基于ANSYS的密集型母線槽連接器螺栓強(qiáng)度研究

陶 杰

(鎮(zhèn)江西門子母線有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212211)

母線槽是一種經(jīng)濟(jì)高效的電力輸配電基礎(chǔ)產(chǎn)品[1]，不僅能夠使電力系統(tǒng)更加靈活，還能有效節(jié)約建筑結(jié)構(gòu)的空間。與其他輸電設(shè)備相比，其還具有防護(hù)等級(jí)高、耐火性能強(qiáng)、電力系統(tǒng)更簡潔等優(yōu)點(diǎn)。母線槽可按照絕緣方式、導(dǎo)電材料和耐火性能等型式進(jìn)行分類，但目前行業(yè)都傾斜于按照絕緣方式進(jìn)行分類，一般分為空氣型母線槽、密集型母線槽和澆注型母線槽等，而密集型母線槽是當(dāng)前市場中應(yīng)用最大也是最廣泛的母線槽產(chǎn)品。密集型母線槽把各相導(dǎo)電排按照“三明治”結(jié)構(gòu)進(jìn)行拼裝后再通過金屬外殼包裹，其不僅具有其他類型母線槽的優(yōu)點(diǎn)，還具有更緊湊的結(jié)構(gòu)和更低的壓降和功耗[2]。因?yàn)槊芗湍妇€槽都是按照一定長度制造成一段一段的產(chǎn)品，在構(gòu)成輸電系統(tǒng)時(shí)就需要通過連接器(見圖1)將這一段段產(chǎn)品連接起來，所以連接器可靠性就直接影響母線槽系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，而連接器中的螺栓是提供各相連接排壓緊力的關(guān)鍵性部件。因此，有必要對(duì)密集型母線槽的連接器螺栓進(jìn)行強(qiáng)度分析，為連接器連接可靠性提供相應(yīng)的技術(shù)支撐。

1 密集型母線槽連接器螺栓理論分析

密集型母線槽連接器通過螺栓的力矩提供壓力來壓緊插入其中的各相連接排，當(dāng)螺栓在逐步收緊過程中，也會(huì)在螺栓內(nèi)部產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的預(yù)緊力。連接器螺栓提供合理、可靠、穩(wěn)定的預(yù)緊力，能夠有效降低連接器部位導(dǎo)體的接觸電阻，但是過高和過低的螺栓預(yù)緊力都是不利的，過低的預(yù)緊力無法達(dá)到緊密連接的效果，過高的預(yù)緊力則會(huì)導(dǎo)致連接失效。

目前，密集型母線槽連接器的預(yù)緊力矩為70 N·m，連接器的螺栓公稱直徑為12 mm，螺栓的強(qiáng)度等級(jí)采用8.8級(jí)，可以根據(jù)螺栓預(yù)緊力矩計(jì)算式：

Mt=KP0d×10-2

(1)

推導(dǎo)出螺栓預(yù)緊力計(jì)算式：

(2)

式中，P0為螺栓預(yù)緊力，單位為N；Mt為預(yù)緊力矩，單位為N·m；K為擰緊力系數(shù)，可通過查K值表查得，因連接器螺栓是無潤滑一般加工表面，故本文取K=0.21，無單位；d為螺栓公稱直徑，單位為mm。將上述相關(guān)數(shù)據(jù)代入計(jì)算式中，計(jì)算得到密集型母線槽連接器螺栓的預(yù)緊力約為26 667 N。

2 建立密集型母線槽連接器螺栓仿真模型

密集型母線槽連接器是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體，如果不對(duì)其進(jìn)行對(duì)應(yīng)的簡化，不但會(huì)大大增加仿真的計(jì)算時(shí)間，還會(huì)造成計(jì)算結(jié)果偏差過大。因?yàn)橹攸c(diǎn)是考察連接器螺栓的強(qiáng)度，對(duì)于其他部件就可簡化為相應(yīng)的長方體，但長方體大小應(yīng)按照這些簡化的部件大小進(jìn)行建立。

按照上述簡化原則：首先，在三維軟件中建立連接器的實(shí)體三維模型，并將這一模型另存為x_t格式，以便可導(dǎo)入ANSYS軟件中[3]；然后，將已經(jīng)轉(zhuǎn)換好格式的三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件中；最后，查看導(dǎo)入ANSYS軟件中的三維模型(見圖2)是否需要進(jìn)行相關(guān)修正，如需修正，則按照ANSYS軟件的提示對(duì)三維模型進(jìn)行修正[4]。

