萬宇杰，潘 高，畢 翔

(江漢大學機電與建工學院，湖北武漢 430056)

0 引言

某電器公司某型隔離開關主要用來將高壓配電裝置中需要停電的部分與帶電部分可靠的隔離，以保證檢修工作的安全［1－2］。這就對產品的機械壽命和電壽命都有了比較高的要求。根據GB14048.3對隔離開關的機械壽命的要求，設計一款隔離開關的機械壽命試驗臺是本課題研究的目的之一。

某型隔離開關機械壽命的測試是通過通用試驗臺進行測試的，它是公司為所生產的隔離開關各系列產品、測試壽命而開發(fā)的非標設備。為了安裝方便，測試臺采用旋轉180°安裝被測試樣品，安裝完后再反向旋轉180°回到測試狀態(tài)。圖1中為樣品安裝位。圖1為該類隔離開關電器產品的進行測試的通用測試臺。

試驗臺的機械性能測試是模仿人手操作的過程，其測試次數是成千上萬次，為了解決測試的可靠性，必須保證測試設備的穩(wěn)定性，本測試設備中撥桿結構和性能決定了這些參數獲取的有效性，為此，必須針對撥桿進行可靠性測試，從而保證試驗臺的安全可靠。

圖1 某電器通用試驗臺圖

基于NXUG軟件所集成的強大三維建模、虛擬裝配、動畫仿真、有限元分析和工程圖生成的功能［3－5］，提高產品的生產效率、縮短制造周期，同時能夠無需其他軟件就可分析部件的應力情況，借此來輔助零件的設計，進而更好更快地滿足市場快速變化的需求，實際證明起到較好的經濟效果［6］。

1 試驗臺結構及原理

如圖2為某電器公司的某型電器產品，為了測試其手柄的機械壽命，圖中隔離開關處于ON(合閘)狀態(tài)，將直接手柄順時針旋轉90°，隔離開關處于OFF(分閘)狀態(tài)，完成一次合分閘過程，機械壽命試驗記數一次，直到被測隔離開關不能正常分合主回路時，試驗結束，統(tǒng)計試驗次數。圖3為產品正處于測試過程中狀態(tài)位置。

圖2 某隔離開關示意圖

圖3 撥桿A在試驗臺中位置圖

測試過程機械傳動方式如圖4，通過電機－聯軸器－蝸桿－蝸輪－撥盤－撥桿－手柄，電機受控制指令進行正反旋轉，最后帶動撥桿也正反旋轉，將手柄從B位置旋轉到C位置，完成一次檢測，如此反復。記錄循環(huán)次數，同時每次都要檢測電參數是否正常，不正常時試驗停止。

圖4 試驗臺的機械性能測試工作過程原理圖

可見，撥爪盤與撥桿是整個機構中的帶動手柄旋轉的執(zhí)行件，在實驗中電機通過機械系統(tǒng)的帶動撥爪盤，相對應的撥爪盤A通過2個M10沉頭螺釘與聯軸法蘭固定，撥桿A通過H7/k6的過渡配合與撥爪盤A相連，撥爪盤與撥桿A一起做運動，實驗是周期旋轉90°，來測試電器的機械壽命，選取的是較大規(guī)格的電器產品，前期經過設計計算，撥桿采用40Cr并表面鍍鎳來保證其強度和耐磨性。同時，整臺設備可以通過更換撥爪盤和撥桿來與不同規(guī)格的產品手柄相配合，提高了設備的通用性。如圖5所示A型號的撥爪盤與撥桿就是針對大規(guī)格的產品所設計的。在文中針對核心零件撥桿A進行了有限元分析，從而實現了提高設計成功率的目的。

2 撥桿的有限元模型建立

2.1 創(chuàng)建幾何模型及網格劃分

針對撥桿零件受力特點，本次設計采用UGNX自帶有限元分析模塊，簡化了設計過程，其流程主要包括:高級仿真、前處理、新建FEM和仿真、新建解算方案、網格劃分、添加載荷、指派材料、分析解算、后處理、應力分析、生成應力分析動畫、導出報告、核定設計結果，圖6為撥桿A的受力模型圖。

圖5 撥桿A在撥爪盤安裝圖

圖6 撥桿A的受力模型圖

撥桿作為電器性能測試的工作點，用UGNX軟件建立三維幾何模型如圖5，受力模型簡化為如圖6，其中受力F為交變循環(huán)應力，上下F力不會同時出現加載，圖7為UG軟件三維模型網格的劃分是完全自動的，可對幾何模型直接進行操作，采用10節(jié)點四面體單元操作結果如圖7。

圖7 撥桿的網格劃分圖

2.2 創(chuàng)建約束和載荷

通過分析和簡化受力模型，建立了載荷和約束條件，載荷和邊界條件的設定后，并通過圖形顯示出來。它們都和幾何模型相關，幾何體發(fā)生更改，載荷和邊界條件也會自動更新。

