矿用隔爆变压器箱体设计及优化.pdf

第 4 3卷第 5期 2 0 0 6年 5月 妻 压 器 7 4 围 力 V o 1 ． 4 3 Ma y NO 5 2 0 0 6 矿 用 隔 爆 变 压 器 箱 体 设 计 及 优 化 术 黄 向明 ， 周志雄 ， 毛 聪 ， 黄 海军 1 ．湖南大学机械与汽车工程学院，湖南 长沙 4 1 0 0 8 2 ；2 ．长沙顺特变压器厂， 湖南 长沙 4 1 0 0 1 4 摘 要 采用三维有限元法对矿用隔爆型变压器箱体结构进行了分析， 完成了箱体结构的优化设计。 关键词 隔爆变压器； 箱体 ； 三维有限元 ； 优化设计 中图分类号 T M4 0 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 - 8 4 2 5 2 0 0 6 0 5 - 0 0 3 0 - 0 4 前 言 昙 矿用隔爆型干式变压器直接在煤矿井下运行 ， 验压力 ， 所以箱体必须要有足够的强度和刚性 。 由于 其箱体结构复杂 ， 设计与制造质量要求高。 由于运行 箱体结构复杂 ，很难寻求一种简化方法对其进行准 全国变压 器节材技术研讨会获奖论文。 5结论 首 先 ，干式 变 压器 的损耗 产 生 的热量 是通 过热 传导 ，对流和辐射等散于周围冷却介质中。由于绕 组 、 铁心结构型式的不同， 绕组 、 铁心的温升计算也 不尽 相 同 ， 而且 在很 大 程度 上依赖 于试 验 和经 验 ， 通 常采用式 1 可以计算干式变压器的稳态和暂态温 升。其次 ， 当干式变压器处于稳态时 ， 温升的指数曲 线将趋向于一条直线 ，此时按等效直线来进行工程 计算 ， 计算方法 比较简单 ， 计算结 果比较可靠 按最 小斜率计算 ， 试验 只会出现负偏差 。 第三， 就树脂浇 注绝缘干式变压器而言 ，计算的温升值是绕组的平 均温升。 干式变压器在运行时， 其内部温升将呈一个 “ 梯形” 分布 ， 分布曲线应为一个倒抛物线。 其最热点 温升应为平均温升的 1 ． 1 ～ 1 ． 6倍 ，所以计算时应留 有一 定 的裕度 。 参考文献 【 1 】 路长柏 ， 郭 振岩 ， 刘 文里 ， 等．于式 电力 变压器理论 与计 算f M】 ．沈阳 辽宁科 学技术 出版社 ， 2 0 0 3 ． D i s c u s s i o n o n C a l c u l a t i o n o f T e mp e r a t u r e R i s e o f D r y - T y p e T r a n s f o r me r LUO S hu n- xi a n g P a n y u J u n f a E l e c t r i c E q u i p me n t C o ． ， L t d ． ，G r u a n g z h o u 5 1 1 4 0 0 ，C h i n a Abs t r a c t The me t h o d t o c a l c u l a t e t e mpe r a t u r e r i s e o f d r y- t y p e t r a n s f o r me r i s i nt r o du c e d．Th e d e t a i l c a l c u l a t i o n p r o c e s s i s p r e s e nt e d． Ke y w o r d s Dr y - t y p e t r a n s f o r me r ；T e m p e r a t u r e r i s e ；C a l c u l a t i o n 收 稿 日期 2 0 0 5 0 9 2 6； 修 稿 日期 2 0 0 6 0 3 2 7 作者简介 罗顺祥 1 9 8 0 一 ， 男 ， 江西进贤人 ， 广州番禺骏发电力设 备有 限公 司， 从事变压器类产品设计 工作 。 维普资讯 第 5期 黄向明 、 周志雄 、 毛聪、 黄海军 矿 用隔爆变压器箱体设计及优化 3 1 确而可靠的设计 。 因此 ， 过去对箱体的设计 国内一直 是基于经验或按类 比法进行 的。这往往会带来一些 问题 ， 如为安全起见 ， 设计时加 大安全系数 ， 使结构 越来 越笨 重 ， 从 而 具有很 大 的盲 目性 。 随 着科学 技 术 的发展，利用计算机和有限元方法使得复杂结构的 强度计算成为现实 。本文运用经验或类 比法进行初 步设计 ，再运用有 限元法对箱体结构进行应力和变 形分析 ， 在此基础上对箱体结构进行优化设计 ， 收到 了满 意 的效果 。 