基于SolidWorks的断路器储能弹簧强度与疲劳分析

    0 引言

    随着我国电网的发展，城乡电网改造的不断深入，断路器得到广泛应用，它担负着控制和保护电路的双重任务。弹簧操作机构断路器以其反应述度快、可靠性高，体积小等特点，在断路器的使用中占很大的份额。螺旋储能弹簧作为弹簧操作机构断路器的重要部件，它的强度和使用寿命对断路器运行的稳定性和安全性有着重要影响，从而影响到电网运行的稳定性和安全性。在弹簧操作机构断路器设计中，对储能弹簧的选用和设计，往往采用经验手段，经过多次实物样机试验后才能最终确定下来，导致断路器设计效率低，开发时间过长。

    本空采用SolidWorks软件所提供的强大建模能力和有限元分析功能，对弹簧操作机构断路器储能弹簧进行建模和有限元分析，得到储能弹簧在断路器储能时最大拉伸工况下的应力应变分布情况和疲劳寿命情况，为断路器的设计提供理论依据，从而提高了断路器的设计质量和效率。

    1 储能弹簧模型

    SolidWorks是一款功能强大的三维CAD软件，并且集成有CAE模块，它的SolidWorks Simulalion有限元分析模块与SolidWorks三维建模模块是无缝集成的，因此，不再CAD环境下即可对所建模型进行应力分析、频率分析、疲劳分析、热分析和优化分析等相关有限元分析，避免了把SolidWorks模型导入到其他分析软件过程中的数据丢失。本文盘SolidWorks三维建模模块中所建的储能弹簧，即可由SolidWorks Simulation有限元分析模块直接调用。为了便于约束和加载，在储能弹簧受拉伸的一端加上一个小圆柱，所建的储能弹簧参数如表1所示。

    表1 储能弹簧参数

    本设计的弹簧操作机构断路器储能弹簧材料采用60Si2Mn．它的切变模量为c=79GPa。抗拉强度σb≥1274MPa，屈服强度σ≥1176MPa，弹性模量E=206GPa，泊松比0.3，密度7.85g/cm3。在SolidWorks Simulation有限元分析模块直接调用储能弹簧三维模型，建立储能弹簧静态分析算例，对储能弹簧加圆柱一端进行轴向约束，另一端进行固定约束，采用较小的4单元网格对储能弹簧进行网格划分，划分结果得节点数为27034个，单元数为14182个。网格划分结果如图1所示。

    图1 储能弹簧有限元模型

2 储能弹簧强度分析

    圆柱螺旋弹簧在受轴向载荷拉伸(压缩)时，其轴向变形量λ为

    式中，F——弹簧轴向载荷