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高压断路器储能弹簧失效分析及截面形状优化

陈汉阳  
【摘要】:高压断路器储能弹簧是高压断路器中的重要部件,其安全隐患严重威胁变电站的运行。我国电力行业正朝着高压、特高压方向发展,断路器储能弹簧的安全性也被寄予更高的要求。近年来却发现多起因断路器储能弹簧出现应力松弛而导致的断路器故障。为提高断路器储能弹簧的安全性,本工作从弹簧失效分析及弹簧截面形状优化两方面开展了研究。一方面,本研究通过对某断路器中出现应力松弛失效的储能弹簧及全新弹簧材料经不同温度回火后的样品进行化学成分分析、拉伸试验、断口分析和金相分析,探究了 60Si2CrVA弹簧应力松弛的原因,用以指导60Si2CrVA生产,来提高断路器储能弹簧的品质。研究结果表明:弹簧热处理过程中回火温度过高,致使其组织为回火索氏体+块状游离铁素体,且碳化物粗细不均匀,部分区域粗大碳化物直径达到0.5μm,而降低了细小弥散的第二相粒子对位错运动的阻碍作用,从而使材料发生应力松弛所需的激活能降低,加快了弹簧的应力松弛速率。另一方面,本研究使用Solidworks建立了圆形截面、矩形截面、椭圆截面和卵形截面等四种不同截面形状的圆柱螺旋弹簧三维模型,并利用Solidworks Simulation有限元分析软件对以上4种弹簧进行了静应力分析。使用“ISO剪裁”“截面剪裁”“探测”等后处理工具探测了最大应力横截面上沿弹簧中径方向、垂直弹簧中径方向以及最大应力横截面轮廓线上的应力值。运用Matlab处理探测数据,分析了不同横截面对圆柱螺旋弹簧上应力分布均匀性的影响,以便对断路器储能弹簧进行横截面优化。研究结果表明:①圆形、矩形、椭圆形及卵形截面弹簧内侧应力分布大于外侧应力分布,且靠近支撑台的部分弹簧应力随螺旋角变化较大。内侧应力变化趋势为,由弹簧与支撑台的两个接触面到各自相邻应力集中区域中心,应力值增大,随后应力值减小。弹簧中间两圈的应力值分布较为均匀。②在弹簧其他参数不变的前提下,矩形截面圆柱螺旋弹簧上的应力分布极不均匀,而卵形截面圆柱螺旋弹簧上的应力分布最为均匀。在相同用料及相同应用情况下,采用卵形截面的设计相较于传统的圆形截面,可使弹簧具有更高的安全系数。


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