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  • 頭條大連交大學(xué)者發(fā)現(xiàn)可有效提高真空滅弧室觸頭疲勞壽命的支撐盤結(jié)構(gòu)
    2023-02-24 作者:董華軍、李東恒 等  |  來源:《電工技術(shù)學(xué)報》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院、平高集團(tuán)有限公司的董華軍、李東恒、鐘建英、朱曄、郭方準(zhǔn),在2022年第15期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文,對真空斷路器操動機(jī)構(gòu)合閘動態(tài)特性進(jìn)行計(jì)算;然后在LS-DYNA中根據(jù)觸頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)接觸關(guān)系,建立觸頭結(jié)構(gòu)有限元模型,將動、靜觸頭碰撞時刻的速度作為初始條件,計(jì)算觸頭結(jié)構(gòu)在合閘碰撞過程中各時刻的應(yīng)力應(yīng)變;在nCode軟件中建立觸頭疲勞壽命分析流程,將觸頭碰撞過程應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果、材料E-N曲線輸入到nCode軟件中,通過雨流計(jì)數(shù)法對沖擊載荷歷程進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì),計(jì)算出觸頭合閘沖擊下的疲勞累計(jì)損傷及分布,預(yù)測出觸頭疲勞壽命及危險區(qū)域,并對支撐盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以提高觸頭結(jié)構(gòu)疲勞壽命。

    真空滅弧室結(jié)構(gòu)是否合理對真空開關(guān)的開斷性能有著重要影響。目前國內(nèi)外專家學(xué)者在對滅弧室觸頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大多僅考慮了滅弧室的電氣性能,而忽略了觸頭的機(jī)械性能。在滅弧室合閘過程中,動、靜觸頭碰撞時產(chǎn)生的合閘沖擊力具有時間短、強(qiáng)度高等特點(diǎn),在多次合閘操作后,滅弧室觸頭極有可能在循環(huán)沖擊載荷作用下發(fā)生疲勞破壞,導(dǎo)致觸頭實(shí)際工作壽命遠(yuǎn)低于預(yù)期壽命,因此開展真空滅弧室觸頭疲勞壽命研究是有必要的。

    滅弧室合閘過程中的觸頭沖擊碰撞現(xiàn)象是一個極其復(fù)雜的非線性程度很高的問題。沖擊載荷作用下,觸頭結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力以波的形式高速傳播,在遇到界面尺寸改變時將產(chǎn)生反射、疊加等現(xiàn)象,在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),對觸頭結(jié)構(gòu)疲勞壽命有著重大影響。在研究觸頭沖擊碰撞問題時最直觀的方法是實(shí)驗(yàn)法,通過搭建實(shí)驗(yàn)裝置可直接對觸頭合閘沖擊力及觸頭壽命進(jìn)行測量,但測量結(jié)果受實(shí)驗(yàn)裝置的影響較大,需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證以避免測量結(jié)果偶然性。

    大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院、平高集團(tuán)有限公司的董華軍、李東恒、鐘建英、朱曄、郭方準(zhǔn),在2022年第15期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文,對真空斷路器操動機(jī)構(gòu)合閘動態(tài)特性進(jìn)行計(jì)算;然后在LS-DYNA中根據(jù)觸頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)接觸關(guān)系,建立觸頭結(jié)構(gòu)有限元模型,將動、靜觸頭碰撞時刻的速度作為初始條件,計(jì)算觸頭結(jié)構(gòu)在合閘碰撞過程中各時刻的應(yīng)力應(yīng)變;在nCode軟件中建立觸頭疲勞壽命分析流程,將觸頭碰撞過程應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果、材料E-N曲線輸入到nCode軟件中,通過雨流計(jì)數(shù)法對沖擊載荷歷程進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì),計(jì)算出觸頭合閘沖擊下的疲勞累計(jì)損傷及分布,預(yù)測出觸頭疲勞壽命及危險區(qū)域,并對支撐盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以提高觸頭結(jié)構(gòu)疲勞壽命。

    圖1 VS1操動機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真模型

    圖2 觸頭模型

    他們在此基礎(chǔ)上分析了支撐盤結(jié)構(gòu)對觸頭疲勞壽命的影響,得出以下結(jié)論:

    1)通過對滅弧室觸頭沖擊過程進(jìn)行顯示動力學(xué)分析,可知觸頭合閘過程中杯座開槽根處及觸頭片開槽末端為高應(yīng)力危險區(qū)域,易發(fā)生破壞。

    2)基于Miner累積損傷理論和局部應(yīng)力應(yīng)變疲勞理論,對觸頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命分析,可知觸頭疲勞壽命危險區(qū)域基本與高應(yīng)力危險區(qū)域相對應(yīng),同為觸頭片及杯座開槽根處。

    3)觸頭支撐盤結(jié)構(gòu)對觸頭疲勞壽命的影響較大,其中當(dāng)支撐盤為圓柱和圓筒型時,觸頭機(jī)械性能相對較差;支撐盤為凸臺型時,觸頭的機(jī)械性能較好,能使觸頭結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布更加合理,其疲勞壽命可達(dá)13970次,基本滿足觸頭額定壽命要求。

    圖3 凸臺支撐盤觸頭結(jié)構(gòu)疲勞壽命及損傷

    科研人員指出,本課題的研究成果為觸頭結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測及優(yōu)化提供了理論參考。另外,他們也表示,本次研究在真空滅弧室沖擊疲勞研究中未考慮電動斥力、溫度等對觸頭結(jié)構(gòu)疲勞壽命產(chǎn)生的影響,因此觸頭結(jié)構(gòu)在載流環(huán)境下運(yùn)行的壽命預(yù)測和評估工作仍需進(jìn)一步研究和完善。

    本文編自2022年第15期《電工技術(shù)學(xué)報》,論文標(biāo)題為“12kV真空滅弧室觸頭合閘沖擊下疲勞壽命研究”。本課題得到國家自然科學(xué)基金和遼寧省自然科學(xué)基金計(jì)劃資助項(xiàng)目的支持。