姚永其 郭自豪 張敬濤

（河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山467001）

0 概述

拐臂盒是高壓瓷柱式斷路器的關(guān)鍵零件之一，一般安裝在絕緣支柱下端（固定在支撐架上）連接機(jī)構(gòu)和本體（如圖1所示）。該零件外形復(fù)雜一般采用鋁鑄造成，它的作用主要有以下兩點(diǎn)：一方面拐臂盒在過(guò)程中起到支撐作用,斷路器操作機(jī)構(gòu)的輸出通過(guò)連桿、傳動(dòng)軸帶動(dòng)斷路器本體運(yùn)動(dòng)，拐臂盒要承受機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的力，受力情況很苛刻；另一方面高壓斷路器內(nèi)部一般充有一定壓力的絕緣氣體，壓力一般0.4～0.7MPa，也類似于壓力容器元件，需要校核壓力。

圖1 拐臂盒使用示意圖

以往該類零部件的設(shè)計(jì)往往依據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者手工計(jì)算，經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)往往導(dǎo)致設(shè)計(jì)零件力學(xué)強(qiáng)度不夠或者余量過(guò)大浪費(fèi)材料。本文介紹了基于Ansys軟件的聯(lián)合計(jì)算分析方法，對(duì)設(shè)計(jì)零部件進(jìn)行力學(xué)及氣壓的聯(lián)合計(jì)算，根據(jù)分析結(jié)果修改設(shè)計(jì)零部件，最后達(dá)到理想的設(shè)計(jì)效果。

1 分析計(jì)算方法

1.1 軟件介紹

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱學(xué)、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和耦合場(chǎng)分析為一體的大型通用有限元分析計(jì)算軟件。它能和多數(shù)CAD軟件接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。該程序是一個(gè)功能強(qiáng)大、界面友好的有限元軟件系統(tǒng)，可以運(yùn)行于各種類型的操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)，發(fā)展至今，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于世界工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，也是我國(guó)工程界廣泛使用的大型通用有限元分析軟件之一。該軟件擁有豐富的材料模型庫(kù)、單元庫(kù)和求解器，能夠保證其具有強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)分析能力，可以高效進(jìn)行各種結(jié)構(gòu)靜力分析、動(dòng)力學(xué)分析、非線性分析。靜力分析用于求解結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用下的位移、應(yīng)力和應(yīng)變等。靜力分析分為線性分析與非線性分析兩種。而非線性分析包括材料非線性、幾何非線性、狀態(tài)非線性，涉及塑性、大應(yīng)變、大變形、旋轉(zhuǎn)軟化、應(yīng)力剛化、粘彈性、接觸和蠕變、超彈性等各種情況。

1.2 設(shè)計(jì)分析流程

設(shè)計(jì)過(guò)程的全過(guò)程主要包括：方案初設(shè)計(jì)、方案的分析計(jì)算修改、零部件加工生產(chǎn)、試驗(yàn)驗(yàn)證。分析計(jì)算過(guò)程（既有限元分析過(guò)程）主要分為：建立參數(shù)化的實(shí)體模型、荷載和邊界條件定義、網(wǎng)格控制與劃分、材料定義、求解、后處理,設(shè)計(jì)份修流程如圖2所示。

圖2 拐臂盒設(shè)計(jì)分析流程圖

下面以一個(gè)126kV斷路器拐臂盒設(shè)計(jì)為例，說(shuō)明一下設(shè)計(jì)、計(jì)算過(guò)程。

1.3 拐臂盒設(shè)計(jì)實(shí)例

1.3.1 方案初設(shè)計(jì)

根據(jù)安裝要求、對(duì)接尺寸、動(dòng)力學(xué)傳動(dòng)布置確定大體形狀，同時(shí)參照以往類似零件形狀及尺寸。一般采用三維設(shè)計(jì)軟件，完成零部件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮鑄造、加工的工藝性。材料采用鑄造鋁材如ZAlS7Mg1A，鋁及鋁合鑄件材應(yīng)符合GB/T 1173和GB/T 9438的要求。

1.3.2 模型建立

用ANSYS程序建立模型，或者將設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入計(jì)算軟件。

1.3.3 荷載和邊界條件定義

1）荷載施加

與機(jī)構(gòu)連接的拐臂上施加傳動(dòng)力（或者力矩）：根據(jù)彈簧機(jī)構(gòu)輸出分閘最大力值轉(zhuǎn)化到此處，施加30kN向下（分閘方向），施加于拐臂上（模擬實(shí)際情況，同時(shí)可以校核拐臂、軸的強(qiáng)度）。

