王增彬，張 拓，姚聰偉，孫 帥，王立軍

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究，廣州 510080；2.廣東省電力裝備可靠性企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510080；3.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049）

0 引言

高壓開關(guān)是電網(wǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，起著控制和保護(hù)電路的雙重作用，是電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要保障。在電力系統(tǒng)發(fā)生的事故中，由開關(guān)設(shè)備引起的故障占很大比例[1]，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。第三屆CIGRE 斷路器可靠性報(bào)告指出，斷路器故障原因占比最高的是操作機(jī)構(gòu)機(jī)械故障[2-4]，因此對(duì)斷路器機(jī)械特性進(jìn)行研究十分必要。斷路器在長期運(yùn)行過程中，部分受力大的部件可能會(huì)出現(xiàn)疲勞損傷，GB 1984—2014[5]對(duì)此作出相關(guān)規(guī)定，因此需要對(duì)斷路器機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件進(jìn)行疲勞壽命分析。

隨著數(shù)值仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，制造物理樣機(jī)之前會(huì)建立虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真模擬，可以提前了解其性能，提出指導(dǎo)性意見[6-9]。國內(nèi)外已有諸多學(xué)者對(duì)斷路器的電弧性質(zhì)進(jìn)行了研究[10-11]，對(duì)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)建立仿真模型，并計(jì)算其機(jī)械特性[12-15]。高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)屬于機(jī)械裝置，在其長期運(yùn)行過程中還應(yīng)考慮疲勞損傷。國內(nèi)對(duì)于疲勞損傷問題的研究起步較晚，但仍取得許多研究成果[16-18]。文獻(xiàn)[19]利用多體動(dòng)力學(xué)軟件Adams 建立真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)，并對(duì)斷路器的分合閘過程進(jìn)行了仿真；文獻(xiàn)[20]利用機(jī)械系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)分析軟件Motion 與液壓系統(tǒng)仿真軟件AMEsim 建立聯(lián)合仿真模型，對(duì)420 kV 高壓液壓操動(dòng)式斷路器機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析；文獻(xiàn)[21]基于ANSYS Workbench以及nCode DesignLife 軟件對(duì)斷路器緩沖器缸體進(jìn)行有限元疲勞壽命分析，為緩沖器及彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)其他零部件的疲勞分析提供了一種新的分析路徑和方法。

本文基于Adams 和AMEsim 軟件建立仿真模型，對(duì)252 kV 高壓斷路器CT26-252 型彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)分合閘過程的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行仿真計(jì)算，同時(shí)對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中受力較大的零件進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。

1 斷路器結(jié)構(gòu)與計(jì)算原理

1.1 斷路器機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡介

252 kV 高壓斷路器CT26-252 型操動(dòng)機(jī)構(gòu)為彈簧儲(chǔ)能式機(jī)構(gòu)，其整體模型如圖1 所示。

圖1 斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型

斷路器處于分閘狀態(tài)，且合閘彈簧已儲(chǔ)能時(shí)，機(jī)構(gòu)狀態(tài)如圖1 所示。合閘過程中，合閘線圈動(dòng)作，釋放分閘保持掣子，合閘彈簧帶動(dòng)儲(chǔ)能軸旋轉(zhuǎn)，凸輪撞擊拐臂滾子，主軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)斷路器動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)，同時(shí)為分閘彈簧儲(chǔ)能，直到合閘保持摯子扣接，完成合閘過程；分閘階段，分閘線圈動(dòng)作，釋放合閘保持摯子，在分閘彈簧的作用下主軸旋轉(zhuǎn)，完成分閘過程。

由于分、合閘觸頭動(dòng)作速度較高，會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)及滅弧室零部件造成沖擊，因此通常采用添加緩沖裝置的方式來吸收運(yùn)動(dòng)部位的分合閘剩余動(dòng)能，防止沖擊力過大造成斷路器零部件損傷。CT26-252 型操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用油緩沖器進(jìn)行緩沖。油緩沖器是一個(gè)液壓系統(tǒng)，剖視圖如圖2 所示。

圖2 油緩沖器剖視圖

1.2 斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真原理

采用動(dòng)力學(xué)仿真設(shè)計(jì)是復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要手段之一，能夠真實(shí)地模擬機(jī)構(gòu)零部件運(yùn)動(dòng)過程，對(duì)多種參數(shù)方案進(jìn)行量化分析，減少樣機(jī)制造的試錯(cuò)次數(shù)，縮短產(chǎn)品研制周期與成本。由于油緩沖器屬于簡單液壓系統(tǒng)，Admas 為機(jī)械系統(tǒng)仿真分析軟件，不能對(duì)油緩沖器部分進(jìn)行仿真，因此本文聯(lián)合采用Adams 與液壓仿真軟件AMEsim，對(duì)斷路器分合閘過程的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行仿真。仿真流程如圖3 所示。

