陳元杰，吳 偉，王國平

(上海齊達重型裝備有限公司，上海 201411)

0 引 言

SF6能使有電位差的電極間保持絕緣，氣體絕緣遭破壞后有自恢復能力，它有電容率穩(wěn)定、介質(zhì)損耗極小、不燃、不爆、化學穩(wěn)定性好、不老化等優(yōu)點，是極好的絕緣材料，廣泛應用于高壓氣體絕緣開關行業(yè)。但隨著人們對環(huán)境與健康問題的越來越重視，其密度大不易擴散有窒息中毒風險，電場中分解為釋放劇毒和腐蝕性氣體，以及對溫室效應的不良影響，SF6逐漸被其他氣體替代將成為趨勢。越來越多的高壓開關生產(chǎn)企業(yè)積極投入到環(huán)境友好型氣體絕緣開關的研發(fā)與生產(chǎn)當中，例如：空氣、氮氣、惰性氣體(He，Ar, Xe, Kr),CF3I等相關產(chǎn)品已陸續(xù)推廣使用。

為了保證其他氣體絕緣設備在運行時達到與SF6相同的絕緣水平，需要將殼體絕緣氣體工作壓力相應提高，對于鑄造鋁制壓力容器，其爆破壓力則要相應提高5倍，現(xiàn)有系列產(chǎn)品將很難滿足爆破試驗的要求，所以需要基于現(xiàn)有承壓殼體進行優(yōu)化設計甚至重新設計殼體以滿足內(nèi)部導體布置，電場分布以及強度要求。鑄造模具在殼體制造成本有一定占比，而對于金屬鑄造類殼體，其模具費用不容忽視，所以最理想的結果是基于已有模具，適當優(yōu)化加強后壓力提升后設備強度得到滿足。筆者基于現(xiàn)有一款鋁合金鑄造殼體，進行了設計優(yōu)化，工藝改進與試驗驗證，滿足了新的使用要求，為供應商以及開關廠家節(jié)省了時間與經(jīng)濟成本。

1 設計要求及參數(shù)

該鑄造鋁合金殼體設計參數(shù)見表1, 由于其特殊的外形結構，很難實現(xiàn)金屬模鑄造，又因其底部不規(guī)則三角形布置，致使砂模鑄造爆破合格率極低，供應商鑄造殼報廢率極高，設備成本居高不下。由于此殼體使用量較大，外加新氣體引起的產(chǎn)品迭代需求，決定對其優(yōu)化，實現(xiàn)由沙漠鑄造該金屬模鑄造的同時，提高其耐爆破試驗壓力的能力，從而滿足環(huán)保與使用要求。

2 有限元分析

2.1 有限元模型

有限元模型與加載如圖1所示。

圖1 有限元模型與加載

應用有限元計算軟件ANSYS，建立與爆破試驗一致的模型，殼體上每個開孔配備水壓盲板以及高強度螺栓螺母。在試壓蓋板的一個邊上施加遠端位移約束，所有螺栓施加預緊力以模擬校核試壓工況時的泄露情況，設備內(nèi)表面施加5倍設計壓力[3]。見圖1。

表1 鑄鋁合金外殼設計參數(shù)

2.2 有限元分析結果

由計算結果可知，不計應力畸點的應力數(shù)值416 MPa，最大主應力正好位于進行了較大修改的大法蘭頸部位置，其數(shù)值為350 MPa，遠大于材料的抗拉強度290 MPa，所以此殼體雖然能實現(xiàn)金屬模具制造，但強度不滿足爆破試驗要求，需要繼續(xù)優(yōu)化。見圖2。

圖2 有限元初步計算結果

2.3 基于有限元結果的優(yōu)化設計

(1) 對以上鑄鋁殼體進行優(yōu)化，如圖3所示:對比上步計算發(fā)現(xiàn)，在圖3(a)位置增加的材料并不能有效降低此處的最大主應力數(shù)值，但對于高應力區(qū)域占此處厚度的比例卻能降低很多，基于經(jīng)驗表明，當高應力區(qū)域在此位置截面上所占的比例不超過1/4時，此位置在爆破試驗時可以保證安全不破裂；圖3(b)位置增加頸部局部厚度后，對其最大主應力有明顯的改善作用，其最大主因應力數(shù)值由350 MPa降低到300 MPa，但仍然大于材料的抗拉強度，爆破試驗通過有很大風險，需要進一步優(yōu)化。

(2) 基于2.3 (1)條的計算結果，在大法蘭頸部位置內(nèi)外同步加強，內(nèi)部(圖4(a))：在電場允許的情況下增加月牙形材料加強，外部(圖4(b))：增加足夠的材料，并在局部留水滴狀凹坑，提供足夠空間用于螺栓擰緊。其應力分布如圖4(c )和 圖4(d)。大法蘭頸部內(nèi)部最大主應力約270 MPa，略小于材料抗拉強度，但是頸部外表面最大主應力并沒有得到改善，仍然在300 MPa。有圖4(e)設備在爆破壓力下的變形圖得知，由于在大法蘭頸部做了做夠的加強，此處剛度過大，設備兩側由于約束少，剛度小，會將力傳遞到法蘭頸部附近，造成此處主應力過大。所以單純的補強薄弱位置有時會起到相反的作用，要綜合考慮，最大限度做到各處應力水平相當。