內(nèi)壓力施加：內(nèi)壁施加設(shè)計(jì)壓力（0.8MPa）。另外對(duì)于該零件同時(shí)必須進(jìn)行破壞校核，施加3.2M Pa，數(shù)值來(lái)源如下：參照GB7694額定電壓72.5 kV及以上的氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（雖然不是該種設(shè)備，但是有一定的公用性，參考其標(biāo)準(zhǔn)制定參數(shù)）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：外殼結(jié)構(gòu)中使用的材料應(yīng)是熟知的、基于計(jì)算和/或驗(yàn)證試驗(yàn)證明具有最低物理特性。制造廠應(yīng)基于材料供應(yīng)商的檢驗(yàn)證書，或制造廠進(jìn)行的試驗(yàn)，或者兩者，對(duì)材料的選擇和其最低物理特性的維護(hù)負(fù)責(zé)。型式試驗(yàn)的壓力試驗(yàn)要求應(yīng)至少如下：鑄鋁和鋁合金外殼：[3.5/0.7]×設(shè)計(jì)壓力注：數(shù)值0.7是考慮了涵蓋鑄造可能存在的分散性。如果經(jīng)過(guò)專門的材料試驗(yàn)證明，允許將該系數(shù)提高到1.0。對(duì)于破壞要單獨(dú)計(jì)算，如果將破壞壓力和傳動(dòng)力同時(shí)施加會(huì)過(guò)于苛刻，零部件也很難達(dá)到此種工況。

因此加載包括兩種情況：傳動(dòng)軸傳動(dòng)+內(nèi)壁施加設(shè)計(jì)試驗(yàn)的壓力；內(nèi)壁施破壞壓力。

2）固定

按實(shí)際情況固定安裝面，同時(shí)固定內(nèi)部拐臂（模擬傳動(dòng)極端情況，機(jī)構(gòu)動(dòng)作而本體不能動(dòng)作的情況）。載荷施加及固定示意見圖3

圖3 載荷施加及固定示意圖

1.3.4 網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它要求考慮的問(wèn)題較多，需要的工作量較大，所劃分的網(wǎng)格形式對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模將產(chǎn)生直接影響。網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算規(guī)模的大小。一般來(lái)講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計(jì)算精度會(huì)有所提高，但同時(shí)計(jì)算規(guī)模也會(huì)增加，所以在確定網(wǎng)格數(shù)量時(shí)應(yīng)權(quán)衡兩個(gè)因數(shù)綜合考慮。網(wǎng)格疏密是指在結(jié)構(gòu)不同部位采用大小不同的網(wǎng)格，這是為了適應(yīng)計(jì)算數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn)。

1.3.5 材料定義

材料屬性可以在軟件中直接選取（鋁：彈性模量71000MPa；泊松比0.33）。材料破壞極限從材料選取標(biāo)準(zhǔn)中查閱，如ZAlS7Mg1A：σb MPa≥290，常溫下許用應(yīng)力，58MPa。

1.3.6 求解及觀察結(jié)果

進(jìn)行求解，并觀察力分析結(jié)果，后處理的步驟主要有：繪變形圖、變形動(dòng)畫、應(yīng)力等值線圖等。

圖4 計(jì)算結(jié)果示意圖

計(jì)算結(jié)果如圖4，在“傳動(dòng)軸傳動(dòng)+內(nèi)壁施加設(shè)計(jì)試驗(yàn)的壓力”時(shí)所有點(diǎn)的應(yīng)力值均小于材料的破壞強(qiáng)度，拐臂盒應(yīng)力最大處應(yīng)力值為83MPa，安全系數(shù)可以達(dá)到 3.5。 當(dāng)內(nèi)壁施破壞壓力（3.2MPa）時(shí)應(yīng)力最大處應(yīng)力值為180MPa。對(duì)以上計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可以看出拐臂盒可以滿足設(shè)計(jì)要求。如果不滿足設(shè)計(jì)要求則根據(jù)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行修改，再次計(jì)算直到滿足設(shè)計(jì)要求為止。

1.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

水壓破壞：該零部件生產(chǎn)完成后進(jìn)行了破壞水壓試驗(yàn)驗(yàn)證，破壞壓力達(dá)到4.5MPa，完全滿足設(shè)計(jì)需要。破壞位置和計(jì)算位置相同。水壓破壞試驗(yàn)如圖5所示。

圖5 水壓破壞試驗(yàn)示意圖

零部件安裝到斷路器上進(jìn)行了機(jī)械壽命試驗(yàn)，機(jī)械壽命后零件完好。

2 小結(jié)

文章介紹了利用ANSYS軟件計(jì)算進(jìn)行高壓瓷柱式斷路器關(guān)鍵零件-拐臂盒的設(shè)計(jì)、性能分析方法，并以一個(gè)實(shí)例從設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、試驗(yàn)驗(yàn)證說(shuō)明了設(shè)計(jì)全過(guò)程，尤其詳細(xì)說(shuō)明了分析計(jì)算方法，希望能給相關(guān)專業(yè)人員提供一些幫助。有不對(duì)的地方也請(qǐng)大家見諒、指正。

［1］陳精一,蔡國(guó)忠.電腦輔助工程分析 ANSYS使用指南[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,2001.

［2］紀(jì)豐偉,陳懇.二維參數(shù)化技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢(shì)發(fā)展[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程,2000.

［3］GB7674-2008額定電壓72.5kV及以上氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備[S].