弹簧操动机构分闸扣板冲击疲劳寿命估算

doi:10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.01.006

摘要/Abstract

摘要：

针对弹簧操动机构分闸扣板在工作过程中失效的问题,提出了一种适用于受强冲击载荷的疲劳寿命计算方法。运用RecurDyn对整体弹簧操动机构进行运动学分析,得到合闸速度、行程与弹簧力。基于运动学模型利用Lsdyna进行冲击动力学仿真,得到合闸过程中分闸扣板应力集中处的时间应力曲线。针对其失效特点,采用局部应力应变法加冲击损伤修正方法进行寿命估算,得到的结果为9 216次,与实际测试次数10 000次相比,误差为7.8%,符合工程要求。

关键词: 弹簧操动机构, 冲击疲劳寿命, 局部应力应变法, 冲击损伤修正

Abstract:

A fatigue life calculation method suitable for strong impact loads is proposed to address the failure problem encountered by the opening gusset plate of the spring operating mechanism during operation.The kinematic analysis on the overall spring operating mechanism using RecurDyn is performed to obtain the closing speed,stroke,and spring force.Based on the kinematic model and using Lsdyna for impact dynamics simulation,the time stress curve at the stress concentration point of the opening gusset plate during the closing process is obtained.Based on its failure characteristics,the local stress-strain method combined with impact damage correction method is used for the life estimation,and the result obtained is 9 216 times.Compared with the actual testing frequency of 10 000 times,the error is 7.8%,which can meet the engineering requirements.

Key words: spring operating mechanism, impact fatigue life, local stress-strain method, impact damage correction

中图分类号:

TM561

王镔, 赵大勇, 李谦. 弹簧操动机构分闸扣板冲击疲劳寿命估算[J]. 电器与能效管理技术, 2024, 0(1): 31-37.

WANG Bin, ZHAO Dayong, LI Qian. Estimation of Impact Fatigue Life of Spring Operating Mechanism’s Opening Gusset Plate[J]. LOW VOLTAGE APPARATUS, 2024, 0(1): 31-37.

