高压断路器大型储能卷簧应力状态及危险区域仿真分析

高压断路器的弹簧动作机构具有响应速度快、结构简单、工艺性好、无油气泄露等特点,在电网系统中得到了广泛的应用[1],但是其核心部件储能弹簧断裂将会引起事故,给电网带来较大威胁,已受到广泛关注和高度重视.

高压断路器储能弹簧断裂问题是工程实际急需解决的热点问题.文献[2-4]以具体实例分析了变电站断路器储能弹簧断裂的故障特点,认为应力集中与产品质量不合格是导致弹簧断裂的主要原因;文献[5]对某高压断路器圆柱螺旋储能弹机构进行整体应力计算,得到了不同零部件在合闸过程中达到应力最大值的时间不同,应力分布情况各异，存在应力集中、应力分布存在瞬态特性;文献[6]对风电储能系统中的平面涡卷弹簧进行了有限元应力分析与模态分析,发现了卷簧在受载时扭转位移存在偏心现象,整体向尾端约束侧偏移,应力在每一层横截面呈层状分布;文献[7]分析了涡卷弹簧扭转过程,得到了卷簧应力极值位置随转动向内圈方向移动并与尾端成对角关系,增加卷簧圈数可降低其最大应力;文献[8]建立了非接触式SMA平面卷簧力学模型,得到了扭转位移和扭力的关系表达式,计算值与测试数据总体趋势一致;文献[9]对卷簧储能过程进行了有限元数值分析,得到了卷簧在转矩作用下内表面受压应力,外表面受拉应力,在横截面上呈层状分布;文献[10]研究了平面涡卷弹簧与箱体内壁的衬片连接方式,得到了卷簧受载时应力极大值总是在其尾端与衬片连接的中间螺钉孔处且随衬片长度的增加而减小.综上所述,目前主要以圆柱形螺旋弹簧为研究对象,而对平面涡卷弹簧研究,主要使用机械工业部发布的平面卷簧设计计算标准[11]中的卷簧计算公式以及卷簧模型,但在实际工程应用中,多数储能卷簧的尺寸远大于标准的适用范围.对厚度超过4 mm、宽度超过80 mm的大型储能卷簧的相关研究比较少见,故对超标准尺寸的大型储能涡卷弹簧进行研究非常必要.

储能卷簧是高压断路器开合闸动作机构的核心部件,工作中卷簧螺栓孔、截面、轴向表面上的应力分布与变化趋势直接影响到卷簧的工作寿命,也关系到电网系统的安全稳定,分析研究其应力危险区域,是监测现状、提高服役安全的基础工作.本文以高压断路器大型储能卷簧为研究对象,建立有限元模型,分析工作过程中扭转位移和应力状态,为其故障监测及结构优化设计提供参考.

1 高压断路器储能卷簧模型

1.1 高压断路器储能卷簧工作原理

储能卷簧操动机构是目前高压断路器常用的开合闸动作机构之一,BLK型弹簧操动机构的合闸弹簧位于弹簧操动机构内,是钟表式卷簧,合闸弹簧由电动机经涡轮传动机构储能.BLK型机构的储能卷簧安装在卷簧盒子中,两端采用螺钉、挂钩分别与卷簧盒子、驱动主轴相连;在储能过程中卷簧中心主轴被合闸挚子固定不动,卷簧外侧即卷簧尾端随盒子在储能电动机带动下顺时针旋转一定角度;合闸时,卷簧盒子固定,中心主轴释放反作用转矩并顺时针转动.

1.2 储能卷簧建模

图1(a)为某高压断路器储能卷簧外观图,该卷簧厚度为11.5 mm,宽120 mm,最小半径45 mm,最大半径150 mm,平均节距15 mm,共7圈.其材料性能如表1所示.图1(b)为在SolidWorks中等比例建立的储能卷簧模型,图1(c)为应力分析路径划分图，利用ABAQUS有限元软件进行加载分析.

图1 卷簧外观及其实体模型
Fig.1 Appearance of coil spring and its model

表1 卷簧材料特性
Tab.1 Material properties

2 储能卷簧应力分析和扭转位移计算

考虑在工作载荷作用下的平面涡卷弹簧弹性变形,不考虑惯性和阻尼的影响.卷簧在工作中虽然存在较大变形但实际上受到转角位移作用时只发生弹性变形,在ABAQUS有限元软件中可采用一般的线性问题分析方法.对模型不同区域分别采用四面体、六面体与楔形网格划分,共划分25 683个单元.边界条件设置为中心顶端固定约束,机构的储能由角度控制,在尾端端面施加一定的顺时针旋转角位移.

