瞿俊豪 李 俐 张应林 许一伟 黄海波

塑料外壳式断路器的跌落力学特性模拟研究

瞿俊豪1李 俐2张应林2许一伟1黄海波1

（1. 宁波大学机械工程与力学学院，浙江 宁波 315211； 2. 浙江正泰电器股份有限公司，浙江 温州 325603）

塑料外壳式断路器需要具备良好的力学特性以保证其运输和使用安全。本文建立塑料外壳式断路器和地面的有限元模型，以极限工况水平垂直下落为例，分析塑料外壳式断路器在跌落过程中的应力变化和变形情况。结果表明，塑料外壳式断路器各部件的应力和变形呈不均匀分布，内部构件由于应力波的影响会产生最大的应力，装饰板由于受到其他部件的影响变形最剧烈。最大应力和最大变形量均出现在塑料外壳式断路器离开地面的反弹过程中。本研究可为避免跌落破坏的塑料外壳式断路器结构设计提供参考。

塑料外壳式断路器；跌落；力学特性；有限元建模

0 引言

塑料外壳式断路器（以下简称断路器）是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置[1-4]。断路器作为整个供电系统中的重要设备，其可靠性是电力系统安全运行的保 证[5]。由于企业用电负荷很大，通常都会使用断路器来保护用电安全。虽然在运输过程中有纸板和聚苯乙烯（EPS）等发泡塑料包装的保护[6]，但在安装和使用过程中，断路器本体难免会发生撞击，甚至会跌落[7]，这就需要断路器具有足够的强度和力学特性，这也成为断路器设计和生产过程中必须考虑的重要方面。

相关调查表明，大部分断路器产品的损坏与跌落碰撞有关，因此在设计验证阶段必须通过一定高度的跌落测试。目前的跌落测试存在许多限制和不足，必须有相当成熟的物理样件才可进行实验，此时设计更改的难度和成本很高，而且难以了解冲击时物体的结构变形与应力变化。同时，跌落实验的观测和数据采集也十分不易，即便使用高速摄影也仅能从外部观察，难以获取数据（应力、应变、加速度）进行定量分析。由于跌落冲击仿真已经被广泛应用于手机、玻璃杯、包装盒等产品的检测，跌落和冲击碰撞等计算机模拟已经被证明是一种高效率的模拟和设计手段，因此可以充分利用模拟仿真来完成断路器在跌落过程中的力学特性分析。

本文通过Ansys Workbench有限元的方法模拟断路器的跌落过程，从而全面分析断路器各个部件的力学特性。

1 有限元建模

1.1 有限元模型的建立

分析对象为某型125A断路器，尺寸为135mm× 77mm×63mm。其中上盖高度为23mm，下底座高度为40mm。运用三维建模软件创建三维模型，为保证计算的效率，将断路器进行适当简化，去掉不必要的细节，如在保证质量和惯量等特性不变的前提下将中间的开关简化为长方体等。断路器实物与模型对比如图1所示。

图1 断路器实物与模型对比

1.2 有限元网格的划分

网格划分的好坏直接影响有限元分析结果的准确性[8-10]。有限元模型包含断路器和地面两部分。由于地面较为规则，因此采用六面体网格。断路器则采用四面体网格，可以获得较高的计算精度。断路器有限元模型如图2所示，模型共有节点50 058个、单元183 655个，其中断路器节点48 862个、单元183 105个。

图2 断路器有限元模型

1.3 材料特性

断路器分别选用三种材料：外壳装饰板和上盖选用ABS plastic；底座选用phenolic resin（PF）；内部金属件选用结构钢（structural steel）。模型材料参数见表1。

表1 材料参数

1.4 边界条件和载荷

由于断路器内部结构均为固接，因此每两个部件之间的接触均设置为“牢固结合”（bonded）。为能仿真断路器自由落体状态，断路器与撞击平面不设置接触。为了能更好地观察断路器的变形，将断路器的所有组成部分均设置为柔性体。为了获得在极端工况下的力学行为和有充裕的安全系数，将断路器的下落高度设置为3m，底面垂直落下，模拟1ms。初始位置为0.1mm，断路器按照3m自由落体，速度为7.67m/s。模型边界条件如图3所示。

图3 模型边界条件

2 结果模拟与分析

2.1 总体分析

跌落和弹起的整个过程中，断路器外壳的应力和变形云图如图4所示。从图4可以看出，外壳的应力和变形不均匀，说明在撞击后由于各种因素的影响断路器发生了形位的偏转。最大变形区域主要集中在断路器左侧和装饰板上，其中装饰板中间的变形最大达到3.926 1mm。这主要是因为：一方面断路器左侧的质量较大；另一方面由于受到其他部件的挤压等综合因素的影响，因此装饰板的中间也存在较大变形。断路器的最大应力并没有出现在外面部件上，外壳和装饰板的应力分别为6.8×107Pa和8.7×107Pa。