图/表 13

图1

图2

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参考文献 22

[1]	李鹏飞, 周文俊, 曾国, 等. 高压断路器合闸弹簧动态特性及储能状态检测方法[J]. 电工技术学报, 2016, 31(3):104-112.
[2]	石飞, 林莘, 徐建源, 等. 真空断路器中关键零件机械可靠性计算与分析[J]. 高压电器, 2005, 41(1):32-35.
[3]	周勇, 周北岳, 李小松. 基于ANSYS的断路器保持弹簧冲击响应分析[J]. 高压电器, 2009, 45(3):15-17,22.
[4]	朱琦琦. 高压开关传动系统的运动学与动力学仿真[J]. 高压电器, 2013, 49(12):104-109.
[5]	赵伟涛, 党德旺, 弟泽龙, 等. 弹簧机构用缓冲器优化设计与疲劳寿命分析[J]. 高压电器, 2017, 53(8):55-60.
[6]	苏毅, 谢植飚, 王佳琳, 等. 12 kV真空断路器合闸弹簧疲劳特性试验及寿命预测[J]. 高压电器, 2022, 58(4):165-171.
[7]	PARK S H, AHN K Y, LEE B Y. Dynamic analysis and structural design of links in an air circuit breaker to enhance fatigue life[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C:Journal of Mechanical Engineering Science, 2005, 219(1):11-18. doi: 10.1243/095440605X8270
[8]	苏斌, 何育斌, 任万滨, 等. 跷板开关机械特性的仿真分析与实验验证[J]. 电器与能效管理技术, 2023(6):39-43.
[9]	KWONA S M. Surface fatigue life of close cam for gas circuit breaker[J]. Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, 2019, 28(5):274-279. doi: 10.7735/ksmte.2019.28.5.274
[10]	董华军, 李东恒, 钟建英, 等. 12 kV真空灭弧室触头合闸冲击下疲劳寿命研究[J]. 电工技术学报, 2022, 37(15):3981-3988.
[11]	周学, 李东晖, 金玥, 等. 考虑空间形位偏差的万能式断路器关键零件断裂失效研究[J]. 电工技术学报, 2022, 37(6):1595-1605.
[12]	曹辰, 孙晓宇, 胡大政, 等. CT26弹簧操动机构合闸保持结构的改进[J]. 高压电器, 2022, 58(3):203-209.
[13]	李晓华. 基于IPSO-LIESN网络的锂电池剩余使用寿命预测[J]. 电器与能效管理技术, 2023(5):51-58.
[14]	苏君滨, 李汶航, 曹倩, 等. 传动杆变形状态下CT14型断路器弹簧操动机构应力分布研究[J]. 广东电力, 2021, 34(12):111-120.
[15]	陶长志. 罐式断路器绝缘拉杆的受力分析及强度校核[J]. 电气工程学报, 2019, 14(3):108-114.
[16]	刘荣海, 杨迎春, 成立峰, 等. 基于LS-DYNA的CT14高压断路器弹簧操动机构仿真与应力分析[J]. 高压电器, 2017, 53(10):29-35.
[17]	孟凡刚, 巫世晶, 贾俊峰, 等. 考虑间隙的弹塑性断路器弹簧操动机构动力学特性研究[J]. 西安交通大学学报, 2016, 50(7):75-82.
[18]	李金儒, 李静, 刘树鑫, 等. SF₆/N₂混合气体断路器弧后击穿特性研究[J]. 电器与能效管理技术, 2023(4):8-14.
[19]	熊晗懿, 郑云, 侯兆新. 基于局部应力应变法的钢结构疲劳裂纹形成寿命预测[J]. 钢结构(中英文), 2019, 34(6):25-28,35.
[20]	张遥辉. 结构冲击疲劳寿命估算方法的研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2020.
[21]	马龙涛, 戴铭磊. 塑壳断路器操作机构疲劳寿命仿真研究[J]. 电器与能效管理技术, 2020(3):8-13.
[22]	张遥辉. 钢铁材料冲击疲劳行为综述[J]. 中国设备工程, 2020(6):211-216.

零件名称	约束
输出轴-大地	旋转副
输出轴-中拐臂、保持拐臂	固定副
凸轮轴-大地	旋转副
分闸扣板-凸轮轴	旋转副
连板-槽销、连板销	旋转副
挂簧轴、静触头、支撑板-大地	固定副
动触头-大地	移动副

弹簧参数	刚度系数/ (N·mm^-1)	预载荷/N	线圈直径/mm	线圈/匝
合闸簧(内)	27.65	2 129	7.0	12
合闸簧(外)	24.63	2 881	8.5	10
分闸簧	36.93	813	5.0	13
扭簧	43.83	895	2.5	4
复位簧	3.84	45	2.0	5
触头簧	200.00	2 700	10.0	5

零件	材料	密度/ (kg·m^-2)	弹性模量/MPa	泊松比
分闸簧工艺销, 挂簧销,槽销	圆钢40cr	7 850	210 000	0.3
分闸簧导向板	Q235B	7 850	190 000	0.3
拐臂,主轴	45钢	7 850	210 000	0.269
滚轮,轴承	GCR15	7 810	207 000	0.3
分闸扣板	铸钢40cr	7 800	202 860	0.3

序号	局部应力/Mpa	局部应变	Manson-coffin 计算寿命/次	道林计算寿命/次
1	148.14	0.000 729 37	495 390	23 169 540
2	9.99	0.000 048 22	495 390	23 169 540
3	152.12	0.000 749 00	340 000	18 328 070
4	33.63	0.000 164 91	340 000	18 328 070
5	0	0	13 250	8 450
6	351.50	0.001 600 00	13 250	8 450
7	0	0	21 090	37 123
8	300.83	0.001 400 00	21 090	37 123

计算方法	疲劳寿命/次
计算方法	传统Miner	Carten-Dolan	冲击疲劳模型
Manson-coffin	7 822	9 719	9 216
道林	6 879	7 623	—