基于UG的懸式絕緣子綜合測試裝置有限元分析

孫奇慧 ，朱 軻 ，濮峻嵩 ，蔡 鋼 ，劉 曦 ，朱 軻 ，鄧 濤 ，陳正雄

（1.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都610041；2.四川蜀能電力有限公司高新分公司，四川 成都610041）

0 引言

盤形懸式瓷和玻璃絕緣子作為輸電線路的重要材料，使用在世界各地的高壓、超高壓和特高壓輸電線路上，為各國輸電線路安全運行提供了可靠的保障。李釗、袁田[1]等人研究了不溶物在盤形懸式絕緣子污穢試驗中的影響，對型號為CA-872EX、FC12P/146和FC120/146盤形絕緣子進行了人工污穢試驗(固體層法）。畢睿華、張濤[2]等人計了一種工作人員站于配電構架上手持清掃盤形懸式絕緣子的氣動帶電清掃裝置。Liu，Yong；Farzaneh[3]等研究了漏電流（LC）的非線性特性，分析和監測了被冰覆蓋的懸式絕緣子的交流閃絡性能。作為絕緣子使用和檢測單位，各科研單位主要還是以傳統檢測手段為主，依靠人工的方式來進行絕緣子尺寸參數及拔銷拉力的測量。但是這種測量方式難免存在一定的人為誤差，會出現測量精度低等問題，因此設計了一種懸式絕緣子綜合測試裝置。為驗證這種測試裝置的框架及關鍵零部件是否滿足強度及設計測量的精度要求，應用UG對其進行了有限元分析。

1 懸式絕緣子測試裝置簡介

懸式絕緣子測試裝置可應用于絕緣子使用單位的到貨驗收、第三方機構的權威檢測及絕緣子生產廠家的出廠檢驗中。裝置引入了激光測距及力學傳感技術，優化整合了檢測方法及程序，提高了檢測數據的準確性及易讀性，縮短了試驗時間、提高了檢測效率。

懸式絕緣子的測量裝置的機械結構主要由測量部分和框架結構這兩大部分構成。其中測量部分又由絕緣子上、下固定端、鎖緊銷拉力測試裝置、激光測距裝置、電機及減速裝置這幾部分構成。其整體結構如圖1所示。

圖1 懸式絕緣子測量裝置整體結構示意圖

1.1 整體框架

1.1.1 整體框架結構

框架主要由40 mm的矩管焊接而成，方矩管即能增強結構的強度又能減輕框架本身的重量，且價格相對便宜，是構成框架的一種很好的構件。為了便于安裝，亦可采用拼接的方式。在安裝激光測距裝置及安裝止推軸承座和直線軸承（帶法蘭）的位置鋪設5 mm的鋼板。其整體框架示意圖如圖2所示。

圖2 整體框架示意圖

1.1.2 框架受力分析

當測試裝置處在工作狀態，絕緣子被拉緊時，框架的橫梁和底板分別受到拉力F1和F2，拔銷被拉出時，側向梁受到拉力F的作用，同時產生一個對絕緣子的拉力，這三個力就是框架所受到的主要力載荷，通過對測試裝置框架進行簡化，并分析其受力情況，得到如圖2、圖3所示的框架受力分析圖。

圖3 框架受力分圖

進行有限元分析時，式中：F是F′一對作用力與反作用力，大小相等方向相反，因側向電動推桿拉力最大拉力為500 N，故其最大值取為500 N；因豎直方向電動推桿最大拉力為1 000 N，絕緣子最大重力為500 N，故F1和F2最大分別取1 500 N和1 000 N。

注：由于框架上方斜支撐質量占比較小，所以可以將框架近似看出對稱結構，重力G與地面對框架的支撐力N，拉力F1和F2在同一條直線上，同時包括F和F′，所有的力交于一點，由此構成平面匯交力系，所以合力矩 M（o）＝ 0。

