大連交通大學(xué)等單位學(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)
真空滅弧室結(jié)構(gòu)是否合理對真空開關(guān)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)計中大多僅考慮了滅弧室的電氣性能，而忽略了觸頭的機械性能。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、強度高等特點，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驗法，通過搭建實驗裝置可直接對觸頭合閘沖擊力及觸頭壽命進行測量，但測量結(jié)果受實驗裝置的影響較大，需要大量實驗數(shù)據(jù)進行驗證以避免測量結(jié)果偶然性。大連交通大學(xué)機械工程學(xué)院、平高集團有限公司的董華軍、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構(gòu)合閘動態(tài)特性進行計算；然后在LS-DYNA中根據(jù)觸頭結(jié)構(gòu)設(shè)計接觸關(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)變計算結(jié)果、材料E-N曲線輸入到nCode軟件中，通過雨流計數(shù)法對沖擊載荷歷程進行計數(shù)統(tǒng)計，計算出觸頭合閘沖擊下的疲勞累計損傷及分布，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)進行優(yōu)化以提高觸頭結(jié)構(gòu)疲勞壽命。圖1 VS1操動機構(gòu)動力學(xué)仿真模型他們在此基礎(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，觸頭機械性能相對較差；支撐盤為凸臺型時，觸頭的機械性能較好，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)疲勞壽命及損傷分布科研人員指出，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)境下運行的壽命預(yù)測和評估工作仍需進一步研究和完善。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)基金計劃資助項目的支持。
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