基于DEFORM-3D的高压断路器操作弹簧应力分析*

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(1.贵州大学 材料与冶金学院，贵州 贵阳 550003；2.贵州电力试验研究院，贵州 贵阳 550002)

0 引言

高压断路器是电网系统的重要安全设备，通过强大的开断、灭弧功能在发生事故时迅速接通或切断电源，以确保效率和电力系统的安全运行[1-2]。操作弹簧是高压断路器机械操动机构中的储能元件，利用弹簧的变形能作为高压断路器的操动能源进行分、合闸操作, 因而要求有较高的可靠性。断路器操作弹簧在载荷作用下分、合闸，不断发生压缩或拉伸变形，因此容易出现疲劳现象，造成弹簧在分、合闸时发生拒动、误动甚至断裂，严重威胁电网系统的正常运行[3-5]。应力作用是引起弹簧疲劳的主要原因之一[6]，因此必须准确把握操作弹簧在工作时的应力分布状况、最大应力值及其出现的位置，分析其在运行工况下的应力状态，为避免因操作弹簧失效引起的电网故障提供理论指导。

高压断路器弹簧在正常服役时主要以弹性变形为主，弹簧在拉伸变形过程中承受的载荷主要有扭矩、弯矩、拉应力、剪应力等，应力状态比较复杂，应用有限元软件能够对金属的各种成形过程及受力状态进行模拟分析和精确计算[7-9]。本文借助于DEFORM-3D软件对高压断路器操作弹簧服役过程中的弹性变形进行模拟计算，分析了其在变形过程中的应力状况分布和载荷大小，并将模拟结果和理论计算结果进行了对比分析。

1 断路器操作弹簧模型的建立

本文采用的高压断路器操作弹簧为圆柱螺旋拉伸弹簧，材料为60Si2CrVA，实际形状如图1所示。

图1 断路器操作弹簧

根据断路器操作弹簧的实际尺寸在SolidWorks2010中建立出模型，其基本参数如下：弹簧的总圈数为n=22，有效圈数n=18，棒料直径d=8 mm，弹簧中径为D=44 mm，自由高度为185 mm。弹簧的两端利用上、下夹具夹持，上、下夹具处于同一平面且位于弹簧轴线上以保证弹簧受力不偏心。

2 DEFORM 有限元分析

将在SolidWorks2010中建立的弹簧模型及上、下夹具导入DEFORM-3D中，将弹簧属性设置为弹性体，上、下夹具设置为刚性体。弹簧选取的力学性能参数如下：拉伸弹性模量1.97×105MPa；切变弹性模量为7.85×104MPa，σs≥1 666 MPa，σb≥1 862 MPa，泊松比为0.3[10]。

图2 划分网格之后的断路器操作弹簧

对导入的弹簧几何体进行几何检查，质量符合之后进行四面体网格的划分，网格划分量太少，不能准确计算应力的分布，网格划分量太多，模拟计算耗费时间太长，综合两者选取网格数量为40000，划分网格之后的弹簧模型如图2所示。弹簧与夹具之间的接触关系定义为剪切模式，摩擦因数选择0.12。将上夹具设置为主动模具，通过上夹具的运动作用于弹簧使其逐渐拉长，通过该过程模拟断路器弹簧的拉伸变形。断路器操作弹簧在实际应用中受到的载荷是近似于脉动的载荷，所以主要针对其在不同的拉伸变形量下的最大应力进行分析计算，分别设置了50 mm和100 mm两个不同的行程进行模拟和对比分析。模拟计算设置数据经检查正常生成DB文件后，开始进行模拟计算。

模拟计算完成之后，选择DEFORM-3D POST选项进入后处理窗口，查看弹簧模型在不同行程下的应力分布云图及载荷——行程曲线。如图3所示：当弹簧的拉伸变形量为50 mm时，其最大应力值为350 MPa，应力值较大的区域集中分布在弹簧的内径附近，夹具对弹簧施加的最大载荷为772 N；当拉伸变形量为100 mm时，其最大应力为758 MPa，应力值较大的区域同样集中分布在弹簧的内径处，夹具对弹簧施加的最大载荷为1 630 N。

图3 弹簧模型在不同行程下的应力分布云图及载荷——行程曲线

高压断路器操作弹簧模型在不同行程下棒料截面受力情况如图4所示，弹簧沿外径到内径方向上的节点处所受的应力呈先减小再增大的趋势，在弹簧棒料中径处应力达到最小值，在内径处达到最大值，这与图3应力分布云图显示的结论相似。因此内径处是弹簧最易于发生失效的位置。

图4 弹簧模型在不同行程下簧丝截面受力示意图

3 理论分析

弹簧的变形量与对弹簧施加的载荷值大致呈正比例关系，两者之间的关系如式(1)所示[10]，模拟计算值与其基本相同。

(1)

式中：λ表示弹簧的变形量(mm)，P为弹簧所受的载荷值(MPa)，D为圆柱螺旋弹簧中径(mm)，G为剪切模量(MPa)，n弹簧有效圈数，d为弹簧棒料直径(mm)。

圆柱螺旋弹簧在载荷作用下发生压缩或拉伸变形时，弹簧内径边缘处所受的剪应力最大，其值的计算公式为[10]：

(2)

c为D/d。式(1)与式(2)相结合，可得:

(3)

根据公式(3)计算出当λ=50 mm时，τmax=366.7 MPa；当λ=100 mm时，τmax=733.4 MPa，理论计算值与DEFORM-3D软件模拟值相近。对于压缩或拉伸圆柱螺旋弹簧，主要承受的是扭曲应力，通常采用其弹性极限τe。对于60Si2CrVA弹簧钢，τe值一般取σb的50%～60%，由σb≥1862 MPa可得τemin=931 MPa，对于该高压断路器操作弹簧的模拟值和计算值，在拉伸行程达到100 mm其所受到的最大应力值均小于τemin，因此该断路器操作弹簧在未发生失效的情况下最大行程可超过100 mm，这为断路器操作弹簧的行程设置及最大载荷值提供了理论参考依据。

4 结论

1)利用DEFORM-3D有限元软件对高压断路器操作弹簧正常工作时的拉伸变形过程进行模拟分析表明：弹簧在拉伸变形中，随着拉伸变形量的增加，弹簧所受的应力呈线性增长，弹簧内径处剪切应力值大于外径处的剪切应力，且在中径处所受应力值最小，外径处所受应力值最大。

2)对高压断路器操作弹簧的拉伸变形模拟值与理论计算值进行了比较，两者数值相差较小，模拟值与理论计算值相符合。

3)高压断路器操作弹簧在拉伸行程为100 mm时，仍处于其线弹性范围之内，弹簧未发生失效，模拟计算此时的最大载荷值为772 N，这为断路器操作弹簧的安全工作提供了可靠的参考数据，避免因载荷过大而引起的断裂。

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