高振奎，秦曉宇，馬曉紅，張 壘，駱常璐(河南平芝高壓開關有限公司，河南 平頂山 467013)

0 引 言

高壓斷路器是電網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分之一,保證了系統(tǒng)的安全運行[1]。GB-1984規(guī)定斷路器進行開合萬次壽命實驗，在設計過程中需要對關鍵零部件進行疲勞壽命分析。疲勞分析開始于18世紀末，從1871年沃勒提出疲勞壽命曲線及疲勞強度極限的概念到1971年WETZAL R M基于Manson-Coffin方程,提出了局部應力應變估算疲勞壽命的方法[2-3]，疲勞研究工作者對疲勞進行了多方面大量的探索。沖擊載荷疲勞壽命常用的估算方法分為名義應力法和局部應力應變壽命法[4-5]，但時至今日，沖擊載荷作用下的疲勞損傷研究還處在較為初級的階段，相關的理論和機理還欠缺很多[6]，所以當進行沖擊載荷作用下的機械零部件疲勞壽命計算時，只能是近似程度的，綜合考慮多次沖擊載荷作用的特性，依據(jù)實際機械零部件的工況確定疲勞損傷破壞類型，按照相關的疲勞損傷理論對沖擊載荷作用下疲勞損傷的強度和壽命問題進行求解[7]。

為找出更合適本次密封桿壽命分析的方法，本研究將以550 kV斷路器密封桿為研究對象，通過實驗獲得載荷情況并利用柔性體運動仿真分析，得到密封桿在運動過程中的受力情況，完成疲勞壽命預測，并與實驗結果進行對比分析。

1 ADAMS與ANSYS聯(lián)合仿真

一方面ANSYS進行模態(tài)分析時可生成ADAMS使用的模態(tài)中性文件，該文件將零部件當作柔性體輸入到ADAMS中，利用模態(tài)疊加法計算其在動力學仿真過程中的變形及連接點上的受力情況。即考慮了零部件的彈性特性，提高仿真精度。另一方面ADAMS可將分析結果生成ANSYS可使用的載荷文件，便于ANSYS后續(xù)進行疲勞分析等[8-9]。

1.1 柔性模型建立及網(wǎng)格劃分

此次分析以550 kV GIS斷路器的密封桿為研究對象，桿的直徑為φ31.5 mm，兩孔之間距離為605 mm，材料為鉻鎳合金鋼30CrNi3，抗拉強度為980 MPa，屈服強度為785 MPa。筆者利用Solidwork建立三維模型，將模型導入ANSYS，設置彈性模量、泊松比、密度等參數(shù)；本體利用Solid45單元進行網(wǎng)格劃分，剛性連接點利用MASS21單元進行網(wǎng)格劃分。

1.2 載荷的測量

目前，對于斷路器氣流場的仿真分析還不成熟，為了得到密封桿較為準確的受載荷情況，筆者分別組織實驗測量了應力時間曲線和合分閘行程時間曲線，試驗工況如圖1所示。

圖1 應力測量位置1—應力測量應變片貼片位置；2—行程測量滑線變阻器安裝位置

實驗數(shù)據(jù)的采集如下：應變片將應變傳至應變計DB 120T-8，然后又將應變值傳入應變輸入模塊Strain NDIS，最終由DL750示波器顯示，將示波器與裝有Xviewer軟件的電腦相連接保存采集數(shù)據(jù)。

本次測量采集頻率設為200 kHz，由于分閘時間為20 ms左右，分閘繼電器響應時間小于20 ms；采集時間設為100 ms；采集進行了多次。

其中一次的分閘結果如圖2所示。

圖2 采集所得的數(shù)據(jù)

1.3 柔性仿真

1.3.1 模型建立

本研究利用ADAMS對密封桿進行運動分析，由于550 kV斷路器運動為直線運動，可將運動部件簡化為一個質(zhì)量塊。

運動模型簡化如圖3所示。

圖3 運動模型簡化

應力測試結果施加于左連桿的節(jié)點上，同時設置連接桿的質(zhì)量為0.001 kg，故其對運動的影響可忽略不計；中間密封桿為要研究對象由上述ANSYS生成；行程曲線施加于右連桿與地面形成的滑動副上，右連桿為簡化質(zhì)量塊。

