蘇東海，龐林愷

大功率高壓開關(guān)液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)活塞桿有限元分析

蘇東海，龐林愷

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110870)

介紹了一種大功率高壓開關(guān)集成式液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理;建立了高壓開關(guān)液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型;研究其關(guān)鍵部件活塞桿的受力狀況并進(jìn)行了有限元分析，得出活塞桿最大位移變形和最大應(yīng)力集中部位，為產(chǎn)品研發(fā)升級(jí)提供理論依據(jù)。

高壓開關(guān);液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu);活塞桿;有限元分析

0 前言

高壓開關(guān)是輸變電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其操動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要作用就是帶動(dòng)動(dòng)觸頭的合與分［1］。在常用的液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)中，活塞桿作為液壓缸中重要的傳動(dòng)執(zhí)行元件，聯(lián)接著液壓缸和開關(guān)動(dòng)觸頭，其工作環(huán)境惡劣，所受應(yīng)力大，受沖擊頻繁［3］。在實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)活塞桿斷裂的事故，活塞桿穩(wěn)定性直接影響到機(jī)械設(shè)備的使用壽命與工作性能［3］。而國(guó)內(nèi)對(duì)活塞桿的應(yīng)力分析、強(qiáng)度校核和穩(wěn)定性分析還沒(méi)有受到重視，在活塞桿的設(shè)計(jì)與校核中所用的分析方法較為原始，因此，采用現(xiàn)代有限元法對(duì)活塞桿的應(yīng)力分析、強(qiáng)度校核以及穩(wěn)定性進(jìn)行有限元分析，對(duì)于優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和延長(zhǎng)其使用壽命以及提高其經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

1 液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理

液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。本型號(hào)操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用壓縮碟簧片組來(lái)獲得能量的機(jī)械式能量?jī)?chǔ)存方式，并且運(yùn)用了環(huán)形儲(chǔ)能缸體的密封技術(shù)和復(fù)合密封材料，在主體結(jié)構(gòu)上創(chuàng)新采用了儲(chǔ)能與工作缸套裝式結(jié)構(gòu)組合式密封儲(chǔ)能缸體，實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)的高壓可靠密封［4］。液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理如圖2所示，圖示位置P腔為高壓腔、A腔與液壓缸下側(cè)連通，T腔與回油箱連通。P、A兩腔封閉，A、T兩腔與回油箱連通，機(jī)構(gòu)處于分閘位置。當(dāng)合閘電磁閥通電時(shí)，電磁閥閥芯在電磁力的作用下開啟，控制油經(jīng)電磁閥作用在換向閥閥芯上，閥芯移動(dòng)，使得P、A兩腔連通，A、T兩腔封閉，機(jī)構(gòu)處于合閘位置。當(dāng)任意一個(gè)分閘電磁閥通電時(shí)，電磁閥閥芯在電磁力作用下開啟，使得A、T兩腔連通，機(jī)構(gòu)處于分閘位置。

圖1 液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Structure diagram of hydraulic operating mechanism

圖2 液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖Fig.2Schematic diagram of hydraulic operating mechanism

2 活塞桿受力分析

式中，F(xiàn)為單片碟簧的載荷，N;f為單片碟簧變形量，cm;α為計(jì)算系數(shù)。

液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)碟簧片組的壓縮來(lái)儲(chǔ)備油液的壓力能，在需要的時(shí)候?qū)⒋四芰酷尫懦鰜?lái)完成有用功。要分析組合的碟簧片組，首先要分析單片碟簧的載荷與變形量的關(guān)系。圖3為單片碟簧示意圖。

單片碟簧載荷與變形關(guān)系公式為

圖3 碟簧片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3Structure diagram of disc spring

計(jì)算系數(shù):

式中，E為彈性模量，N/cm2;μ為泊松比;C為碟片外徑與內(nèi)徑之比。

碟簧儲(chǔ)能器總載荷為

式中，n為疊合層數(shù)。

忽略蓄能器到工作缸的壓力損失，得出系統(tǒng)額定油壓為

式中，Dg為液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)工作缸活塞直徑;dg為液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)工作缸活塞桿直徑。