2.1 应力分析

图2所示为卷簧尾端端面加载顺时针旋转角位移UR为1.1 rad后不同平面下的最大主应力云图.图2中最大拉应力为863.0 MPa，出现在卷簧尾端外表面螺栓孔边缘；最大压应力值为162.6 MPa，出现在卷簧尾端内表面端面.从图2很难清楚地分析卷簧的应力状态，为此对各层进行细分.如图1(c)所示，作4条分割线将卷簧7等分，取每一分割线与卷簧外表面圆周交点处的节点为沿轴向路径扫描起点，依次标记为路径XYData-1～XYData-53，分别沿轴向进行应力分析.图1(c)中垂线为卷簧圈数划分起止线，从尾端逆时针到路径XYData-15为第1圈，以此类推，该卷簧模型从外到里，依次划分为第1圈到第7圈，中心第7圈只有半圈.将各路径上节点应力值取平均，并从卷簧最外圈尾端开始逆时针沿卷簧圆周排列，可得沿卷簧圆周由外至里各圈外表面拉应力变化曲线，如图3所示.除去路径XYData-14处于尾端固定孔附近，路径XYData-21处于驱动主轴连接固定端，两者受力情况较特殊.卷簧各圈逆时针沿圆周上应力变化规律相似，以路径XYData-41～53为界，界线各圈下半圆弧外表面应力水平逆时针沿圆周方向由小变大，界线各圈上半圆弧外表面应力水平逆时针沿圆周方向由大变小.由外至里沿卷簧圆周外表面，应力水平趋势是逐渐变小的，如图3中虚线所示.

图2 最大主应力云图
Fig.2 Maximum principal stress cloud

图3 各圈层不同位置的最大主应力
Fig.3 Max stress in different position of the

different layers

为了更清楚地了解各圈弹簧不同位置沿轴向的应力分布,部分圈的细节情况可从图4和图5看到：第1,2圈应力最大,平均250～400 MPa区间呈U形分布;路径14位于卷簧尾端螺栓孔右侧,所受应力比较复杂,中间大边缘小呈n形分布.第3,4,5,6,7圈,应力缓慢变小,最大值从380 MPa降至320 MPa,在250～380 MPa区间呈U形分布.卷簧各圈节点路径应力对比分析可知,卷簧尾端在加载时,卷簧各圈外表面轴向应力呈U形分布,中间小边缘大;应力水平从外圈到里圈依次缓慢变小.

分析每一圈不同位置的应力,还可以发现,从第1圈起,每一圈的右下半,如图1(c)标记的应力要明显大于其他位置的应力增大.如第1圈,位置1,27最大应力接近400 MPa,而其他位置最大应力才300～320 MPa;第2圈,位置2,26最大应力达390 MPa,而其他位置最大应该才300～320 MPa;第3圈,位置3,25最大应力达到380 MPa,而其他位置才300～310 MPa.同一圈层中的不同位置应力有较大差异,远离尾端的右下角会出现较大应力.这可能是因为弹簧是由尾端拉动,在右下角会形成包角,弹簧扭转位移的摩擦力加大,导致拉应力增加.

图4 第1,2圈弹簧轴向应力分布
Fig.4 Axial stress distribution on the 1st and 2nd lap

图5 第5,7圈弹簧轴向应力分布
Fig.5 Axial stress distribution on the 5th and 7th lap

2.2 扭转位移分析

储能卷簧扭转位移取0.24,0.50,0.76,1.00 s时,4个分析步时的空间位移进行分析,位移变化如图6所示.随着卷簧尾端旋转角位移的加载,卷簧各层顺时针旋转,由外层向内层弯曲,尾端左半圆弧各层间隙由外至内逐渐减小,最终最外两层贴合在一起,而尾端右半圆弧各层间隙有变大的趋势.

图6 1 s内4个瞬时卷簧位移
Fig.6 Torsional displacement in different time within 1 second

如图1(c)标记所示,选取路径14到路径20的起始节点为卷簧各圈扭转位移分析对象,依次排序为节点1到节点7.卷簧在加载顺时针旋转角位移UR为1.1 rad时,各圈节点扭转位移线性变化曲线,随着旋转角位移的加载,各个节点的周向位移即旋转角度由卷簧外圈向外里逐渐变小,节点1即卷簧尾端扭转位移最大.

3 结论

本文以某高压断路器储能卷簧为研究对象,利用有限元软件对卷簧储能过程进行模拟仿真.在储能过程中,卷簧尾端经蜗轮驱动器随电动机顺时针转动,各圈扭转位移由外向里依次减小,卷簧由外圈向内圈弯曲紧缩,各圈间距由外至内依次变小.而各圈应力水平则由里向外依次增大,横截面上外表面受拉应力且大于内表面的压应力,各圈外表面沿轴向应力总体呈U形分布,中间小边缘大,随着旋转角位移的加载卷簧外表面边缘的应力最先达到最大值并逐步向中心扩展.卷簧最外两圈右半圆弧区域外表面沿轴向应力水平及近边缘处极大值应力区域面积均处于较大水平.同一圈层中的不同位置应力有较大差异,远离尾端的右下角会出现较在应力.卷簧尾端螺栓孔边缘应力集中,该区域受力情况比较复杂,属于应力危险区域.综上可以推断,除尾端螺栓孔区域外,卷簧产生裂纹区域有可能出现在从外向里各圈外表面的边缘,最外两层与卷簧尾端相对的右半圆弧上的边缘将最容易产生裂纹，并存在由边缘向中间扩展的趋势.为卷簧的故障监测及后续的优化设计提供了参考.