圖3 操動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真流程

在SolidWorks 中建立斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的模型，并將該模型導(dǎo)入Adams 中進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，同時(shí)在AMEsim 中建立油緩沖器模型，通過仿真軟件的數(shù)據(jù)接口完成聯(lián)合仿真。

為了分析機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件的應(yīng)力應(yīng)變情況，研究部件受力形變對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響，需要建立剛?cè)嵝曰旌蟿?dòng)力學(xué)模型，對(duì)斷路器機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行更加精確的模擬?；贏dams 的剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(xué)模型仿真分析流程如圖4 所示。

圖4 基于Adams 剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(xué)模型仿真流程

通過剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(xué)模型仿真不僅可以得到柔性體部件在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的應(yīng)力應(yīng)變情況，還可以得到在該過程中柔性體部件的載荷譜，為疲勞壽命分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.3 疲勞壽命仿真原理

若構(gòu)件在循環(huán)恒幅應(yīng)力S 的作用下，承受N次循環(huán)載荷產(chǎn)生疲勞損壞，則其在承受n 次循環(huán)時(shí)的損傷量化值D 如式（1）所示：

假設(shè)構(gòu)件在應(yīng)力水平Si作用下，承受ni次循環(huán)時(shí)的損壞為Di=ni/Ni。若構(gòu)件承受的一次載荷歷程包括k 個(gè)應(yīng)力水平Si（i=1，2，3，…，k）的作用，每一個(gè)應(yīng)力水平Si包括ni次循環(huán)，則可以定義一次載荷歷程下的總損傷如式（2）所示：

式中：ni為Si作用下的循環(huán)次數(shù)，由載荷譜確定；Ni為Si作用下的疲勞壽命，由S-N 曲線確定。

構(gòu)件產(chǎn)生疲勞破壞的判斷依據(jù)為D=1。

依據(jù)上述方法，使用ANSYS workbench 對(duì)構(gòu)件進(jìn)行受力分析，獲取構(gòu)件應(yīng)力分布，從Adams中導(dǎo)出構(gòu)件的載荷譜。將應(yīng)力分布與載荷譜導(dǎo)入nCode 進(jìn)行求解分析，得到疲勞壽命計(jì)算結(jié)果。

2 仿真過程及結(jié)果分析

2.1 斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真

2.1.1 多剛體動(dòng)力學(xué)模型仿真結(jié)果

采用Adams 與AMEsim 聯(lián)合仿真的方法，將斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的各個(gè)零件簡化為剛體模型，將緩沖器部分按照液壓系統(tǒng)計(jì)算。其中，分閘彈簧彈性系數(shù)為156 N/mm，預(yù)緊力為10 750 N；2 個(gè)合閘彈簧并聯(lián)，彈性系數(shù)分別為120 N/mm 和85 N/mm，預(yù)緊力分別為28 560 N 和19 290 N。斷路器機(jī)構(gòu)的分合閘示意圖如圖5 所示。

圖5 斷路器機(jī)構(gòu)示意圖

仿真時(shí)為了減少不必要的計(jì)算耗時(shí)，在合閘完成且停止彈跳后約40 ms 便讓其開始分閘動(dòng)作。計(jì)算得到輸出拐臂在分合閘過程中的機(jī)械行程曲線如圖6 所示。

圖6 分合閘過程中拐臂輸出位移

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用機(jī)械特性測試儀實(shí)際測量同型號(hào)機(jī)構(gòu)的分合閘行程曲線。斷路器分閘過程中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如圖7 所示，可以看出，分閘行程曲線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖7 拐臂行程實(shí)驗(yàn)結(jié)果與多剛體動(dòng)力學(xué)模型仿真結(jié)果對(duì)比

2.1.2 剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(xué)模型仿真結(jié)果

在斷路器分合閘過程中，操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的輸出拐臂將承受很大的力，可能在動(dòng)作過程中產(chǎn)生形變，從而影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。因此考慮將機(jī)構(gòu)中的輸出拐臂替換為柔性體進(jìn)行計(jì)算，用柔性體代替輸出拐臂后的模型如圖8 所示。將仿真得到的輸出拐臂行程與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖9 所示。

圖8 剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(xué)模型示意圖

由圖9 可以看出，剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(xué)模型仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，且分閘過程中的速度都在42 ms 處發(fā)生突變。原因是斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)到約42 ms 時(shí)，油緩沖器中連接內(nèi)腔下部與外腔的油孔全部關(guān)閉，油緩沖器對(duì)機(jī)構(gòu)的反作用力瞬間增大，導(dǎo)致分閘速度下降。

