CN105039885A - 一种基于形状记忆合金环的断路器操作机构防断裂的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于记忆合金环的断路器操作机构防断裂的方法，是对断路器操作机构进行建模，通过有限元仿真计算断路器操作机构，找出应力集中部位；在应力集中部位装设形状记忆合金环,选择TiNiNb记忆合金并加工成内径与断路器操作机构应力集中部位外径直径之比为100:102的环；将形状记忆合金圆环在马氏体相变温度以下扩径变形，将记忆合金环套在断路器操作机构应力集中部位，再加热至奥氏体温度回复时记忆合金圆环的内圆缩，与断路器操作机构应力集中部位紧密接触。本发明对断路器易断裂部位提供360度均匀的应力，可强化易断裂部位，提高断路器操作机构的使用寿命。

Description

一种基于形状记忆合金环的断路器操作机构防断裂的方法

技术领域

本发明涉及高中压断路器操作机构修复与防护领域，具体涉及一种基于形状记忆合金环的断路器操作机构防断裂的方法，特别涉及采用TiNiNb形状记忆合金及有限元分析仿真计算。

背景技术

近年来，由于断路器操作机构断裂导致的电网事故时有发生，严重影响了电网的安全稳定运行。统计表明，断路器操作机构失效的原因归于早期缺陷的存在和发展以及频繁操作导致的金属疲劳缺陷，而断路器操作机构瞬间动作时受力特别大，从而容易导致操作机构断裂失效。目前除整体更换受损失效部件或者采用更优材质的材料制备部件的方法外，并没有行之有效的防止早期裂纹扩展的防护修复方法。

形状记忆合金具有的形状记忆效应是指材料在马氏体状态受力发生形变后，当温度升高至母相状态时，材料的形状恢复到形变前形状的现象。用于紧固连接用的记忆环和管接头扩径变形后，加热回复时内径收缩达到紧固连接的目的。

有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，是一种实用高效的数值分析方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于形状记忆合金环的断路器操作机构防断裂的方法，旨在解决断路器操作机构因裂纹扩展导致的断裂失效问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于形状记忆合金环的断路器操作机构防断裂的方法，工艺步骤为：

1)对断路器操作机构进行建模，通过有限元仿真计算断路器操作机构，找出断路器操作机构应力集中部位；分析找出断路器应力集中部位，将在应力集中部位装设形状记忆合金环；

2)选择记忆合金，将记忆合金加工成内径与断路器操作机构应力集中部位外径直径之比为100:102的环；所述的形状记忆合金圆环为TiNiNb合金；

3)将形状记忆合金圆环在马氏体相变温度以下扩径变形，将记忆合金环套在断路器操作机构应力集中部位，再加热至奥氏体温度回复时记忆合金圆环的内圆收缩，与断路器操作机构应力集中部位紧密接触。

上面所述环的截面形状为圆形或椭圆形。

具体步骤如下:

1.对断路器操作机构用SolidWorks建模软件进行三维建模，将建模好的图像导入algor软件，进行有限元分析，分析发现，杆件端部为应力集中部位。最大应力870Mpa，超出了Q235的屈服强度，加上断路器操作机构动作时为瞬时冲击，加速度和速度很大，因此容易发生断裂。

2.选择TiNiNb宽滞后记忆合金，采用TiNiNb板→线切割环坯→酸洗抛光→真空热处理→低温扩径的技术工艺制备形状记忆合金环，化学成分（从铸锭取样检验）满足下表要求。

项目

Ni

Nb

Ti

Co

Cu

Cr

Fe

C

H

O

指标

47.5～49.5

13.5～15.5

余量

≤0.05

≤0.01

≤0.01

≤0.05

≤0.03

≤0.005

≤0.06

形状记忆合金环特性满足：记忆可恢复应变：≥6%（丝材试样检验）；记忆恢复应力：≥300MPa（丝材试样检验）；断裂强度≥800Mpa，断裂延伸率≥50%（丝材试样检验）。

形状记忆合金环内径尺寸为10.00(0~+0.15)—100.00(0~+0.15)（单位:mm），壁厚3(0~+0.15)（单位:mm），长度10(0~+0.2)（单位:mm），以满足与断路器操作机构应力集中部位外径相匹配。

