萬(wàn)宇杰，潘 高，畢 翔

(江漢大學(xué)機(jī)電與建工學(xué)院，湖北武漢 430056)

0 引言

某電器公司某型隔離開關(guān)主要用來(lái)將高壓配電裝置中需要停電的部分與帶電部分可靠的隔離，以保證檢修工作的安全［1－2］。這就對(duì)產(chǎn)品的機(jī)械壽命和電壽命都有了比較高的要求。根據(jù)GB14048.3對(duì)隔離開關(guān)的機(jī)械壽命的要求，設(shè)計(jì)一款隔離開關(guān)的機(jī)械壽命試驗(yàn)臺(tái)是本課題研究的目的之一。

某型隔離開關(guān)機(jī)械壽命的測(cè)試是通過(guò)通用試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試的，它是公司為所生產(chǎn)的隔離開關(guān)各系列產(chǎn)品、測(cè)試壽命而開發(fā)的非標(biāo)設(shè)備。為了安裝方便，測(cè)試臺(tái)采用旋轉(zhuǎn)180°安裝被測(cè)試樣品，安裝完后再反向旋轉(zhuǎn)180°回到測(cè)試狀態(tài)。圖1中為樣品安裝位。圖1為該類隔離開關(guān)電器產(chǎn)品的進(jìn)行測(cè)試的通用測(cè)試臺(tái)。

試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械性能測(cè)試是模仿人手操作的過(guò)程，其測(cè)試次數(shù)是成千上萬(wàn)次，為了解決測(cè)試的可靠性，必須保證測(cè)試設(shè)備的穩(wěn)定性，本測(cè)試設(shè)備中撥桿結(jié)構(gòu)和性能決定了這些參數(shù)獲取的有效性，為此，必須針對(duì)撥桿進(jìn)行可靠性測(cè)試，從而保證試驗(yàn)臺(tái)的安全可靠。

圖1 某電器通用試驗(yàn)臺(tái)圖

基于NXUG軟件所集成的強(qiáng)大三維建模、虛擬裝配、動(dòng)畫仿真、有限元分析和工程圖生成的功能［3－5］，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、縮短制造周期，同時(shí)能夠無(wú)需其他軟件就可分析部件的應(yīng)力情況，借此來(lái)輔助零件的設(shè)計(jì)，進(jìn)而更好更快地滿足市場(chǎng)快速變化的需求，實(shí)際證明起到較好的經(jīng)濟(jì)效果［6］。

1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)及原理

如圖2為某電器公司的某型電器產(chǎn)品，為了測(cè)試其手柄的機(jī)械壽命，圖中隔離開關(guān)處于ON(合閘)狀態(tài)，將直接手柄順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，隔離開關(guān)處于OFF(分閘)狀態(tài)，完成一次合分閘過(guò)程，機(jī)械壽命試驗(yàn)記數(shù)一次，直到被測(cè)隔離開關(guān)不能正常分合主回路時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)次數(shù)。圖3為產(chǎn)品正處于測(cè)試過(guò)程中狀態(tài)位置。

圖2 某隔離開關(guān)示意圖

圖3 撥桿A在試驗(yàn)臺(tái)中位置圖

測(cè)試過(guò)程機(jī)械傳動(dòng)方式如圖4，通過(guò)電機(jī)－聯(lián)軸器－蝸桿－蝸輪－撥盤－撥桿－手柄，電機(jī)受控制指令進(jìn)行正反旋轉(zhuǎn)，最后帶動(dòng)撥桿也正反旋轉(zhuǎn)，將手柄從B位置旋轉(zhuǎn)到C位置，完成一次檢測(cè)，如此反復(fù)。記錄循環(huán)次數(shù)，同時(shí)每次都要檢測(cè)電參數(shù)是否正常，不正常時(shí)試驗(yàn)停止。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械性能測(cè)試工作過(guò)程原理圖

