车载式冲击电压发生器的设计研究(2)
图3 直流充电装置结构图Fig.3 DC charging device structure diagram
图4 发生器本体截面图Fig.4 Sectional view of the generator
弱阻尼电容分压器如图5所示,其额定电压为±3 000 kV,由4节脉冲电容器串联组成,阻尼电阻采用分段式分布,电容器为无感结构,高压臂电容量400 pF,低压臂由独石电容并联组成。绝缘外壳采用环氧玻璃丝缠绕筒,自带伞裙,增加了沿面爬电距离。其技术参数为部分响应时间≤100 ns,过冲≤20%,测量不确定度≤%。
图5 弱阻尼分压器Fig.5 Under-damping divider
2 机械性能分析
2.1 支柱端部挠度计算
该冲击电压发生器本体高度可达10.5 m,在由水平放置转换为垂直放置过程中,由于本体的重量,支柱结构件会发生弯曲,所以需要计算支柱的端部挠度,即最大弯曲距离。主体支柱截面如图6所示,其中,支柱外径D=φ140 mm,内径d=φ90 mm。
图6 支柱截面图Fig.6 Sectional view of the brace
其中,支柱自身惯性矩为:
单只支柱截面积为:
4只圆筒构成桁架时的惯性矩为:
I1=4S1×(1510/2)2=2×1010mm4
侧拉板的惯性矩为:
横拉板的惯性矩为:
I3=S(l/2)2=5.49×109mm4
总惯性矩为:
I总=I0+I1+I2+I3=2.89×1010mm4
故,端部挠度为:
Ymax=(q×l4)/(8E×I总)=75 mm
即支柱筒端部的最大弯曲距离约为75 mm。
2.2 支柱弯曲应力计算
装置起落过程中,环氧支柱需要承担冲击电压发生器本体的重量,所以必须计算其弯曲应力满足环氧材料的抗弯强度,才能保证装置足够的机械强度。装置本体重量约为8.5 T,但是由于本体均布载荷不受底盘影响,除去底盘最终本体取重量G=7.5 T计算,本体高度l=10 500 mm,施加局部载荷q=G/l,支柱弯曲应力计算如图7所示。
图7 支柱弯曲应力计算图Fig.7 Calculation chart of column bending stress
其中,支柱最大弯矩M为:
M=(ql2)/2=3.94×108N·mm
计算图7中4根立柱自身截面(A-A)、绝缘筒截面以及四周环氧板组成的框架的抗弯系数分别如下:
W1=4W1′=π(D4-d4)/32D=8.92×105mm3
W2=4W2′=s(l′/2)=π/4(D4-d4)(l′/2)=6.81×106mm3
W3=(BH3-bh3)/(6H)=1.93×107mm3
所以,总的抗弯截面系数为:
W总=W1+W2+W3=4.74×107mm3
故总的弯曲应力б=M/W总=8.3 MPA。
根据实用工程材料技术手册[17]要求环氧材料弯曲应力б≤60 MPA即可,所以冲击电压发生器本体的起落过程中均能够承受自身重量,不会损坏,且其具有足量的安全裕度υ=60/8.3=7.2倍。
2.3 液压缸选型
无论装置的起立过程还是下落过程,都需要液压缸来出力发挥作用,所以要保证两侧液压缸的出力满足装置两种状态变化的要求,即两种状态下液压缸的力矩要大于装置自身重力的力矩,装置自身重力W约为85 000 N。图8和图9分别表示装置由垂直到水平过程和由水平到垂直过程中液压缸的状态结构图。
装置由垂直到水平状态,液压缸出力计算为:
F缸1>(W×1400)/418≈28.5WN
装由水平到垂直状态,液压缸出力计算为:
F缸2>(W×5250)/1479≈30 WN
图8 下落过程液压缸状态结构图Fig.8 Hydraulic cylinder state structure diagramof falling process
图9 起立过程液压缸状态结构图Fig.9 Hydraulic cylinder state structure diagram inthe standing process
所以选取工程液压缸HSGK-180/100E,其缸径D=180 mm,杆径d=100 mm,行程1 800 mm,计算两侧液压缸出力为:
F缸
式中p为压力10 MP~13 MP之间,取11 MP进行计算。所以,选用的工程液压缸出力F缸=38.6 WN>F缸1=28.3 WN,且F缸>F缸2=30 WN,满足设计要求,并且留有裕度υ=38.6/30≈1.3倍,保证起落的安全可靠。
3 电气性能分析
为了确保3 000 kV/300 kJ车载式冲击电压发生器具有良好的电气绝缘性能,需要对装置的本体进行电场仿真计算。由于试验设备本身的尺寸受到了现场测试环境的限制,内部各器件间及整体电场分布必须满足设计需求,根据装置本体的实际尺寸,采用多物理场有限元分析软件INFOLYTICA 搭建了该装置的三维电场仿真分析模型,如图10所示。
文章来源:《机械强度》 网址: http://www.jxqdzzs.cn/qikandaodu/2021/0305/502.html