形状记忆合金环记忆性能需满足：①相变温度：空载下，在低于40℃环境下不能有内径尺寸收缩变化，在75℃环境下内径尺寸收缩大于0.05mm，在165℃环境下内径尺寸应收缩完全，满足收缩率的要求；②收缩率：加热完全收缩后，内径尺寸收缩率应≥5%；③工作温度：在-55℃~200℃环境下，持久紧固不松弛。

3.将步骤2所制备的形状记忆合金环均匀套装在步骤1所得出的断路器操作机构应力集中部位，加热使其完全收缩紧固，与断路器操作机构应力集中部位紧密接触。

优选地，所述步骤1中断路器选择不同，实际应力结果和

优选地，所述步骤2中形状记忆合金环为采用线切割于板材直接割取的无缝环。

优选地，所述步骤2中低温扩径采用液氮。

优选地，所述步骤3中形状记忆合金环与断路器操作机构应力集中部位接触面采用砂纸打磨平整，若存在表面开放缺陷，其打磨平整后表面开放缺陷的倾角小于25°。

优选地，所述步骤3中形状记忆合金环套装数量以均匀覆盖步骤1中所得断路器操作机构应力集中区域，或覆盖表面开放缺陷范围。

优选地，所述步骤3中加热热源采用恒温均匀鼓风装置实现。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：1.本发明采用的断路器操作机构防断裂的方法通过有限元建模对断路器操作机构应力集中部位经行分析，针对性的强化断路器操作机构的薄弱环节；2.本发明采用的形状记忆合金环收缩紧固时与断路器操作机构紧密接触，对断路器操作机构存在裂纹缺陷的薄弱部位施加360度周向均匀紧固应力，抑制裂纹扩展而导致的断路器操作机构失效；3.本发明采用的形状记忆合金环厚度仅为3mm，经断路器操作机构机械性能试验证明对操作机构机械性能及结构尺寸无影响；4.本发明采用的方法操作简单，安装方便，可靠性高，通过强化断路器操作机构易断裂部位，经断路器操作机构机械寿命试验证明能提高断路器操作机构的使用寿命，提升运行稳定性及可靠性，减低因操作机构断裂失效而更换零部件的使用成本，提升经济效益。

附图说明

图1是实施例1的断路器操作机构杆件建模图。

图2是实施例1的断路器操作机构杆件断裂部位安装形状记忆合金环。

图3是实施例2的断路器操作机构长杆建模图。

图4是实施例2的断路器操作机构长杆易断裂部位安装形状记忆合金环。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明进一步说明，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

实施例1：本实施例中的断路器操作机构为云南开关厂生产的LW42A-40.5户外SF6断路器。

一种基于形状记忆合金环的断路器操作机构防断裂的方法，主要包括以下步骤：

1.对断路器操作机构杆件1用SolidWorks建模软件进行三维建模，如图1所示，将建模好的图像导入algor软件，进行有限元分析，分析发现，杆件端部为应力集中部位，最大应力870Mpa，超出了Q235的屈服强度，加上断路器操作机构动作时为瞬时冲击，加速度和速度很大，因此容易发生断裂。

2.一种用于断路器操作机构防断裂的形状记忆合金环2，是选择TiNiNb宽滞后记忆合金，采用TiNiNb板→线切割环坯→酸洗抛光→真空热处理→低温扩径的技术工艺制备的，化学成分（从铸锭取样检验）如下：Ni：47.5，Nb：13.5，Ti：余量，Co：≤0.05Cu：≤0.01，Cr：≤0.01，Fe：≤0.05，C：≤0.03，H：≤0.005，O：≤0.06。

形状记忆合金环特性满足：记忆可恢复应变：≥6%（丝材试样检验）；记忆恢复应力：≥300MPa（丝材试样检验）；断裂强度≥800Mpa，断裂延伸率≥50%（丝材试样检验）。

形状记忆合金环2内径尺寸为17.10(0~+0.15)mm，壁厚3(0~+0.15)mm，长度10(0~+0.2)mm，以满足与实施案例1中断路器操作机构具体部位外径相匹配。

