大功率高壓開關液壓操動機構活塞桿有限元分析

蘇東海，龐林愷

大功率高壓開關液壓操動機構活塞桿有限元分析

蘇東海，龐林愷

(沈陽工業大學機械工程學院，遼寧沈陽110870)

介紹了一種大功率高壓開關集成式液壓彈簧操動機構的結構及工作原理;建立了高壓開關液壓操動機構的三維實體模型;研究其關鍵部件活塞桿的受力狀況并進行了有限元分析，得出活塞桿最大位移變形和最大應力集中部位，為產品研發升級提供理論依據。

高壓開關;液壓操動機構;活塞桿;有限元分析

0 前言

高壓開關是輸變電系統的關鍵設備，其操動機構的主要作用就是帶動動觸頭的合與分［1］。在常用的液壓操動機構中，活塞桿作為液壓缸中重要的傳動執行元件，聯接著液壓缸和開關動觸頭，其工作環境惡劣，所受應力大，受沖擊頻繁［3］。在實際產品應用中經常出現活塞桿斷裂的事故，活塞桿穩定性直接影響到機械設備的使用壽命與工作性能［3］。而國內對活塞桿的應力分析、強度校核和穩定性分析還沒有受到重視，在活塞桿的設計與校核中所用的分析方法較為原始，因此，采用現代有限元法對活塞桿的應力分析、強度校核以及穩定性進行有限元分析，對于優化其結構和延長其使用壽命以及提高其經濟效益具有重要意義。

1 液壓操動機構的結構及工作原理

液壓操動機構的結構如圖1所示。本型號操動機構采用壓縮碟簧片組來獲得能量的機械式能量儲存方式，并且運用了環形儲能缸體的密封技術和復合密封材料，在主體結構上創新采用了儲能與工作缸套裝式結構組合式密封儲能缸體，實現了液壓系統的高壓可靠密封［4］。液壓操動機構的工作原理如圖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，機構處于分閘位置。當合閘電磁閥通電時，電磁閥閥芯在電磁力的作用下開啟，控制油經電磁閥作用在換向閥閥芯上，閥芯移動，使得P、A兩腔連通，A、T兩腔封閉，機構處于合閘位置。當任意一個分閘電磁閥通電時，電磁閥閥芯在電磁力作用下開啟，使得A、T兩腔連通，機構處于分閘位置。

圖1 液壓操動機構結構示意圖Fig.1Structure diagram of hydraulic operating mechanism

圖2 液壓操動機構原理圖Fig.2Schematic diagram of hydraulic operating mechanism

2 活塞桿受力分析

式中，F為單片碟簧的載荷，N;f為單片碟簧變形量，cm;α為計算系數。

液壓操動機構通過碟簧片組的壓縮來儲備油液的壓力能，在需要的時候將此能量釋放出來完成有用功。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系。圖3為單片碟簧示意圖。

單片碟簧載荷與變形關系公式為

圖3 碟簧片結構示意圖Fig.3Structure diagram of disc spring

計算系數:

式中，E為彈性模量，N/cm2;μ為泊松比;C為碟片外徑與內徑之比。

碟簧儲能器總載荷為

式中，n為疊合層數。

忽略蓄能器到工作缸的壓力損失，得出系統額定油壓為

式中，Dg為液壓操動機構工作缸活塞直徑;dg為液壓操動機構工作缸活塞桿直徑。

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。

活塞桿在分閘的時候所受油壓力最大，在得出系統油壓之后，通過計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

以某型號高壓開關為例，建立活塞桿的三維實體模型，設定其材料參數為:彈性模量207 GPa，泊松比0.25，密度7 800 kg/m3，材料抗拉強度1 080 MPa，屈服強度835 MPa。

將模型以*.x_t格式導入ANSYS的前處理界面中進行網格劃分，單元類型為四面體非結構化網格，總體網格尺寸在4 mm左右，經過網格劃分，共生成四面體單元共45344個，節點68576個。得到結構網格剖分示意圖如圖5所示。

圖5 活塞桿網格劃分Fig.5Piston rod mesh generation

經計算求解并提取得到有限元軟件ANSYS的后處理結果。

計算得到結構的變形圖如圖6，由圖中變形云圖可以看出，結構最大變形位置在結構端部，結構最大位移為0.33 mm。

圖6 結構變形位移圖Fig.6Deformation contour of piston rod

計算得到結構應力云圖如圖6所示，結構各特征點應力云圖如圖7所示。由應力云圖可以看出，結構最大應力發生在活塞桿徑縮部位處，由此可以判斷該部位為結構較危險部位。該處最大應力為367.14 MPa，但都小于結構的屈服應力。最大應力發生位置有較為明顯的應力集中現象，故應在設計使用中加以注意。

圖7 結構應力云圖Fig.7Stress contour of piston rod

4 結束語

活塞桿在執行元件液壓缸中起到了執行動作的關鍵作用，是一個運動頻繁、技術要求高的運動部件，其加工質量的好壞直接影響整個產品的壽命和可靠性［5］。因此，對于活塞桿的強度分析變得十分重要，而通過ANSYS軟件的有限元分析，可以準確得出活塞桿的結構應力云圖以及結構變形位移圖，從而可以直觀的得出活塞桿結構強度分析情況，為產品的研發與升級改造提供便利。

［1］陳保倫．液壓操動機構設計與應用［M］．北京:機械工業出版社，2011．

［2］劉平安，槐創鋒．詳解ANSYS有限元分析［M］．北京:電子工業出版社，2015．

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

［4］劉偉，徐兵，楊華勇，等．高壓斷路器液壓操動機構特性分析［J］．機械工程學報．2010(10):23－25．

［5］李壯云．液壓元件與系統［M］．北京:機械工業出版社，2011．

［6］蘇東海，于江華，王連鵬，等．高壓SF6斷路器液壓操動機構的閥控缸系統數學模型及其速度特性分析［J］．組合機床與自動化加工技術．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

遼寧省高等學校優秀科技人才支持計劃(LR2012004);沈陽市科學技術計劃項目(F13－069－2－00)

蘇東海(1965－)，男，沈陽工業大學機械工程學院教授，博士，研究方向為流體傳動與控制。