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【摘 要】本文介绍了高压瓷柱式断路器关键零件——拐臂盒的设计及计算分析问题.以一个126kV断路器拐臂盒的设计实例,详细介绍了使用Ansys进行计算分析的过程.
【关键词】Ansys；拐臂盒；设计
０ 概述
拐臂盒是高压瓷柱式断路器的关键零件之一,一般安装在绝缘支柱下端（固定在支撑架上）连接机构和本体（如图1所示）.该零件外形复杂一般采用铝铸造成,它的作用主要有以下两点：一方面拐臂盒在过程中起到支撑作用,断路器操作机构的输出通过连杆、传动轴带动断路器本体运动,拐臂盒要承受机构传动的力,受力情况很苛刻；另一方面高压断路器内部一般充有一定压力的绝缘气体,压力一般0.4~0.7MPa,也类似于压力容器元件,需要校核压力.
以往该类零部件的设计往往依据经验或者手工计算,经验设计往往导致设计零件力学强度不够或者余量过大浪费材料.本文介绍了基于Ansys软件的联合计算分析方法,对设计零部件进行力学及气压的联合计算,根据分析结果修改设计零部件,最后达到理想的设计效果.
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1. 分析计算方法
1.1 软件介绍
ANSYS软件是融结构、热学、电磁场、声场和耦合场分析为一体的大型通用有限元分析计算软件.它能和多数CAD软件接口实现数据的共享和交换.该程序是一个功能强大、界面友好的有限元软件系统,可以运行于各种类型的操作系统和计算机,发展至今,已经广泛应用于世界工业的各个领域,也是我国工程界广泛使用的大型通用有限元分析软件之一.该软件拥有丰富的材料模型库、单元库和求解器,能够保证其具有强大的结构分析能力,可以高效进行各种结构静力分析、动力学分析、非线性分析.静力分析用于求解结构在静力荷载作用下的位移、应力和应变等.静力分析分为线性分析与非线性分析两种.而非线性分析包括材料非线性、几何非线性、状态非线性,涉及塑性、大应变、大变形、旋转软化、应力刚化、粘弹性、接触和蠕变、超弹性等各种情况.
１.2 设计分析流程
设计过程的全过程主要包括：方案初设计、方案的分析计算修改、零部件加工生产、试验验证.分析计算过程（既有限元分析过程）主要分为：建立参数化的实体模型、荷载和边界条件定义、网格控制与划分、材料定义、求解、后处理,设计份修流程如图2所示.
下面以一个126kV断路器拐臂盒设计为例,说明一下设计、计算过程.
1.3 拐臂盒设计实例
１.3.1 方案初设计
根据安装要求、对接尺寸、动力学传动布置确定大体形状,同时参照以往类似零件形状及尺寸.一般采用三维设计软件,完成零部件的细节设计,设计过程中要考虑铸造、加工的工艺性.材料采用铸造铝材如ZAlS7Mg1A,铝及铝合铸件材应符合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,或者将设计模型导入计算软件.
１.3.3 荷载和边界条件定义
1.）荷载施加
与机构连接的拐臂上施加传动力（或者力矩）： 根据弹簧机构输出分闸最大力值转化到此处,施加30kN向下（分闸方向）,施加于拐臂上（模拟实际情况,同时可以校核拐臂、轴的强度）.
内压力施加：内壁施加设计压力（0.8MPa）.另外对于该零件同时必须进行破坏校核,施加3.2ＭPa,数值来源如下：参照GB7694额定电压72.5 kV及以上的气体绝缘金属封闭开关设备（虽然不是该种设备,但是有一定的公用性,参考其标准制定参数）标准规定：外壳结构中使用的材料应是熟知的、基于计算和/或验证试验证明具有最低物理特性.制造厂应基于材料供应商的检验证书,或制造厂进行的试验,或者两者,对材料的选择和其最低物理特性的维护负责.型式试验的压力试验要求应至少如下： 铸铝和铝合金外壳：[3.5/0.7]×设计压力 注：数值0.7是考虑了涵盖铸造可能存在的分散性.如果经过专门的材料试验证明,允许将该系数提高到1.0.对于破坏要单独计算,如果将破坏压力和传动力同时施加会过于苛刻,零部件也很难达到此种工况.
因此加载包括两种情况：传动轴传动+内壁施加设计试验的压力；内壁施破坏压力.
２）固定
按实际情况固定安装面,同时固定内部拐臂（模拟传动极端情况,机构动作而本体不能动作的情况）.载荷施加及固定示意见图3
1.3.4 网格划分
划分网格是建立有限元模型的一个重要环节,它要求考虑的问题较多,需要的工作量较大,所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响.网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小.一般来讲,网格数量增加,计算精度会有所提高,但同时计算规模也会增加,所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑.网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格,这是为了适应计算数据的分布特点.
１.3.5 材料定义
材料属性可以在软件中直接选取（铝：弹性模量71000MPa；泊松比0.33）.材料破坏极限从材料选取标准中查阅,如ZAlS7Mg1A：σb MPa≥290,常温下许用应力,58MPa.
１.3.6 求解及观察结果
进行求解,并观察力分析结果,后处理的步骤主要有:绘变形图、变形动画、应力等值线图等.
计算结果如图4,在“传动轴传动+内壁施加设计试验的压力”时所有点的应力值均小于材料的破坏强度,拐臂盒应力最大处应力值为83MPa,安全系数可以达到3.5.当内壁施破坏压力（3.2MPa）时应力最大处应力值为180MPa.对以上计算结果进行分析,可以看出拐臂盒可以满足设计要求.如果不满足设计要求则根据薄弱环节进行修改,再次计算直到满足设计要求为止.
1.4 试验验证
水压破坏：该零部件生产完成后进行了破坏水压试验验证,破坏压力达到4.5MPa ,完全满足设计需要.破坏位置和计算位置相同.水压破坏试验如图5所示.
零部件安装到断路器上进行了机械寿命试验,机械寿命后零件完好.
2. 小结
文章介绍了利用ANSYS软件计算进行高压瓷柱式断路器关键零件-拐臂盒的设计、性能分析方法,并以一个实例从设计、分析计算、试验验证说明了设计全过程,尤其详细说明了分析计算方法,希望能给相关专业人员提供一些帮助.有不对的地方也请大家见谅、指正.
【参考文献】
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［２］纪丰伟,陈恳.二维参数化技术的发展状况及趋势发展[J].机械设计与制造工程,2000.
［３］GB7674-2008 额定电压72.5kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备[S].
［责任编辑：王静］
总结：本文关于设计计算论文范文,可以做为相关论文参考文献,与写作提纲思路参考。
机械设计计算引用文献:
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