完成的約束見圖8，由于撥桿和撥桿盤之間采用的H7/k6配合(過盈配合)，所以可以使用固定約束來約束接觸的圓柱面和臺階面。

根據所需測量產品資料知，全系列中最大規(guī)格的產品手柄力標準扭矩為55 N·m，當內部機構出現故障時異常手柄力扭矩最大可能達到90 N·m，在這里取極限情況來進行分析，當手柄力90 N·m，此時兩撥桿圓心距離為55 mm，作用在撥桿上的徑向力F=90 N·m/55 mm=1 636.36 N，完成載荷的添加，添加載荷的撥桿圖見圖9。

圖8 撥桿完成固定約束圖

圖9 添加載荷的撥桿圖

2.3 指派材料及設定分析

撥桿依照設計經驗采用硬度較高的40Cr，查得材料庫中對應國內材料牌號40Cr為iron_40，完成確定材料。

采用UGNX提供了有限元分析NASTRAN求解器、它能夠提供自適應分析特征，實現細化網格的自動化，從而縮短分析時間、提高網格質量并保證更精確的分析結果。

3 仿真結果分析

通過上節(jié)分析和計算，仿真分析計算結果以直觀的、彩色的圖形化方式顯示出來，導入結果，可看到圖10中部件的變形是由于夸張的放大了位移的緣故，如圖9，圖中可以直觀的看到應力的分布情況，從左上角的信息或者導出的仿真報告中可得知最大應力為40.93 MPa;由機械設計手冊知40Cr在25 mm的試樣直徑下，經850℃油淬和450℃回火的熱處理后，抗拉強度為980 MPa，抗剪強度取抗拉強度568.4 MPa，可知其遠大于部件可承受的最大應力值，故強度符合要求。對撥桿的有限元分析表明 ，承載區(qū)變形較大，其周圍局部應力較大，應力分布不均，在其結構設計中，為避免應力集中，可加強承載區(qū)域的改進，可采用過度圓弧來連接兩個圓柱。采用有限元分析與傳統(tǒng)方法相比 ，大大提高了分析精度及設計品質，為進一步改進撥桿結構設計提供了理論依據。以上分析可以得出，應力危險區(qū)域為兩個圓柱過渡區(qū)，滿足設計使用壽命。

同時將計算導入結果之后，同樣可以生成應力動畫，并可錄制成視屏，可以看見撥桿所受到應力的動態(tài)變化過程，從而方便直觀設計過程中核心問題，也可生成html格式的仿真報告，仿真報告如圖11。

圖10 撥桿的仿真分析結果圖

圖11 導出仿真報告

另外，應用UGNX軟件，當撥桿零件的尺寸及結構進行修改以后 ，只需要改變相應的參數 ，即可進行仿真分析，從而大大提高了計算效率。運用仿真結果對撥桿的強度設計提供了有力設計依據［7］。

4 結論

通過對測試產品被測試項目的研究，為了保證測試可靠性，針對試驗臺的關鍵部位零部件的應力受力情況，運用UGNX高級仿真中的有限元分析模塊，有效的分析出零部件中的應力情況和形變情況，為其他機械產品的開發(fā)提供了借鑒思路。

(1)運用UG－NX的建模模塊能夠對設計方案進行快捷便利表達。

(2)通過有限元分析，探明了試驗臺撥桿的應力與位移最大處，因此可對應力較大的地方可以進行針對性的局部修改與加固，在強度保障前的提下對試驗臺撥桿結構進行優(yōu)化。

(3)當撥桿零件的尺寸及結構進行修改以后，只需要改變相應的參數，即可進行仿真分析，從而大大提高了設計效率，降低了產品開發(fā)成本。

［1］ 王 英，高建國，門世衛(wèi)，等.隔離開關過熱處理技術應用［J］.山西電力，2012(1):11－14.

［2］ 徐 達.塑殼式斷路器通用機械壽命試驗臺控制系統(tǒng)設計［J］.建筑電氣，2009(23):58－59.

［3］ 杜平安，甘蛾忠，于亞婷，等.有限元法—原理、建模及應用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.

［4］ 常德功，盧學玉.機床動力卡盤的UG有限元分析［J］.機械制造與自動化，2005，34(1):99－101.

［5］ 劉 鵬，王好臣.基于UG的立銑刀銑削力的有限元分析［J］.機械工程與自動化，2007(3):36－38.

［6］ 楊國軍，石林榕.汽車衡承載架結構的有限元分析［J］.機械研究與應用，2013(2):48－49.

［7］ 丁勇能.基于有限元的發(fā)電機軸銷孔鑲套應力計算［J］.機械研究與應用，2014(5):162－165.