活塞桿的受力示意圖如圖4所示。

式中，Dh為蓄能器活塞直徑;Dg為蓄能器活塞桿直徑。

活塞桿在分閘的時(shí)候所受油壓力最大，在得出系統(tǒng)油壓之后，通過(guò)計(jì)算活塞桿的受力面積得出活塞桿的分閘受力公式為

圖4 活塞桿受力示意圖Fig.4Force diagram of piston rod

3 活塞桿有限元分析

以某型號(hào)高壓開關(guān)為例，建立活塞桿的三維實(shí)體模型，設(shè)定其材料參數(shù)為:彈性模量207 GPa，泊松比0.25，密度7 800 kg/m3，材料抗拉強(qiáng)度1 080 MPa，屈服強(qiáng)度835 MPa。

將模型以*.x_t格式導(dǎo)入ANSYS的前處理界面中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元類型為四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，總體網(wǎng)格尺寸在4 mm左右，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分，共生成四面體單元共45344個(gè)，節(jié)點(diǎn)68576個(gè)。得到結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分示意圖如圖5所示。

圖5 活塞桿網(wǎng)格劃分Fig.5Piston rod mesh generation

經(jīng)計(jì)算求解并提取得到有限元軟件ANSYS的后處理結(jié)果。

計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的變形圖如圖6，由圖中變形云圖可以看出，結(jié)構(gòu)最大變形位置在結(jié)構(gòu)端部，結(jié)構(gòu)最大位移為0.33 mm。

圖6 結(jié)構(gòu)變形位移圖Fig.6Deformation contour of piston rod

計(jì)算得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖6所示，結(jié)構(gòu)各特征點(diǎn)應(yīng)力云圖如圖7所示。由應(yīng)力云圖可以看出，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力發(fā)生在活塞桿徑縮部位處，由此可以判斷該部位為結(jié)構(gòu)較危險(xiǎn)部位。該處最大應(yīng)力為367.14 MPa，但都小于結(jié)構(gòu)的屈服應(yīng)力。最大應(yīng)力發(fā)生位置有較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，故應(yīng)在設(shè)計(jì)使用中加以注意。

圖7 結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.7Stress contour of piston rod

4 結(jié)束語(yǔ)

活塞桿在執(zhí)行元件液壓缸中起到了執(zhí)行動(dòng)作的關(guān)鍵作用，是一個(gè)運(yùn)動(dòng)頻繁、技術(shù)要求高的運(yùn)動(dòng)部件，其加工質(zhì)量的好壞直接影響整個(gè)產(chǎn)品的壽命和可靠性［5］。因此，對(duì)于活塞桿的強(qiáng)度分析變得十分重要，而通過(guò)ANSYS軟件的有限元分析，可以準(zhǔn)確得出活塞桿的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖以及結(jié)構(gòu)變形位移圖，從而可以直觀的得出活塞桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析情況，為產(chǎn)品的研發(fā)與升級(jí)改造提供便利。

［1］陳保倫．液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011．

［2］劉平安，槐創(chuàng)鋒．詳解ANSYS有限元分析［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2015．

［3］鄒高鵬，王永良．高壓斷路器配液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)液壓缸緩沖特性的仿真研究［J］．液壓與氣動(dòng)．2011 (9)．

［4］劉偉，徐兵，楊華勇，等．高壓斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)特性分析［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)．2010(10):23－25．

［5］李壯云．液壓元件與系統(tǒng)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011．

［6］蘇東海，于江華，王連鵬，等．高壓SF6斷路器液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的閥控缸系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及其速度特性分析［J］．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)．2007 (2)．

Finite element analysis of piston rod for hydraulic operating mechanism with lager power high-tension switch

SU Dong-hai，PANG Lin-kai
(College of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Liaoning Shenyang 110870，China)

The thesis introduce the structure and working principle of a hydraulic operating mechanism for high voltage circuit breaker，and establish the three-dimensional model of the mechanism．The piston rod，the key component of the mechanism，its load condition was studied and analyzed．Then the part of the maximal deformation and the maximal stress was obtained．The finite element analysis results could provide theoretical basis for the development and upgrade of the product．

high-tension switch;hydraulic operating mechanism;piston rod;finite elerment analysis

TH137.5

A

1001－196X(2017)01－0084－03

2015－11－27;

2015－12－23

遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀科技人才支持計(jì)劃(LR2012004);沈陽(yáng)市科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(F13－069－2－00)

蘇東海(1965－)，男，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，博士，研究方向?yàn)榱黧w傳動(dòng)與控制。