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真空滅弧室結構是否合理對真空開關的開斷性能有著重要影響。目前國內外專家學者在對滅弧室觸頭結構設計中大多僅考慮了滅弧室的電氣性能，而忽略了觸頭的機械性能。在滅弧室合閘過程中，動、靜觸頭碰撞時產生的合閘沖擊力具有時間短、強度高等特點，在多次合閘操作后，滅弧室觸頭極有可能在循環沖擊載荷作用下發生疲勞破壞，導致觸頭實際工作壽命遠低于預期壽命，因此開展真空滅弧室觸頭疲勞壽命研究是有必要的。

滅弧室合閘過程中的觸頭沖擊碰撞現象是一個極其復雜的非線性程度很高的問題。沖擊載荷作用下，觸頭結構內部應力以波的形式高速傳播，在遇到界面尺寸改變時將產生反射、疊加等現象，在結構內部形成復雜的應力應變狀態，對觸頭結構疲勞壽命有著重大影響。在研究觸頭沖擊碰撞問題時最直觀的方法是實驗法，通過搭建實驗裝置可直接對觸頭合閘沖擊力及觸頭壽命進行測量，但測量結果受實驗裝置的影響較大，需要大量實驗數據進行驗證以避免測量結果偶然性。

大連交通大學機械工程學院、平高集團有限公司的董華軍、李東恒、鐘建英、朱曄、郭方準，在2022年第15期《電工技術學報》上撰文，對真空斷路器操動機構合閘動態特性進行計算；然后在LS-DYNA中根據觸頭結構設計接觸關系，建立觸頭結構有限元模型，將動、靜觸頭碰撞時刻的速度作為初始條件，計算觸頭結構在合閘碰撞過程中各時刻的應力應變；在nCode軟件中建立觸頭疲勞壽命分析流程，將觸頭碰撞過程應力應變計算結果、材料E-N曲線輸入到nCode軟件中，通過雨流計數法對沖擊載荷歷程進行計數統計，計算出觸頭合閘沖擊下的疲勞累計損傷及分布，預測出觸頭疲勞壽命及危險區域，并對支撐盤結構進行優化以提高觸頭結構疲勞壽命。

圖1 VS1操動機構動力學仿真模型

圖2 觸頭模型

他們在此基礎上分析了支撐盤結構對觸頭疲勞壽命的影響，得出以下結論：

1)通過對滅弧室觸頭沖擊過程進行顯示動力學分析，可知觸頭合閘過程中杯座開槽根處及觸頭片開槽末端為高應力危險區域，易發生破壞。

2)基于Miner累積損傷理論和局部應力應變疲勞理論，對觸頭結構進行疲勞壽命分析，可知觸頭疲勞壽命危險區域基本與高應力危險區域相對應，同為觸頭片及杯座開槽根處。

3)觸頭支撐盤結構對觸頭疲勞壽命的影響較大，其中當支撐盤為圓柱和圓筒型時，觸頭機械性能相對較差；支撐盤為凸臺型時，觸頭的機械性能較好，能使觸頭結構應力分布更加合理，其疲勞壽命可達13970次，基本滿足觸頭額定壽命要求。

圖3 凸臺支撐盤觸頭結構疲勞壽命及損傷

科研人員指出，本課題的研究成果為觸頭結構疲勞壽命預測及優化提供了理論參考。另外，他們也表示，本次研究在真空滅弧室沖擊疲勞研究中未考慮電動斥力、溫度等對觸頭結構疲勞壽命產生的影響，因此觸頭結構在載流環境下運行的壽命預測和評估工作仍需進一步研究和完善。

本文編自2022年第15期《電工技術學報》，論文標題為“12kV真空滅弧室觸頭合閘沖擊下疲勞壽命研究”。本課題得到國家自然科學基金和遼寧省自然科學基金計劃資助項目的支持。