震能力等突出特點。但由于主閘刀底座裝配中的雙四連桿與旋轉瓷瓶是通過一對傘型錐齒輪實現力矩的傳遞，在隔離開關分合閘過程中，承受較大的載荷和沖擊，因此，其易發生點蝕、斷裂、變形等失效情況。

1 GW16 /17 型隔離開關錐齒輪接觸強度理論計算

齒輪材料采用40Cr，其泊松比為0.3，彈性模量為210GPa，電動操作機構的最大輸出力矩按1000N·m。

錐齒輪圓周力：

式中：T-輸入轉矩；

m-錐齒輪模數；

Z1-小錐齒輪齒數，Z1=18。

錐齒輪節圓處的計算接觸應力為：

表1 應力參數值

2 GW16 /17 型隔離開關錐齒輪三維模型的建立

錐齒輪位于瓷瓶上部導電底座內，用于傳遞來自機構的轉矩，實現主動齒輪旋轉90°，從動齒輪旋轉180°的轉化，同時從動齒輪的傳動軸通過拐臂和連桿實現主閘刀的分合閘運動，其結構如圖1所示。

圖1 底座裝配圖

按表2錐齒輪的主要參數創建錐齒輪[1]。將創建完成的錐齒輪實體模型裝配，確保不干涉。再對裝配體進行合理的簡化，去除對有限元結果影響較小的部分，錐齒輪裝配體如圖2所示。

圖2 錐齒輪裝配體

表2 錐齒輪相關參數

3 GW16 /17 型隔離開關錐齒輪瞬態接觸有限元分析

利用ANSYS軟件中的“Configuration Manager”模塊與SolidWorks軟件建立二者之間的無縫接口，把先前建立的GW16/17型隔離開關錐齒輪系統三維簡化模型導入到ANSYS中[2-5]。

3.1 定義單元屬性

網格劃分單元按六面體和四面體。錐齒輪在GW16/17型隔離開關正常工作時要具有足夠的沖擊韌性和機械強度，查機械設計手冊可得錐齒輪的材料屬性。錐齒輪所選用的材料為40Cr，材料的泊松比為0.3 ，彈性模量為210GPa，密度為7.82 g/cm3。

由于GW16/17型隔離開關錐齒輪系統為兩個相交為900的錐齒輪裝配體，在劃分網格之前需要設置接觸面。在“Contacts”中，設置錐齒輪之間的接觸類型，齒輪之間的接觸一般選擇“Frictional”，其值為0.2，在“Behavior”中，選擇“Asymmetric”，在“Connections”中，設置相對地面的旋轉中心，分別代表兩個錐齒輪在正常工作時的情況[6-8]。

3.2 劃分網格

為了確保計算結果的精度，對于兩個錐齒輪采用掃描網格劃分，并配合使用區域控制函數，對于接觸區域，采用局部加密的方法接觸區域，采用局部加密的方法GW16/17型隔離開關錐齒輪劃分的網格如圖3所示，進行網格劃分后共生成707868個節點，459565個單元[9-11]。

圖3 錐齒輪網格劃分圖

圖4 錐齒輪應力云圖

圖5 錐齒輪局部應力云圖

3.3 邊界載荷的施加

按產品實際工況，以大錐齒輪作為輸入對象，輸入轉矩為1000N·m，錐齒輪大端處采用無摩擦支撐。

3.4 結果分析

通過對GW16/17型隔離開關錐齒輪系統的有限元模型進行求解分析，計算結果最大應力值為222.72 MPa。與理論計算應力值為211.708 MPa比相對誤差為5.2 %，導致這種誤差值的主要原因是在進行錐齒輪有限元分析過程中，沒有考慮轉速的影響因素，只考慮輸入轉矩對錐齒輪的作用。理論計算時，是按受力等效方法，把作用力于分度圓上，實際情況，錐齒輪嚙合過程中受力的位置是沿接觸線變化的；另外，在仿真分析前處理過程中，模型的簡化、網格的劃分以及接觸對摩擦系數的選擇，也是對仿真結果造成一定的影響。

在完成GW16/17型隔離開關錐齒輪瞬態接觸應力分析后，為了驗證齒輪正常工作狀態下的可靠性，進一步對其進行安全系數分析。由圖6可知，錐齒輪在正常工作條件下，安全系數為1.0387 大于1，因此，GW16/17型隔離開關錐齒輪的接觸應力不會達到屈服極限。

圖6 錐齒輪安全系數云圖

4 結論

通過理論計算值與仿真值對比，計算誤差在約10%，是符合應用工況要求，同時仿真計算能更好的顯示整個錐齒輪在正常工作條件下接觸應力分布狀況，因此，利用ANSYS有限元分析得到的結果是可行的。通過對GW16/17型隔離開關錐齒輪的有限元分析，可以明確應力分布情況，為合理規劃錐齒輪的受力奠定了理論基礎。