形状记忆合金环记忆性能需满足：①相变温度：空载下，在低于40℃环境下不能有内径尺寸收缩变化，在75℃环境下内径尺寸收缩大于0.05mm，在165℃环境下内径尺寸应收缩完全，满足收缩率的要求；②收缩率：加热完全收缩后，内径尺寸小于16.22mm；③工作温度：在-55℃~200℃环境下，持久紧固不松弛。

3.将步骤2所制备的形状记忆合金环2在马氏体相变温度以下加热扩径变形，将记忆合金环均匀套装在步骤1所得出的断路器操作机构杆件1应力集中部位，间隙配合。将形状记忆合金环加热至奥氏体温度，由于形状记忆合金环的形状记忆效应发生回复，内径收缩，产生很大的回复力，形状记忆合金环的内径与断路器操作机构部件杆件的外圆接触，发生适当的变形，形状记忆合金环对断路器操作机构杆件产生360度均匀应力，两工件紧密紧固连接。如图2所示。形状记忆合金环内圆与断路器操作机构杆件的外圆接触面的应力是断路器操作机构外圆周边合金发生变形，强化断路器操作机构。形状记忆合金环的机械强度很好，承接断路器操作机构易损坏部位的受力，可大大延长断路器操作机构的使用寿命。

本发明环的截面形状为圆形、椭圆形或者多边形。

实施例2：本实施例中的断路器操作机构为云南开关厂生产的断路器LW36-126

一种基于形状记忆合金环的断路器操作机构防断裂的方法，主要包括以下步骤：

1.对断路器操作机构杆件3用SolidWorks建模软件进行三维建模，如图3所示，将建模好的图像导入algor软件，进行有限元分析，分析发现，杆件有小孔联接部位为应力集中部位，最大应力900Mpa，超出了Q235的屈服强度，加上断路器操作机构动作时为瞬时冲击，加速度和速度很大，因此容易发生断裂。

2.一种用于断路器操作机构防断裂的形状记忆合金环4，是选择TiNiNb宽滞后记忆合金，采用TiNiNb板→线切割环坯→酸洗抛光→真空热处理→低温扩径的技术工艺制备的，化学成分（从铸锭取样检验）如下：Ni：47.5，Nb：13.5，Ti：余量，Co：≤0.05Cu：≤0.01，Cr：≤0.01，Fe：≤0.05，C：≤0.03，H：≤0.005，O：≤0.06。

形状记忆合金环4特性满足：记忆可恢复应变：≥6%（丝材试样检验）；记忆恢复应力：≥300MPa（丝材试样检验）；断裂强度≥800Mpa，断裂延伸率≥50%（丝材试样检验）。

形状记忆合金环4内径尺寸为20.10(0~+0.15)mm，壁厚3(0~+0.15)mm，长度10(0~+0.2)mm，以满足与实施例1中断路器操作机构杆件具体部位外径相匹配。

形状记忆合金环记忆性能需满足：①相变温度：空载下，在低于40℃环境下不能有内径尺寸收缩变化，在75℃环境下内径尺寸收缩大于0.05mm，在165℃环境下内径尺寸应收缩完全，满足收缩率的要求；②收缩率：加热完全收缩后，内径尺寸小于16.22mm；③工作温度：在-55℃~200℃环境下，持久紧固不松弛。

3.将步骤2所制备的形状记忆合金环4加热扩径变形，均匀套装在步骤1所得出的断路器操作机构杆件3应力集中部位，加热使其完全收缩紧固，与断路器操作机构杆件应力集中部位紧密接触，如图4所示。

Claims (2)

1.一种基于形状记忆合金环的断路器操作机构防断裂的方法，其特征是,工艺步骤为：

1)对断路器操作机构进行建模，通过有限元仿真计算断路器操作机构，找出断路器操作机构应力集中部位；分析找出断路器应力集中部位，将在应力集中部位装设形状记忆合金环；

2)选择记忆合金，将记忆合金加工成内径与断路器操作机构应力集中部位外径直径之比为100:102的环；所述的形状记忆合金圆环为TiNiNb合金；

3)将形状记忆合金圆环在马氏体相变温度以下扩径变形，将记忆合金环套在断路器操作机构应力集中部位，再加热至奥氏体温度回复时记忆合金圆环的内圆收缩，与断路器操作机构应力集中部位紧密接触。

2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金环的断路器操作机构防断裂的方法，其特征是,环的截面形状为圆形或椭圆形。