基于Ansys的高壓瓷柱式斷路器關鍵零件——拐臂盒的性能分析方法

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）連接機構和本體（如圖1所示）。該零件外形復雜一般采用鋁鑄造成，它的作用主要有以下兩點：一方面拐臂盒在過程中起到支撐作用,斷路器操作機構的輸出通過連桿、傳動軸帶動斷路器本體運動，拐臂盒要承受機構傳動的力，受力情況很苛刻；另一方面高壓斷路器內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計往往依據經驗或者手工計算，經驗設計往往導致設計零件力學強度不夠或者余量過大浪費材料。本文介紹了基于Ansys軟件的聯合計算分析方法，對設計零部件進行力學及氣壓的聯合計算，根據分析結果修改設計零部件，最后達到理想的設計效果。

1 分析計算方法

1.1 軟件介紹

ANSYS軟件是融結構、熱學、電磁場、聲場和耦合場分析為一體的大型通用有限元分析計算軟件。它能和多數CAD軟件接口實現數據的共享和交換。該程序是一個功能強大、界面友好的有限元軟件系統，可以運行于各種類型的操作系統和計算機，發展至今，已經廣泛應用于世界工業的各個領域，也是我國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、單元庫和求解器，能夠保證其具有強大的結構分析能力，可以高效進行各種結構靜力分析、動力學分析、非線性分析。靜力分析用于求解結構在靜力荷載作用下的位移、應力和應變等。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、狀態非線性，涉及塑性、大應變、大變形、旋轉軟化、應力剛化、粘彈性、接觸和蠕變、超彈性等各種情況。

1.2 設計分析流程

設計過程的全過程主要包括：方案初設計、方案的分析計算修改、零部件加工生產、試驗驗證。分析計算過程（既有限元分析過程）主要分為：建立參數化的實體模型、荷載和邊界條件定義、網格控制與劃分、材料定義、求解、后處理,設計份修流程如圖2所示。

圖2 拐臂盒設計分析流程圖

下面以一個126kV斷路器拐臂盒設計為例，說明一下設計、計算過程。

1.3 拐臂盒設計實例

1.3.1 方案初設計

根據安裝要求、對接尺寸、動力學傳動布置確定大體形狀，同時參照以往類似零件形狀及尺寸。一般采用三維設計軟件，完成零部件的細節設計，設計過程中要考慮鑄造、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，或者將設計模型導入計算軟件。

1.3.3 荷載和邊界條件定義

1）荷載施加

與機構連接的拐臂上施加傳動力（或者力矩）：根據彈簧機構輸出分閘最大力值轉化到此處，施加30kN向下（分閘方向），施加于拐臂上（模擬實際情況，同時可以校核拐臂、軸的強度）。

內壓力施加：內壁施加設計壓力（0.8MPa）。另外對于該零件同時必須進行破壞校核，施加3.2M Pa，數值來源如下：參照GB7694額定電壓72.5 kV及以上的氣體絕緣金屬封閉開關設備（雖然不是該種設備，但是有一定的公用性，參考其標準制定參數）標準規定：外殼結構中使用的材料應是熟知的、基于計算和/或驗證試驗證明具有最低物理特性。制造廠應基于材料供應商的檢驗證書，或制造廠進行的試驗，或者兩者，對材料的選擇和其最低物理特性的維護負責。型式試驗的壓力試驗要求應至少如下：鑄鋁和鋁合金外殼：[3.5/0.7]×設計壓力注：數值0.7是考慮了涵蓋鑄造可能存在的分散性。如果經過專門的材料試驗證明，允許將該系數提高到1.0。對于破壞要單獨計算，如果將破壞壓力和傳動力同時施加會過于苛刻，零部件也很難達到此種工況。

因此加載包括兩種情況：傳動軸傳動+內壁施加設計試驗的壓力；內壁施破壞壓力。

2）固定

按實際情況固定安裝面，同時固定內部拐臂（模擬傳動極端情況，機構動作而本體不能動作的情況）。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 網格劃分

劃分網格是建立有限元模型的一個重要環節，它要求考慮的問題較多，需要的工作量較大，所劃分的網格形式對計算精度和計算規模將產生直接影響。網格數量的多少將影響計算結果的精度和計算規模的大小。一般來講，網格數量增加，計算精度會有所提高，但同時計算規模也會增加，所以在確定網格數量時應權衡兩個因數綜合考慮。網格疏密是指在結構不同部位采用大小不同的網格，這是為了適應計算數據的分布特點。

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準中查閱，如ZAlS7Mg1A：σb MPa≥290，常溫下許用應力，58MPa。

1.3.6 求解及觀察結果

進行求解，并觀察力分析結果，后處理的步驟主要有：繪變形圖、變形動畫、應力等值線圖等。

圖4 計算結果示意圖

計算結果如圖4，在“傳動軸傳動+內壁施加設計試驗的壓力”時所有點的應力值均小于材料的破壞強度，拐臂盒應力最大處應力值為83MPa，安全系數可以達到 3.5。 當內壁施破壞壓力（3.2MPa）時應力最大處應力值為180MPa。對以上計算結果進行分析，可以看出拐臂盒可以滿足設計要求。如果不滿足設計要求則根據薄弱環節進行修改，再次計算直到滿足設計要求為止。

1.4 試驗驗證

水壓破壞：該零部件生產完成后進行了破壞水壓試驗驗證，破壞壓力達到4.5MPa，完全滿足設計需要。破壞位置和計算位置相同。水壓破壞試驗如圖5所示。

圖5 水壓破壞試驗示意圖

零部件安裝到斷路器上進行了機械壽命試驗，機械壽命后零件完好。

2 小結

文章介紹了利用ANSYS軟件計算進行高壓瓷柱式斷路器關鍵零件-拐臂盒的設計、性能分析方法，并以一個實例從設計、分析計算、試驗驗證說明了設計全過程，尤其詳細說明了分析計算方法，希望能給相關專業人員提供一些幫助。有不對的地方也請大家見諒、指正。

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

［2］紀豐偉,陳懇.二維參數化技術的發展狀況及趨勢發展[J].機械設計與制造工程,2000.

［3］GB7674-2008額定電壓72.5kV及以上氣體絕緣金屬封閉開關設備[S].