1.3.2 輸入載荷及應力應變分析

上文所述由實驗采集得到的數(shù)據(jù)為電壓信號，行程曲線測量通過電壓—位移轉化，力測量通過電壓—應變—應力—拉力值轉化，并在Matlab中進行擬合，得到仿真所需的曲線。該計算模型左、右連桿與地面均設置為移動副，與密封桿均設置為鉸鏈連接，因此該模型自由度計算如下式所示：

F=3×3-2×4=1

(1)

當將行程曲線施加于右連桿與地面的移動副上之后，該模型的運動規(guī)律已經(jīng)確定，軟件將進行運動分析，這樣就可以保證密封桿的運動為實際運動，受力也符合實際情況，同時將該構件設置為柔體，考慮其彈性；因此其計算更加準確。本研究通過運動仿真計算得到密封桿的載荷文件(.lod)，該文件包含了柔性體在運動過程中不同時刻點的運動狀態(tài)和所承受的載荷信息，包括力、力矩、加速度、角速度及角加速度。本研究將該載荷文件導入ANSYS中進行受力分析。

2 ADAMS與ANSYS聯(lián)合仿真

由于該密封桿的疲勞型式未定，本次研究利用N_code designlife對該密封桿分別進行了名義應力法壽命分析及局部應力應變法壽命分析；并將兩者的分析結果進行對比分析。

疲勞分析的流程如圖4所示[10]。

2.1 名義應力法分析

名義應力法是以S-N壽命曲線為基準[11]，考慮疲勞極限修正系數(shù)、切口影響系數(shù)、尺寸影響系數(shù)、加工效果影響系數(shù)及載荷計算修正系數(shù)，將總體影響系數(shù)設置為0.8。

計算結果如圖5所示。

圖5 S-N分析結果

2.2 局部應力應變法壽命分析

局部應力應變法是以ε-N壽命曲線為基準，設置同上。

計算結果如圖6所示。

圖6 ε-N分析結果

計算顯示：利用名義應力法分析，該密封桿的最小壽命為33 720次。利用應力應變法分析，該密封桿的最小壽命為80 040次。由于名義應力法是以 材料的S-N曲線為基礎進行壽命計算，適用于高周疲勞設計(104～105以上)，局部應力應變法是以ε-N曲線為基礎進行壽命計算，適用于低周疲勞設計(104～105以下)，導致該桿件僅通過設計壽命次數(shù)(10 000)無法選擇疲勞分析理論；而不同的疲勞分析理論又會導致不同的計算結果；學者王顯會、石磊等[12]提出零部件在運動過程中所受最大應力小于材料80%的屈服強度時，利用名義應力法分析結果更為合理。

考慮到該零部件最大應力為391.8 MPa，小于628 MPa(0.8×785)，本文認為該桿件的理論計算壽命取名義應力法分析結果33 720次。

3 實驗結果

按國標GB-1984要求，該桿隨樣機進行了萬次壽命型式試驗(操作10 000次)，順利通過；為得到操作桿的真實壽命，在后續(xù)操作至23 300次時發(fā)生斷裂。

該實驗結果表明：使用名義應力法對該桿的疲勞壽命進行預測，更接近實際，可以給該桿的設計提供較合理的依據(jù)。

同時，該結果為萬次壽命實驗中其他運動零部件的壽命預測提供了一種方法。

4 結束語

在高壓電器行業(yè)，萬次壽命實驗是考核產(chǎn)品機械性能最主要實驗，決定著產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣與運行的可靠性。目前，行業(yè)內(nèi)對運動部件疲勞壽命的研究尚少，很少考慮彈性對運動件壽命的影響；本研究以550 kV斷路器用密封桿為分析對象，提出了仿真分析思路，并將分析結果與實驗進行對比。研究結論如下：

(1)利用應變片、示波器、Xviewer等軟硬件進行應力測量，可以時時記錄采樣頻率對應每個時刻點的應力值，為后續(xù)的分析計算提供了豐富可靠的數(shù)據(jù)支持；

(2)利用ADAMS與ANSYS聯(lián)合仿真的方法，很好地結合了兩者的優(yōu)點，充分考慮了彈性運動部件受力及變形的影響；

(3)在萬次壽命實驗中，該結論可為未知疲勞型式的零部件的壽命預測提供了一種方法，可分別按照S-N及ε-N曲線進行壽命分析，并通過最大應力值與材料80%屈服強度的大小對比，得出疲勞壽命。

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