大型电力变压器油箱吊轴的优化设计

    0 引言

    变压器结构设计的任务在于选定结构型式，保证油箱等各组件具有足够的绝缘强度和机械强度。在传统的变压器油箱吊轴的设计中，往往都是根据现实经验，缺乏一定的理论支持，致使产品设计存在缺陷。本文利用的三维造型功能和Simulation有限元分析功能，模拟油箱吊轴加载后的应力和变形，为结构设计提供依据，并对其结构进行了优化，以期提高设计研发效率。

    1 吊轴的设计及建模

    吊轴是变压器油箱的重要部件，起吊时承受变压器的总重量，必须具有可靠的设计依据及安全系数，吊轴主要由无缝钢管构成，初选φ133×20无缝钢管，端部焊接盲堵板，径向焊有四根加强筋，如图1所示。

图1 吊轴示意图

    1.1 前置处理

    吊轴的主要物理特性参数：密度ρ=7.86kg/m³，弹性模量E=212GPa，泊松比μ=0.288，屈服强度σ=235MPa，抗拉强度=380MPa~420MPa。

    变压器总重量约有25000kg，行车起吊加速度a=v/t=0.021m/s²，起吊时吊轴受到的冲击力Go=G+ma=250525N，吊轴对称分布在油箱纵轴和横轴方向的重心两侧，因此单个吊轴受力约为62630N。

    吊轴模型的建立以网格精度适度小为目标，划分的网格能在有限元分析后，得到满足工程设计精度的数据，如应力、位移等。添加载荷和约束，如图2所示。

图2 吊轴有限元模型

    1.2 求解分析

    对模型进行有限元求解后，显示吊轴的最大应力、最大位移、最大应变图，如图3所示。最大应力64MPa，安全系数为3.7，应力最集中的地方和应变最大的地方都在无缝钢管与加强筋焊接的位置，在实际的焊接中要求焊接牢固；最大位移量0.02mm，位置接近盲堵板处，这就要求无缝钢管相对长度不能太长。可看出该吊轴安全裕度较大，需对吊轴进行优化。

图3 吊轴最大应力、位移及应变示意图

    1.3 优化

    下面对其进行结构优化，首先建立优化的数学模型，包括设计变量、目标和约束，根据吊轴的具体结构，建立优化模型如下：

式中：

d、δ—设计变量；

M—吊轴总质量；

σ_max—许用应力上限；