2 框架及關鍵零部件有限元分析

2.1 測量的精度要求

如表1所示為絕緣子測量精度要求表，由表可知，絕緣子的尺寸需要測量盤徑、結構高度、軸向偏差以及徑向偏差。其誤差要求均為±0.5 mm。

表1 測量精度要求表

2.2 整體框架仿真

2.2.1 建立模型和劃分網格

為了保證本裝置的測量精度和驗證其機構安全性及合理性，通過對測試臺框架進行結構受力分析，首先對框架進行簡化，簡化后的模型的強度比現有模型低，若簡化后的模型滿足要求，則本模型亦滿足要求。打開UG NX，在新建分類里選擇“模型”建立名稱為“The framework”的prt文件，進入建模環境，使用相關建模命令建立如圖4所示的框架模型圖。進入高級仿真模塊，選擇新建FEM命令，建立名稱為The framework_fem1.fem的文件，在材料庫里找到U20402（40#鋼），并指派給實體。物理屬性設置里，材料選擇材料“Iron_40”。網格收集器命令，實體屬性選擇“PSOLID”。選擇3D四面體網格，在網格參數一欄，點擊自動單元大小，顯示20.1，將其修改為20，同時在目標收集器一欄選擇solid（1），完成網格劃分，如圖5所示。

圖4 簡化后的框架模型圖

圖5 框架網格圖

2.2.2 施加約束和力載荷

約束類型選擇“固定約束”，選擇模型底邊緣面，完成約束創建。載荷類型選擇“力”，分別在框架的橫梁、底板、側向梁的相應位置添加力載荷，設置完畢，力載荷圖如圖6所示。

圖6 力載荷圖

2.2.3 求解及結果分析

經過求解，可以得到如下所示的結果。如圖7所示，框架在承受載荷力的情況下，x方向最大變形量為0.893 mm，因為這是在完成絕緣子尺寸測量后，進行拔銷拉力測量時框架的變形量，也就是說進行絕緣子測量時，x向不受力的作用，x向變形量為零，同時拔銷拉力在x向產生的變形屬于彈性變形范疇，考慮到后期材料及結構的加強，以及可以通過調整測量參數等手段進一步提升測量精度，故x方向的偏差不會對測量結果造成影響，目前的設計符合要求。

圖7 X方向應變云圖

如圖8所示，框架在承受載荷力的情況下，y方向最大變形量為0.0 719 mm，遠小于0.5 mm的精度要求，且考慮到后期材料及結構的加強，以及可以通過調整測量參數等手段進一步提升測量精度，故y方向的偏差不會對測量結果造成影響，目前的設計符合要求。

圖8 Y方向應變云圖

如圖9所示，框架在承受載荷力的情況下，z方向最大變形量為0.429 mm，實際測量過程中變形量會小于此值。由于本裝置的測量誤差來自框架受力變形及激光傳感器，激光傳感器選擇歐姆龍ZX1-LD300A61 2M傳感器，其精度為30 μm。變形量和激光傳感器總誤差之和為0.459 mm，小于0.5 mm的精度要求，考慮到后期會對材料及結構進行加強，并且可以通過調整測量參數等手段進行補償，故z方向的偏差不會對測量結果造成影響，故現目前的設計符合要求。

圖9 Z方向應變云圖

2.3 絕緣子上固定端上滑桿有限元仿真

絕緣子上固定端上滑桿將承受拉力，為了防止上滑桿的變形量過大對測試結果的影響，需對上滑桿進行有限元分析。材料選用U20402（40#鋼），由于選用了直線軸承和推力滾子軸承，且轉速不高，徑向形變量對測試結果無影響，所以這里主要考慮其軸向變形情況和受應力的情況。對其進行有限元分析的結果（由于該軸只受拉力的作用，比較簡單，不再贅述有限元分析過程）如下所示：

如圖10所示，上拉桿在承受載荷力的情況下，z方向最大變形量為1.361e-4mm，變形量很小，不會對測量精度造成影響，故現目前的設計符合要求。

圖10 Z方向應變云圖

如圖11所示，上拉桿在承受載荷力的情況下，最大主應力為4.958 MPa，通過查閱資料可知40#鋼最大屈服強度為355 MPa，故現目前的設計符合要求。

圖11 最大主應力云圖

3 結論

綜上所述，通過運用UG NX高級仿真模塊，對懸式絕緣子綜合測試裝置整體框架及關鍵零部件進行有限元分析，得出其滿足強度及測量精度要求，并為后續工程應用提供了參考，也為懸式絕緣子綜合測試裝置以后的結構優化設計提供了數據依據和思路。