圖9 拐臂行程實(shí)驗(yàn)結(jié)果與剛?cè)峄旌夏Ｊ椒抡娼Y(jié)果對(duì)比

多剛體模型和剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(xué)模型的輸出拐臂位移對(duì)比如圖10 所示?？梢钥闯觯鄤傮w動(dòng)力學(xué)模型與剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(xué)模型的仿真結(jié)果基本一致，將拐臂替換為柔性體后對(duì)機(jī)構(gòu)整體運(yùn)動(dòng)模擬影響小。

圖10 2 種仿真模型的結(jié)果對(duì)比圖

斷路器運(yùn)動(dòng)過程中輸出拐臂應(yīng)變最大的10個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變情況如表1 所示，輸出拐臂最大應(yīng)變?yōu)?.002 25?？梢姡捎谳敵龉毡墼跀嗦菲鳈C(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中應(yīng)變量小，所以剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(xué)模型與多剛體動(dòng)力學(xué)模型的仿真結(jié)果基本一致。

表1 斷路器分合閘過程中拐臂應(yīng)變最大節(jié)點(diǎn)信息

通過剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(xué)模型可獲得斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作過程中的輸出拐臂載荷譜。分合閘過程中，輸出拐臂的載荷譜如圖11 所示。由圖可見，在分合閘過程中拐臂上下孔載荷存在差異：合閘過程中，拐臂上孔存在較大載荷，而下孔載荷較?。环珠l過程中，拐臂上下孔載荷變化趨勢相似，但下口承受載荷較大。這是因?yàn)楣毡巯驴着c油緩沖器相連，所以在合閘過程中載荷較小。

圖11 拐臂的載荷譜

2.2 疲勞壽命計(jì)算

2.2.1 有限元分析結(jié)果

利用nCode 軟件對(duì)拐臂進(jìn)行疲勞分析時(shí)，需要讀入有限元分析結(jié)果，所以首先需要利用ANSYS Workbench 對(duì)拐臂進(jìn)行有限元分析。斷路器分、合閘過程中，拐臂受力情況差別較大，可將其分解為兩種工況，每種工況下的受力值由載荷譜決定。第一種工況下設(shè)置拐臂中孔為固定約束，上孔受力為51.2 kN；第二種工況下設(shè)置拐臂中孔為固定約束，下孔受力為59.99 kN。兩種工況下拐臂受力設(shè)置如圖12 所示。

圖12 拐臂受力設(shè)置情況

由圖13 得知，兩種工況下的最大應(yīng)力應(yīng)變分別在上孔和下孔附近，最大應(yīng)力分別為563.47 MPa 和656.86 MPa，最大應(yīng)變分別為0.002 8 和0.003 3。

圖13 兩種位置下應(yīng)力和應(yīng)變分析結(jié)果

2.2.2 疲勞壽命仿真結(jié)果

利用nCode 軟件對(duì)拐臂進(jìn)行疲勞壽命分析。拐臂材料為40Cr，材料的抗拉強(qiáng)度為750 MPa，將有限元分析結(jié)果以及載荷譜導(dǎo)入nCode 軟件，得到拐臂疲勞壽命云圖如圖14 所示。可見，拐臂的上下孔處疲勞壽命最短，說明在該位置處更容易產(chǎn)生裂紋，最短壽命位于拐臂下孔，為60 430次，可滿足國標(biāo)中對(duì)斷路器能夠進(jìn)行10 000 次操作的要求[5]。

圖14 拐臂疲勞壽命云圖

3 結(jié)論

本文基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論和液壓緩沖理論，采用Adams 軟件和AMESim 軟件聯(lián)合仿真的方法，建立了帶油緩沖器的高壓斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型，對(duì)斷路器分合閘過程中操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作情況進(jìn)行仿真，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；同時(shí)采用疲勞壽命分析軟件對(duì)關(guān)鍵部件的疲勞壽命進(jìn)行仿真，得到以下結(jié)論：

（1）利用Adams 與AMESim 建立聯(lián)合仿真模型，對(duì)斷路器分合閘過程進(jìn)行仿真，得到的輸出拐臂行程曲線與實(shí)驗(yàn)值基本一致，驗(yàn)證了聯(lián)合仿真模型的正確性，為含緩沖器的斷路器機(jī)構(gòu)仿真提供了新的分析方法。

（2）對(duì)比多剛體動(dòng)力學(xué)模型仿真結(jié)果與剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(xué)模型仿真結(jié)果可知，由于拐臂在斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中應(yīng)變量較小，機(jī)構(gòu)整體運(yùn)動(dòng)受拐臂應(yīng)變的影響較小。

（3）在斷路器機(jī)構(gòu)合閘過程中，拐臂上通孔受力大于下通孔，且兩者的載荷譜差異大；在分閘過程中，拐臂上通孔受力小于下通孔，兩者的載荷譜變化規(guī)律相似。

（4）對(duì)拐臂進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，拐臂疲勞壽命可達(dá)到60 000 次以上，拐臂疲勞壽命最短位置處于拐臂下通孔位置。