可見，撥爪盤與撥桿是整個(gè)機(jī)構(gòu)中的帶動(dòng)手柄旋轉(zhuǎn)的執(zhí)行件，在實(shí)驗(yàn)中電機(jī)通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)的帶動(dòng)撥爪盤，相對(duì)應(yīng)的撥爪盤A通過(guò)2個(gè)M10沉頭螺釘與聯(lián)軸法蘭固定，撥桿A通過(guò)H7/k6的過(guò)渡配合與撥爪盤A相連，撥爪盤與撥桿A一起做運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)是周期旋轉(zhuǎn)90°，來(lái)測(cè)試電器的機(jī)械壽命，選取的是較大規(guī)格的電器產(chǎn)品，前期經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算，撥桿采用40Cr并表面鍍鎳來(lái)保證其強(qiáng)度和耐磨性。同時(shí)，整臺(tái)設(shè)備可以通過(guò)更換撥爪盤和撥桿來(lái)與不同規(guī)格的產(chǎn)品手柄相配合，提高了設(shè)備的通用性。如圖5所示A型號(hào)的撥爪盤與撥桿就是針對(duì)大規(guī)格的產(chǎn)品所設(shè)計(jì)的。在文中針對(duì)核心零件撥桿A進(jìn)行了有限元分析，從而實(shí)現(xiàn)了提高設(shè)計(jì)成功率的目的。

2 撥桿的有限元模型建立

2.1 創(chuàng)建幾何模型及網(wǎng)格劃分

針對(duì)撥桿零件受力特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用UGNX自帶有限元分析模塊，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，其流程主要包括:高級(jí)仿真、前處理、新建FEM和仿真、新建解算方案、網(wǎng)格劃分、添加載荷、指派材料、分析解算、后處理、應(yīng)力分析、生成應(yīng)力分析動(dòng)畫、導(dǎo)出報(bào)告、核定設(shè)計(jì)結(jié)果，圖6為撥桿A的受力模型圖。

圖5 撥桿A在撥爪盤安裝圖

圖6 撥桿A的受力模型圖

撥桿作為電器性能測(cè)試的工作點(diǎn)，用UGNX軟件建立三維幾何模型如圖5，受力模型簡(jiǎn)化為如圖6，其中受力F為交變循環(huán)應(yīng)力，上下F力不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)加載，圖7為UG軟件三維模型網(wǎng)格的劃分是完全自動(dòng)的，可對(duì)幾何模型直接進(jìn)行操作，采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元操作結(jié)果如圖7。

圖7 撥桿的網(wǎng)格劃分圖

2.2 創(chuàng)建約束和載荷

通過(guò)分析和簡(jiǎn)化受力模型，建立了載荷和約束條件，載荷和邊界條件的設(shè)定后，并通過(guò)圖形顯示出來(lái)。它們都和幾何模型相關(guān)，幾何體發(fā)生更改，載荷和邊界條件也會(huì)自動(dòng)更新。

完成的約束見圖8，由于撥桿和撥桿盤之間采用的H7/k6配合(過(guò)盈配合)，所以可以使用固定約束來(lái)約束接觸的圓柱面和臺(tái)階面。

根據(jù)所需測(cè)量產(chǎn)品資料知，全系列中最大規(guī)格的產(chǎn)品手柄力標(biāo)準(zhǔn)扭矩為55 N·m，當(dāng)內(nèi)部機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障時(shí)異常手柄力扭矩最大可能達(dá)到90 N·m，在這里取極限情況來(lái)進(jìn)行分析，當(dāng)手柄力90 N·m，此時(shí)兩撥桿圓心距離為55 mm，作用在撥桿上的徑向力F=90 N·m/55 mm=1 636.36 N，完成載荷的添加，添加載荷的撥桿圖見圖9。

圖8 撥桿完成固定約束圖

圖9 添加載荷的撥桿圖

2.3 指派材料及設(shè)定分析

撥桿依照設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)采用硬度較高的40Cr，查得材料庫(kù)中對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)材料牌號(hào)40Cr為iron_40，完成確定材料。

采用UGNX提供了有限元分析NASTRAN求解器、它能夠提供自適應(yīng)分析特征，實(shí)現(xiàn)細(xì)化網(wǎng)格的自動(dòng)化，從而縮短分析時(shí)間、提高網(wǎng)格質(zhì)量并保證更精確的分析結(jié)果。

