基于DEFORM-3D的高壓斷路器操作彈簧應力分析*

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(1.貴州大學 材料與冶金學院，貴州 貴陽 550003；2.貴州電力試驗研究院，貴州 貴陽 550002)

0 引言

高壓斷路器是電網系統的重要安全設備，通過強大的開斷、滅弧功能在發生事故時迅速接通或切斷電源，以確保效率和電力系統的安全運行[1-2]。操作彈簧是高壓斷路器機械操動機構中的儲能元件，利用彈簧的變形能作為高壓斷路器的操動能源進行分、合閘操作, 因而要求有較高的可靠性。斷路器操作彈簧在載荷作用下分、合閘，不斷發生壓縮或拉伸變形，因此容易出現疲勞現象，造成彈簧在分、合閘時發生拒動、誤動甚至斷裂，嚴重威脅電網系統的正常運行[3-5]。應力作用是引起彈簧疲勞的主要原因之一[6]，因此必須準確把握操作彈簧在工作時的應力分布狀況、最大應力值及其出現的位置，分析其在運行工況下的應力狀態，為避免因操作彈簧失效引起的電網故障提供理論指導。

高壓斷路器彈簧在正常服役時主要以彈性變形為主，彈簧在拉伸變形過程中承受的載荷主要有扭矩、彎矩、拉應力、剪應力等，應力狀態比較復雜，應用有限元軟件能夠對金屬的各種成形過程及受力狀態進行模擬分析和精確計算[7-9]。本文借助于DEFORM-3D軟件對高壓斷路器操作彈簧服役過程中的彈性變形進行模擬計算，分析了其在變形過程中的應力狀況分布和載荷大小，并將模擬結果和理論計算結果進行了對比分析。

1 斷路器操作彈簧模型的建立

本文采用的高壓斷路器操作彈簧為圓柱螺旋拉伸彈簧，材料為60Si2CrVA，實際形狀如圖1所示。

圖1 斷路器操作彈簧

根據斷路器操作彈簧的實際尺寸在SolidWorks2010中建立出模型，其基本參數如下：彈簧的總圈數為n=22，有效圈數n=18，棒料直徑d=8 mm，彈簧中徑為D=44 mm，自由高度為185 mm。彈簧的兩端利用上、下夾具夾持，上、下夾具處于同一平面且位于彈簧軸線上以保證彈簧受力不偏心。

2 DEFORM 有限元分析

將在SolidWorks2010中建立的彈簧模型及上、下夾具導入DEFORM-3D中，將彈簧屬性設置為彈性體，上、下夾具設置為剛性體。彈簧選取的力學性能參數如下：拉伸彈性模量1.97×105MPa；切變彈性模量為7.85×104MPa，σs≥1 666 MPa，σb≥1 862 MPa，泊松比為0.3[10]。

圖2 劃分網格之后的斷路器操作彈簧

對導入的彈簧幾何體進行幾何檢查，質量符合之后進行四面體網格的劃分，網格劃分量太少，不能準確計算應力的分布，網格劃分量太多，模擬計算耗費時間太長，綜合兩者選取網格數量為40000，劃分網格之后的彈簧模型如圖2所示。彈簧與夾具之間的接觸關系定義為剪切模式，摩擦因數選擇0.12。將上夾具設置為主動模具，通過上夾具的運動作用于彈簧使其逐漸拉長，通過該過程模擬斷路器彈簧的拉伸變形。斷路器操作彈簧在實際應用中受到的載荷是近似于脈動的載荷，所以主要針對其在不同的拉伸變形量下的最大應力進行分析計算，分別設置了50 mm和100 mm兩個不同的行程進行模擬和對比分析。模擬計算設置數據經檢查正常生成DB文件后，開始進行模擬計算。

模擬計算完成之后，選擇DEFORM-3D POST選項進入后處理窗口，查看彈簧模型在不同行程下的應力分布云圖及載荷——行程曲線。如圖3所示：當彈簧的拉伸變形量為50 mm時，其最大應力值為350 MPa，應力值較大的區域集中分布在彈簧的內徑附近，夾具對彈簧施加的最大載荷為772 N；當拉伸變形量為100 mm時，其最大應力為758 MPa，應力值較大的區域同樣集中分布在彈簧的內徑處，夾具對彈簧施加的最大載荷為1 630 N。

圖3 彈簧模型在不同行程下的應力分布云圖及載荷——行程曲線

高壓斷路器操作彈簧模型在不同行程下棒料截面受力情況如圖4所示，彈簧沿外徑到內徑方向上的節點處所受的應力呈先減小再增大的趨勢，在彈簧棒料中徑處應力達到最小值，在內徑處達到最大值，這與圖3應力分布云圖顯示的結論相似。因此內徑處是彈簧最易于發生失效的位置。

圖4 彈簧模型在不同行程下簧絲截面受力示意圖

3 理論分析

彈簧的變形量與對彈簧施加的載荷值大致呈正比例關系，兩者之間的關系如式(1)所示[10]，模擬計算值與其基本相同。

(1)

式中：λ表示彈簧的變形量(mm)，P為彈簧所受的載荷值(MPa)，D為圓柱螺旋彈簧中徑(mm)，G為剪切模量(MPa)，n彈簧有效圈數，d為彈簧棒料直徑(mm)。

圓柱螺旋彈簧在載荷作用下發生壓縮或拉伸變形時，彈簧內徑邊緣處所受的剪應力最大，其值的計算公式為[10]：

(2)

c為D/d。式(1)與式(2)相結合，可得:

(3)

根據公式(3)計算出當λ=50 mm時，τmax=366.7 MPa；當λ=100 mm時，τmax=733.4 MPa，理論計算值與DEFORM-3D軟件模擬值相近。對于壓縮或拉伸圓柱螺旋彈簧，主要承受的是扭曲應力，通常采用其彈性極限τe。對于60Si2CrVA彈簧鋼，τe值一般取σb的50%～60%，由σb≥1862 MPa可得τemin=931 MPa，對于該高壓斷路器操作彈簧的模擬值和計算值，在拉伸行程達到100 mm其所受到的最大應力值均小于τemin，因此該斷路器操作彈簧在未發生失效的情況下最大行程可超過100 mm，這為斷路器操作彈簧的行程設置及最大載荷值提供了理論參考依據。

4 結論

1)利用DEFORM-3D有限元軟件對高壓斷路器操作彈簧正常工作時的拉伸變形過程進行模擬分析表明：彈簧在拉伸變形中，隨著拉伸變形量的增加，彈簧所受的應力呈線性增長，彈簧內徑處剪切應力值大于外徑處的剪切應力，且在中徑處所受應力值最小，外徑處所受應力值最大。

2)對高壓斷路器操作彈簧的拉伸變形模擬值與理論計算值進行了比較，兩者數值相差較小，模擬值與理論計算值相符合。

3)高壓斷路器操作彈簧在拉伸行程為100 mm時，仍處于其線彈性范圍之內，彈簧未發生失效，模擬計算此時的最大載荷值為772 N，這為斷路器操作彈簧的安全工作提供了可靠的參考數據，避免因載荷過大而引起的斷裂。

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