圖3 有限元初步優(yōu)化結果

(3) 基于2.3 (1)條計算結果，對其進行進一步的設計優(yōu)化，參照圖4(e)變形趨勢圖，在兩側薄弱位置增加肋筋見圖5(a)，保留如圖4(b)的加強結構，取消圖4(a)所示的加強材料以適當降低此處的剛度，更好的滿足變形協(xié)調(diào)，計算結果見圖5(b)～(d)，無論是大法蘭頸部(圖4(d))位置還是圖3(c)所示的高應力區(qū)域，其主應力得到很大的改善，數(shù)值為276 MPa，小于金屬模鑄造材料的抗拉強度290 MPa。各法蘭密封面變形之后的間隙值未超過有試驗積累的判據(jù)值，密封性能有保障，判斷優(yōu)化后的鑄造殼體基本可以滿足強度與密封性要求。

圖4 有限元優(yōu)化結果

圖5 有限元初步優(yōu)化結果

3 鑄造工藝優(yōu)化

由于此殼體使用了外部金屬型鑄造，內(nèi)部砂模鑄造工藝，其材料抗拉強度完全按照內(nèi)外金屬型鑄造的材料等級判定略顯不妥，另外，由于此高應力區(qū)域鑄造厚度較大，實際鑄造容易有鑄造缺陷，所以此處必須給與足夠重視，確保供應商工藝穩(wěn)定，才可以作為批量生產(chǎn)的質(zhì)量保證。為此，與供應商溝通，需要在此位置設置冷鐵，加快鑄造時的冷卻速度，保證無粗大晶粒，并指定此處的材料抗拉強度不得低于280 MPa。圖6為拉伸試樣結果。

圖6 拉伸試樣結果顯示

4 檢驗與試驗

設備檢驗包括尺寸檢驗，缺陷檢測，試樣材料化學成分與力學性能檢驗。只有保證設備尺寸與設計尺寸相符，其仿真計算才能準確反映設備的實際受力情況，由于鑄件形狀復雜，難以準確檢驗所有尺寸，故采用了3坐標掃描全設備，并與實際3維模型對照，見圖7；無損檢測使用了實時成像檢測技術，確保設備無不可接受的缺陷，這也是保證首樣以及批量產(chǎn)品滿足使用要求的前提，材料檢驗在幾臺首樣設備爆破后取樣復檢。

考慮到單獨鑄造隨設備附帶試棒的散熱情況與設備高應力大壁厚位置實際鑄造散熱情況存在明顯差異，不能完全反應設備關鍵位置的材料性能。設備批量生產(chǎn)不同于首樣，不可能在每次鑄造時破壞設備準備試樣來驗證材料的實際抗拉強度，為此，制備了大量試樣(如表2所列)，用于建立此供應商此材料抗拉強度與材料硬度的對應曲線，對于批量檢驗，只需要在關鍵位置檢測硬度既可判斷材料力學性能是否滿足要求，對于設備其余位置，也可以在不破壞設備的情況下，測量硬度以達到判斷材料強度的目的。

表2 抗拉強度與布氏硬度關系試樣

經(jīng)爆破試驗，設備出現(xiàn)裂紋起始位置與仿真計算的最大主應力位置相同(見圖8)，且?guī)着_設備的爆破最低值比計算值大0.4 MPa，設備滿足要求。

圖7 尺寸檢驗顯示

圖8 爆破樣品

5 結 語

對鑄造鋁合金壓力容器的優(yōu)化過程以及后期檢驗等做了簡要的分析，其中只保留了設計優(yōu)化的關鍵幾步，此次優(yōu)化設計過程對于設計研發(fā)人員系統(tǒng)思維，重視工藝過程控制以及實驗數(shù)據(jù)積累與運用，重要檢驗驗收指標的定義都有重要的參考價值。

通過上述分析得出結論如下。

(1) 鑄造殼體設計，不能單純的加強薄弱位置，需要系統(tǒng)分析，綜合考量。

(2) 試驗數(shù)據(jù)的積累是仿真無限擬合實際的關鍵。

(3) 鑄造殼體由于材料性能很大程度上與供應商的工藝控制有直接關系，所以要針對不同供應商，針對不用材料建立相對真實的數(shù)據(jù)參照。

(4) 為了避免過大的彎曲應力，設備盡量呈圓形，避免局部結構剛度過大引起過大局部應力。

(5) 鑄造殼體爆破試驗裂紋走勢并不能完全反映設備實際應力分布，只有裂紋起始位置與仿真相符，即代表其計算與實際得到吻合。