充液壳体运输过程中的随机振动和瞬态分析

    变压器中的铁芯是变压器的重要部件之一,其性能的好坏及使用状态直接影响到变压器的设计及应用。在变压器的运输过程中,路面的不平度会引起运输工具的振动。当振动达到一定程度或者长时间的颠簸会引起变压器构件的损坏[1]。在运输过程中,车子在短距离内的急速刹车导致变压器的铁芯及各支撑构件受冲击载荷的作用,有必要对变压器铁芯及相关构件的力学行为进行分析。文中采用有限元模型,考虑在路面振动下,变压器的铁芯及支撑铁芯各玻璃构件的随机振动分析,并考虑运载车在短距离内刹车时,铁芯承受冲击载荷作用下的强度状况及各玻璃构件在铁芯和变压器油的冲击作用下的强度分布。

    1　模型描述及简化

　　图1给出了变压器的截面示意图。铁芯、玻璃支板以及顶杆被装在一密封圆筒内,筒内充满变压器油。玻璃隔板支在筒的右端。其中顶杆可取玻璃或尼龙材料,玻璃支板沿Z向可自由滑动。有限元建模的时候采用Fluid80单元来模拟油的质量影响,其弹性模量一般取结构弹性模量的1%,泊松比取一相对较小的值。顶杆的左端以及玻璃支板的外圈为固定约束。由于计算中重点考虑铁芯、顶杆以及玻璃支板、玻璃隔板在路谱作用下的应力强度,将圆筒视为刚性,实际建模时将油单元的外圈视为固定约束。

    2　强度计算及结果分析

    2.1　变压器在路面振动下的随机振动分析

　　全频段内的路面不平度干扰量的功率谱密度函数可近似写为[1]

其中:C_sp为路面不平度系数;v为车速;α为折算系数。计算中给定参数值如下:C_sp=2.98×10-9,v=30 km/h,α=0.05。根据功率谱密度函数曲线确定频率值取0≤ω≤50 Hz。

    文中采用第三强度理论校核各部分构件的强度。取玻璃顶杆的直径为D=72 mm,表1列出了玻璃取不同弹性模量时变压器各部分构件的相当应力值。由表1可见,在玻璃的弹性模量分别取10,20,25GPa时,铁芯的最大相当应力为127 MPa,远小于其屈服强度980 MPa;玻璃顶杆以及玻璃隔板和支板的相当应力都远小于玻璃的最大拉伸应力63 MPa。另外,在文中所给的路谱作用下,随着玻璃弹性模量的增大,铁芯和玻璃支板及隔板的相当应力都降低,而玻璃顶杆没有这一明显趋势,在E=20 GPa时其应力值较大。

    取E=10 GPa,图2给出了铁芯的第三强度相当应力等值图,图3给出了玻璃顶杆的第三强度相当应力等值图,图4为玻璃支板以及玻璃隔板的第三强度相当应力等值图。由图2~图4可见:铁芯的最大等效应力分布在与玻璃支板相连接的部位;玻璃支杆的最大等效应力分布在最左端受固定约束处;而对于玻璃支板和隔板,在横向路谱作用下,其最大等效应力分布在玻璃支板的内圈,即玻璃支板与铁芯相连接的部位。和玻璃支板相比,玻璃隔板所受的应力较小。