图4 断路器外壳的应力和变形云图

2.2 外壳装饰板

断路器外壳装饰板的应力和变形云图如图5所示。从图5可以看出，外壳装饰板上端中部和右下角变形较为严重，达到3.926 1mm。中间和左右两侧卡扣处应力较大，呈现不对称现象。最大应力出现在外壳装饰板中间内侧肋板连接部位，最大值达到8.7×107Pa。由以上仿真分析可知，外壳装饰板虽然在断路器上端，但跌落对这个部件的影响仍然较大，这主要是由应力波传导引起的。

图5 断路器外壳装饰板的应力和变形云图

2.3 内部构件

断路器内部构件的应力和变形云图如图6所示。从图6可以看出，断路器底座在与地面撞击时，内部结构左、中、右侧三块区域部件的右下角变形较为严重，而右侧部件的右下角变形量达到最大值3.867mm。由图6可知，最大应力出现在内部左侧部件弯曲阶梯处，最大值达到2.1×109Pa，这也是所有部件中的应力最大值。

2.4 数据分析

图7为在跌落模拟时间内断路器部件应力和变形的最大值。如图7（a）所示，跌落过程中内部构件的应力会出现最大值。如前所述，最大应力值没有出现在外壳而是出现在内部主要是由于应力波传导的原因。从图7（b）可以看出，四个部件的最大值相差不大，均在3.9mm左右，装饰板虽然距离跌落接触面最远，但是具有最大的变形量4.033mm。从图7（c）可以看出，断路器的最大应力并没有出现在断路器刚接触到地面时，而是出现在反弹阶段。从图7（d）可以看出，断路器的最大变形量也出现在反弹阶段，但比最大应力出现的时间还要滞后一些。出现这些现象都是由于跌落接触时，地面对断路器的冲击形成应力波而造成的。

图6 断路器内部构件的应力和变形云图

3 结论

本文通过建立断路器和地面的有限元模型，分析了断路器跌落-反弹过程中的力学特性。主要得到了以下结论：

1）由于在撞击时各种因素的影响，断路器发生了形位的偏转，因此外壳的应力和变形分布并不均匀和对称。

2）最大变形区域出现在装饰板上，最大应力出

现在内部左侧部件弯曲阶梯处。最大变形和最大应力均没有出现在断路器刚接触到地面时，而是出现在断路器反弹脱离地面的阶段。这是由于在跌落接触时，地面对断路器的冲击形成应力波传导滞后而造成的。

[1] 彭曼, 盛健, 张英豪, 等. 断路器故障分析[J]. 中国科技纵横, 2018(21): 66-67.

[2] 游颖敏, 王景芹, 舒亮, 等. 断路器保护特性测试电流的自适应控制策略[J]. 电工技术学报, 2020, 35(15): 3203-3213.

[3] 低压开关设备和控制设备 第2部分: 断路器: GB/T 14048.2—2020[S]. 北京: 中国标准出版社, 2021.

[4] 袁亦峰. 塑壳断路器机构静态与动态的稳定性设计[J]. 电气技术, 2013, 14(8): 85-88.

[5] 荣文帅, 蔡志远. 断路器同步分断短路电流零点预测方法研究[J]. 电工技术学报, 2019, 34(15): 3167- 3174.

[6] 王娴, 陈满儒, 陈建森. 塑壳式低压断路器纸质运输包装设计[J]. 包装工程, 2020, 41(1): 88-94.

[7] 张扬, 吴新丽, 李四平. 基于ANSYS/LS-DYNA的跌落测试分析[J]. 制造业自动化, 2014, 36(9): 77-78.

[8] 方兴. 有限元网格生成技术研究及前处理软件研制[D]. 杭州: 浙江大学, 2005.

[9] 王华侨. 结构有限元分析中的网格划分技术及其应用实例[J]. CAD/CAM与制造业信息化, 2005(1): 42-47.

[10] 王宇, 卢玲, 李文韬. 基于Ansys的有限元网格划分方法应用研究[J]. 起重运输机械, 2014(3): 53-56.

Mechanical behaviors of moulded-case circuit-breakers in falling process

QU Junhao1LI Li2ZHANG Yinglin2XU Yiwei1HUANG Haibo1

(1. School of Mechanical Engineering and Mechanics, Ningbo University, Ningbo, Zhejiang 315211; 2. Zhejiang CHINT Electrics Co., Ltd, Wenzhou, Zhejiang 325603)

Moulded-case circuit-breakers needs greater structure strength to ensure its safety in the use and shipment. The finite element model for moulded-case circuit-breakers and ground is built in thisPaper. The stress and deformation of the moulded-case circuit-breakers are both investigated in the extreme condition when the moulded-case circuit-breakers atr vertically positioned to fall down. The results show that the stress and deformation is distributed asymmetrically. The maximum stress and deformation appear at the internalParts and the decorative plate due to impact stress wave, respectively, which also arise in the rebound process. The research provides scientific guidelines for designing the moulded-case circuit-breakers to avoid the falling.

moulded-case circuit-breakers; fall; mechanical features; finite element modeling

2021-10-14

2021-11-16

瞿俊豪（1999—），男，主要研究方向为机械结构模拟。