3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)上節(jié)分析和計(jì)算，仿真分析計(jì)算結(jié)果以直觀的、彩色的圖形化方式顯示出來(lái)，導(dǎo)入結(jié)果，可看到圖10中部件的變形是由于夸張的放大了位移的緣故，如圖9，圖中可以直觀的看到應(yīng)力的分布情況，從左上角的信息或者導(dǎo)出的仿真報(bào)告中可得知最大應(yīng)力為40.93 MPa;由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)知40Cr在25 mm的試樣直徑下，經(jīng)850℃油淬和450℃回火的熱處理后，抗拉強(qiáng)度為980 MPa，抗剪強(qiáng)度取抗拉強(qiáng)度568.4 MPa，可知其遠(yuǎn)大于部件可承受的最大應(yīng)力值，故強(qiáng)度符合要求。對(duì)撥桿的有限元分析表明 ，承載區(qū)變形較大，其周圍局部應(yīng)力較大，應(yīng)力分布不均，在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為避免應(yīng)力集中，可加強(qiáng)承載區(qū)域的改進(jìn)，可采用過(guò)度圓弧來(lái)連接兩個(gè)圓柱。采用有限元分析與傳統(tǒng)方法相比 ，大大提高了分析精度及設(shè)計(jì)品質(zhì)，為進(jìn)一步改進(jìn)撥桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。以上分析可以得出，應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)閮蓚€(gè)圓柱過(guò)渡區(qū)，滿足設(shè)計(jì)使用壽命。

同時(shí)將計(jì)算導(dǎo)入結(jié)果之后，同樣可以生成應(yīng)力動(dòng)畫，并可錄制成視屏，可以看見撥桿所受到應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，從而方便直觀設(shè)計(jì)過(guò)程中核心問(wèn)題，也可生成html格式的仿真報(bào)告，仿真報(bào)告如圖11。

圖10 撥桿的仿真分析結(jié)果圖

圖11 導(dǎo)出仿真報(bào)告

另外，應(yīng)用UGNX軟件，當(dāng)撥桿零件的尺寸及結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改以后 ，只需要改變相應(yīng)的參數(shù) ，即可進(jìn)行仿真分析，從而大大提高了計(jì)算效率。運(yùn)用仿真結(jié)果對(duì)撥桿的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供了有力設(shè)計(jì)依據(jù)［7］。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)測(cè)試產(chǎn)品被測(cè)試項(xiàng)目的研究，為了保證測(cè)試可靠性，針對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵部位零部件的應(yīng)力受力情況，運(yùn)用UGNX高級(jí)仿真中的有限元分析模塊，有效的分析出零部件中的應(yīng)力情況和形變情況，為其他機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)提供了借鑒思路。

(1)運(yùn)用UG－NX的建模模塊能夠?qū)υO(shè)計(jì)方案進(jìn)行快捷便利表達(dá)。

(2)通過(guò)有限元分析，探明了試驗(yàn)臺(tái)撥桿的應(yīng)力與位移最大處，因此可對(duì)應(yīng)力較大的地方可以進(jìn)行針對(duì)性的局部修改與加固，在強(qiáng)度保障前的提下對(duì)試驗(yàn)臺(tái)撥桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

(3)當(dāng)撥桿零件的尺寸及結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改以后，只需要改變相應(yīng)的參數(shù)，即可進(jìn)行仿真分析，從而大大提高了設(shè)計(jì)效率，降低了產(chǎn)品開發(fā)成本。

［1］ 王 英，高建國(guó)，門世衛(wèi)，等.隔離開關(guān)過(guò)熱處理技術(shù)應(yīng)用［J］.山西電力，2012(1):11－14.

［2］ 徐 達(dá).塑殼式斷路器通用機(jī)械壽命試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.建筑電氣，2009(23):58－59.

［3］ 杜平安，甘蛾忠，于亞婷，等.有限元法—原理、建模及應(yīng)用［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

［4］ 常德功，盧學(xué)玉.機(jī)床動(dòng)力卡盤的UG有限元分析［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2005，34(1):99－101.

［5］ 劉 鵬，王好臣.基于UG的立銑刀銑削力的有限元分析［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2007(3):36－38.

［6］ 楊國(guó)軍，石林榕.汽車衡承載架結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2013(2):48－49.

［7］ 丁勇能.基于有限元的發(fā)電機(jī)軸銷孔鑲套應(yīng)力計(jì)算［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2014(5):162－165.