2 箱体的设计及其有限元分析 矿用隔爆型变压器箱体结构由板筋件通过焊接 将其组装成箱体。首先采用经验和类比方法进行初 步设计 ， 并 用三维设计软件 S o l i d Wo r k s建立箱体 的 三维模型，再直接导人到有限元分析软件中进行计 算。 通过计算可获取箱体的应力值与变形值 ， 为箱体 的优化设计提供必要 的依据。 2 ． 1 矿用隔爆型变压器箱体结构 某 型 号 矿用 隔爆 变压 器 箱 体 结 构如 图 l所 示 。 箱体由箱盖与箱壳两部分组成，箱盖与箱壳均为焊 接结构 ， 它们通过螺栓连接 ， 箱体内侧布置有各种类 型 的加 强 筋 。 图 1 箱 体 结 构 三 维 图 F i g ． 1 Th r e e - di me n s i o n a l d i a g r a m o f t a n k 2 ． 2三 维计 算模 型 的建立 作为计算模型需要对实际的结构模型进行适 当 的简化 ， 利用箱体结构和受力的对称性 ， 取箱体的二 分之一进行分析 。为突出箱体结构对强度和刚度 的 影响 ， 忽略了焊缝和焊接残余应力的影响 ， 对螺栓孔 和螺栓也进行了相应 的简化处理 ，而将箱体作为整 体 来分 析 。 单元类 型的选择取决于结构 的几何形状和所要 求 的计算精度 。由于箱体结构复杂 ， 采用三维 l O节 点等长四面体单元划分 网格 。有限元的网格划分是 关系到计算精度 、 计算机速度 、 容量与收敛性的重要 问题。 一般在预期应力梯度越大的区域 如零件波纹 板处 ， 网格应该越密。本次分析将实体模型共划分 约 l 3万多个单元。 2 ． 3分 析类 型及 边界条 件 的确定 由于箱体在进行 1 MP a 水压试验时是逐步缓慢 加载至最大值的， 并保持 3 0 s 以上 ， 所 以确定为静力 分 析 。 考虑 到局部 零件 应力 可 能会超 过 屈服极 限 ， 故 不能简单地采用弹性计算 ， 而要考虑其塑性变形 ， 采 用 材料 非线 性分 析 。 箱体坐标系如图 l 所示。由于箱体 自重及水本 身产生 的压 力相 对 于试验 压力 来说 很小 ，对 其应 力 和变形影响也很小 ， 可以忽略不计 ， 而仅视为对箱体 内侧表面施加压力 。箱体 XO Z对称平面上 y方 向 位移为 0 ， 对绕 、 Z两方向的转动也受到约束。 箱体 在试验时靠 自重及水 的重力平放在实验 台上 ，所 以 底面不会产生 Z方 向的位移 。在底面按照实际情况 选定三点作相应的约束。 3 计算结果及分析 通过对箱体进行 载荷为 1 MP a非线性计 算 ， 可 得出箱体的应力与变形值。 由图 2可知， 箱体波纹板 中部 的应力 比较大， 最大应力为 2 _ 3 5 6 MP a 。由图 3 可知箱体 y方 向的最大变形在波纹板 中部 ， 其最大 值为 1 0 ． 5 9 m m。 通过有限元计算结果可知 ， 箱体 内的 应力分布很不均匀 ， 波纹板及连接部位应力值较大 ， 且应力幅值变化较大 ，因此波纹板是箱体的最薄弱 图 2箱体 V o n Mi s e s应力分布图 F i g ． 2 Vo n M i s e s s t r e s s s t db u fio n i n t a n k 图 3箱体 y方向变形分布 图 Fi g ．3 De f o r ma t i o n d i s t r i b u t i o n a l o n g Y d i r e c t i o n i n t a n k 嘴 噌 懈嘈 糕蛾 聃 料 轴蛾 硅 址 峨 。 纛， l 0 0 砷 ． Y ， 2 t 鲶 a ． - _ 吖I 0“ 0 0 v 螂 邶 蛐 岫 哪 忡哪 ℃ E e f ；i；J i i 6 O I- _．J ． ●-● 1 - - ． - - - ． 登■l 鏊■I _ ■ 维普资讯 第 4 3卷 部位 ， 而其它部位应力均较低 ， 有一定强度储备 。 表1 改进前后计算结果 4 箱体结构的优化设计 T a b 。 C a lc u la 伽 u n s n d nnDr o ve m e nt 经过有限元分析 ， 箱体结构各部位的应力 、 变形 大小均已清楚地表示。在此基础上就可以进行优化 设计 。 采取首先对结构采用分步优化 ， 最后作整体改 进的方法 。 分步优化时重点考虑两个方面 一是对箱 体的薄弱部位进行加强，二是对箱体应力强度储备 大 的地 方进行 “ 减 重 ” 。 4 ． 1 箱体 法 兰和 螺栓 的强 度计 算 该类变压器箱体爆 隔结合面为平面结合 面， 其 结构如图 4所示。