The influence of mechanical deformation consideration on the results of the calculation of the vacuum circuit breaker drive shaft

Abstract

One of the important directions of theoretical, computational and experimental research related to the improvement and development of new design elements of modern electrical devices, primarily medium voltage circuit breakers and contactors, is the study of not only electromagnetic, but also mechanical processes in these electrical devices. The paper is devoted to the creation and use of computational models for calculating mechanical forces and deformations of an absolutely rigid and real drive shaft of a medium voltage vacuum circuit breaker in static mode with the aim of quantitative comparison of the obtained numerical results. Calculation studies are performed using the finite element method. A comparative analysis of the calculation of mechanical stresses in the drive shaft of a vacuum circuit breaker in a static mode for an absolutely rigid and real shafts is carried out in this paper on the basis of the developed models. The obtained results of computer modeling are given in detail in tabular and graphic forms, including the shape of the deflection of the medium voltage vacuum circuit breaker shaft at the maximum stroke of the actuator of the electrical device under study. It has been demonstrated that the mechanical deformation of the shaft causes a decrease in contact drop and contact pressure forces, but with a correctly selected cross-section, these values are not critical and have little effect on the circuit breaker operation (about 20% and 7%, respectively). It is shown that as a result of shaft bending, additional axial forces appear in the supports, which significantly affect the choice of bearings according to the equivalent static load.

Одним з важливих напрямків теоретичних, розрахункових та експериментальних досліджень стосовно удосконалення й розробки нових елементів конструкції сучасних електричних апаратів, у першу чергу вимикачів і контакторів середніх напруг, є вивчення не лише електромагнітних, а й механічних процесів у зазначених електричних апаратах. Стаття присвячена створенню й використанню обчислювальних моделей для розрахунку механічних зусиль і деформацій абсолютно жорсткого й реального приводного валу вакуумного вимикача середньої напруги у статичному режимі з метою кількісного порівняння отриманих чисельних результатів. Розрахункові дослідження виконуються за допомогою методу скінчених елементів. У статті на підставі розроблених моделей проведено порівняльний аналіз розрахунку механічних напружень у привідному валу вакуумного вимикача у статичному режимі для абсолютно жорсткого й реального валу. Отримані результати комп‘ютерного моделювання детально наведені у табличній та графічній формах, у тому числі представлено форму прогину вала вакуумного вимикача середньої напруги при максимальному ході актуатора електричного апарата, що досліджується. Продемонстровано, що механічна деформація валу викликає зменшення провалу контактів і сил контактного натискання, але при правильно обраному поперечному перетину ці значення не є критичними і мало впливають на роботу вимикача (близько 20% і 7% відповідно). Показано, що в результаті вигину валу в опорах з'являються додаткові осьові зусилля, які істотно впливають на вибір підшипників за еквівалентним статичним навантаженням.