图 4中螺栓孑 L 外径到法兰内边缘 的最小 尺 寸和 法兰 宽度 长度 ￡必 须在 满 足 国标 G B 3 8 3 6 ． 2 2 0 0 0 爆炸性气体环境用 电气设备 标准 5 ． 2 ． 6条的规定前提条件下 ，再根据变压器箱体结 构而初步确定。 根据第一强度理论对箱体 的法兰及 螺栓强度计算 ， 可得出相应最佳的法兰结构和螺栓 布 局【 。 图 4法 兰 螺 栓 连 接 型 式 F i g ． 4 S c r e w c o n ne c t i o n i n fl a n g e 4 - 2波纹 板 结构优 化 波纹板是结构最薄弱部位。通过对波纹板的厚 度 、 数量 、 型式进行分析来加强箱体结构。波纹板有 两种型式 ，小波纹 1 0 0 mm x 7 0 mm，大波纹 1 2 0 mmx 1 0 0 m m，波纹板之间通过筋板连接。改进方案有三 种 方案一 波纹为大波纹 ， 板厚 为 4 m m， 筋板数量 为 2 ； 方案二 波纹为大波纹 ， 板厚为 4 mm， 筋板数量 为 3 ； 方案三 波纹为大波纹 ， 板厚为 6 mm， 筋板数量 为 2 。对改进后的方案进行 1 MP a有限元分析 ， 计算 结 果见 表 l 。 由表 l 可见 ， 波纹板局部加强后的三种方案 ， 在 1 MP a压力下箱体 内的最大米塞斯应力值都有所 降 低 ， 箱体的最大变形也相应地减小。可见 ， 波纹板结 构改进后 ， 三种方案箱体的强度和刚度都有所提高。 而改进后第三方案的最大变形为 4 ． 9 m m，改进前为 1 0 ． 6 mm， 变形减小了 5 4 ％， 可见该方法是 比较理想 波纹尺寸 板厚 米塞斯应力 变形 方案 筋板数量 ／mmx mm ／ mm ／MP a ／ mm 改进 前 7 0 x l 0 o 3 4 2 3 5 ． 6 l 0 ．6 方案一 l 0 o l 2 0 2 4 2 3 5 ． 2 1 0 - 3 方案二 l 0 o l 2 0 3 4 2 3 5 ． 2 7 -4 方案 l 0 o l 2 0 2 6 2 3 5 ． 1 4 ．9 的方案 。 4 ． 3 箱 体结构 整 体 改进 在最佳的法兰结构和螺栓布局的条件下 ，结合 应力值较小 的构件进行减重。由于箱体的波纹型式 改变直接影响到箱体 的散热能力 ，综合考虑箱体加 工工艺和散热能力 ， 将波纹板 的高度从 l 0 4 0 m m增 至 l 0 6 0 m m。针对底架应力偏大及波纹板高度增加 的影响 ， 将底架的筋板数量适 当增加。 对一块筋板的 结构 方案 A 和两块筋板 的结构 方案 B 重新建 模 ， 并进行 了有限元分析， 其结果见表 2 。 表 2整体改进后计 算结果 Ta b l e 2 Ca l c u l a t e d r e s u l t s a f t e r t o t a l i mp r o v e me n t 板厚 米塞斯 应力 变形 质 瞳 方案 ．筋板数 量 ／ mm ／ MPa ／ mm ／ k g A 1 6 2 ． 3 5 0 4．6 l 6l 7 ． 7 B 2 6 2 ． 3 5 0 4． 6 l 6 6 9 ． 1 由表 2和表 l 可见，这两种型式的箱体其应力 和变形 比改进前都小得多。由表 2可知 ， 方案 A和 B的应 力及 变 形都 差 不多 ，它们 的 变形 值 均 为 4 ． 6 m m。改进前箱体质量 l 7 4 1 ． 7 k g ， 改进后 A、 B方 案的质量分别降低约 7 ％和 4 ％， 由此选定方案 A。 综上所述 ， 通过分步进行结构的优化设计后 ， 又 在此基础上进行整体改进 ， 并进行有限元计算 ， 最后 确定了箱体的最优方案。通过改变箱体局部构件的 结构和布局， 使整体结构在受力 、 制造工艺等方面更 为合理 。 4 , 4 箱 体试 验验 证 为了验证箱体有限元模型的可靠性 ，对箱体有 限元分析结果与试验值进行了比较。通过试验并测 量应力值和变形 ， 与有限元计算比较 ， 发现两者 比较 接近。 为将改进后的箱体应用到实际生产中 ， 对其进 行了压力试验 。 试验结果表明 ， 箱体完全满足试验要 求 ， 同时， 箱体还通过了隔爆试验 。 5 小结 本文应用有限元软件首次系统地分析了矿用变 维普资讯 第 5期 黄向明、 周志雄 、 毛聪 、 黄海 军 矿用隔爆变压器箱体设 计及优化 3 3 压器箱体 的应力分布和变形规律，找出了箱体的薄 弱区域，针对强度薄弱区和强度富余区进行 了结构 改进设计 。 优化后的箱体结构不仅强度提高了， 变形 也得到了控制， 而且箱体重量也明显降低， 达到了优 化设计的 目的。 本文提供的优化设计方法， 可为大型 复杂结构的研究与开发所借鉴。 参 考文 献 【 l 】 王勖成 ， 邵敏． 有 限单 元法 基本原理和数值方法【 M】 ． 北京 清华 大学 出版社 ， 1 9 9 7 ． 汪家才． 弹性和塑性理论及有 限单元 法【 M】 ．北京 冶金 工 业 出 版社 ． 1 9 8 3 ． 彭朝 晖， 潘文浩 ， 黄海军 ， 等．矿用隔爆型干式 变压器箱 体法兰螺栓的强度 简化计算 【 J J ． 变压器 ， 2 0 0 4 ， 4 1 8 7一l 1 ． G B 3 8 3 6 ． 2 2 0 o 0 ， 爆 炸性 气体环境用电气设备 隔爆型电 气设备【 S 1 ． 【 5 】 孙国正．优化设计 及应用【 M 】 ．北 京 人 民交通 出版社 ， 2 00 0． De s i g n a n d Op t i mi z a t i o n o f Mi n i n g Fl a me p r o o f Tr a n s f o r me r Ta n k HU ANG Xi a n g- mi n g,Z HOU Zh i - x i o n g ， MA O C o n g 。 ， HU A NG Z h i i u n 1 ．H u n a n U n i v e r s i t y ，C h a n g s h a 4 1 0 0 8 2 ，C h i n a ； 2 ．C h a n g s h a S h u n t e T r a n s f o r m e r F a c t o r y ，C h a n g s h a 4 1 0 0 1 4 ，C h i n a Abs t r ac t Th e t a n k s t r uc t ur e o f mi ni n g fla me pr o o f t r a ns f o rm e r i s a n a l y z e d b y t h e t h r e e- di me n s i o n a l fin i t e e l e me nt me t h o d ．Th e o pt i ma l d e s i g n o f t a n k h a s b e e n c a r r i e d o ut ． Ke y wo r d s F l a me p r o o f t r a n s f o r me r ；T a n k ；T h r e e d i me n s i o n a l fin i t e e l e me n t ；O p t i m a l d e s i g n 收 稿 日期 2 0 o 5 一l 0 一l 4 作者简介 黄向明 1 9 7 l 一 ， 男， 湖南宁乡人 ， 湖南 大学讲师 ， 从事 C A D ／ C A E ／ C A M方 向研究工作 ； 周 志雄 1 9 5 3 一 ， 男 ， 湖南 郴州 人 ， 湖 南 大学 教授 ， 研究 方 向切 削磨 削理论 及其 设 备 、 C A D ／ C A E ／ C A M ／ C A P P、 精密制造工程等工作 ； 毛聪 1 9 7 5 一 ， 男， 湖南娄底 人 ， 湖南大学硕士研究生 ， 从事 C A D ／ C A E ／ C A M方 向研究工作 ； 黄海军 1 9 6 7 一 ， 男 ， 湖南望城人 ， 长沙顺特变压器厂工 艺科 主任工装设计 师 ， 高 级工程师 ， 长期从事变压 器制造用非标设备 与工装 设计工作。 新 标 准 发 布 信 息 国家质检检疫总局在 2 0 0 6年第 1号标准批准 发布公告 中批准发布了将于 2 0 0 6年 8月 1日起正 式实施的 5项涉及变压器行业的国家标准 。 这些标准是 1 ．G B 8 2 8 6 2 0 o 5 矿用 隔爆型变电站 代替 GB8 2 8 6 1 9 9 6 2 ．G B 1 9 2 1 2 ． 4 2 0 0 5 电力变压器 、 电源装 置 和类似产品的安全 第 4部分 燃气和燃油燃烧器点 火变压器的特殊要求 3 ．G B 1 9 2 1 2 ． 1 3 2 0 o 5 电力 变压 器 、 电源 装 置 和类似产品的安全 第 1 3部分 恒压变压器的特殊 要求 4 ．G B 1 9 2 1 2 ． 1 6 2 0 o 5 电力变压器 、 电源装置 和类似产品的安全 第 1 6部分医疗场所供电用隔 离变压器 的特殊要求 5 ．G B1 9 2 1 2 ． 2 4 2 o o 5 电力 变 压器 、 电源 装 置 和类似产 品的安全 第 2 4部分 建筑工地用变压器 的特殊要求 维普资讯