3 密集型母線槽連接器螺栓強(qiáng)度仿真分析

在建立好連接器的有限元模型后將相關(guān)邊界條件添加進(jìn)去，其中螺栓與簡化的長方體、長方體與螺母是有摩擦的接觸，螺栓與螺母是螺紋接觸，然后添加固定約束于簡化的長方體上使其固定不動(dòng)，最后將螺栓中的預(yù)緊力添加至螺母與螺栓的連接位置中[5]，這樣連接器有限元模型所有邊界條件都已經(jīng)添加完畢。下一步針對(duì)這一有限元模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得到仿真計(jì)算結(jié)果后，將簡化后長方體和螺母模型隱藏，重點(diǎn)查看螺栓的仿真結(jié)果。

1)首先，查看螺栓仿真應(yīng)變圖(見圖3)：整個(gè)螺栓的變形量都不大，其中變形量最大的地方在螺栓與螺母的連接部位，這是因?yàn)榇瞬课慌c螺母通過螺紋進(jìn)行聯(lián)接，在預(yù)緊力緊固之后造成此部位承受最大的變形[6]。由此可見，仿真結(jié)果與實(shí)際情況是基本契合的。

2)其次，查看螺栓仿真應(yīng)力圖(見圖4)：整個(gè)螺栓的應(yīng)力主要集中在螺栓頭與螺桿交界附近及螺栓與螺母的連接部位，因?yàn)檫@些部位由于在預(yù)緊力作用下，必然會(huì)造成在此處產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力。而螺栓頭附近應(yīng)力較大是由于應(yīng)力集中而造成的，螺栓與螺母的連接部位應(yīng)力較大是由于螺紋聯(lián)接所造成的。因此，仿真結(jié)果與實(shí)際情況是基本符合的。

3)最后，查看螺栓仿真安全系數(shù)圖(見圖5)：整個(gè)螺栓的安全系數(shù)在大部分區(qū)域都能夠保證在5以上，但是在螺栓頭的雙頭頸部安全系數(shù)只有1.096左右，這也說明了當(dāng)預(yù)緊力矩達(dá)到約70 N·m時(shí)，雙頭頸部就會(huì)因受力超過其屈服極限而發(fā)生斷裂，從而驗(yàn)證了此類型的雙螺栓頭設(shè)計(jì)是有效的。而在整個(gè)螺栓的其他部位則是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其材料的屈服極限[7]，并且有足夠的裕度保證螺栓本身的可靠性，根據(jù)仿真結(jié)果也能夠驗(yàn)證其與螺栓使用實(shí)際情況保持一致。

4 結(jié)語

依據(jù)上述螺栓仿真結(jié)果，可得到如下相關(guān)結(jié)論。

1)密集型母線槽螺栓通過預(yù)緊力矩來鎖緊連接排，在其緊固過程中，螺栓本身也需要承受相應(yīng)作用力。根據(jù)仿真結(jié)果顯示，連接器螺栓的變形、應(yīng)力都在其材料的許用范圍之內(nèi)[8]，并且還有足夠的裕度。螺栓在為連接排提供足夠壓緊力的基礎(chǔ)上，還保證了連接器本身的可靠性。

2)依據(jù)Wurth公司的《螺栓尺寸、強(qiáng)度等級(jí)、預(yù)緊力和預(yù)緊扭矩對(duì)照表(參考數(shù)值)》可知，8.8級(jí)強(qiáng)度等級(jí)、M12公稱直徑的螺栓最大扭矩為87.28 N·m。一般在實(shí)際應(yīng)用中，將螺栓的預(yù)緊力矩設(shè)定為最大扭矩的80%。因此，通過計(jì)算可知，推薦設(shè)定的螺栓預(yù)緊力矩為69.82 N·m，這也是將連接器螺栓預(yù)緊力矩設(shè)定為70 N·m的理論依據(jù)[9]。根據(jù)仿真結(jié)果中的安全系數(shù)可知，雖然螺栓的雙頭頸部斷裂與實(shí)際情況存在8.76%的誤差，但這部分誤差一部分是由于模型簡化所造成的，另一部分是由于有限元分析是一種趨近解而造成的。

3)雖然此仿真只是重點(diǎn)研究了連接器螺栓強(qiáng)度而沒有仿真連接排的受力情況，但是此仿真結(jié)果已經(jīng)足夠說明了密集型母線槽連接器設(shè)計(jì)是安全和可靠的[10]。而連接排的受力情況可進(jìn)行單獨(dú)仿真分析，這是因?yàn)檫B接排導(dǎo)體有銅和鋁2種材質(zhì)，這2種導(dǎo)體在材料性能上存在較大的差異，如果單獨(dú)設(shè)置成其中一種導(dǎo)體材料會(huì)造成仿真結(jié)果不準(zhǔn)確。

4)今后可通過區(qū)分不同導(dǎo)體材料的密集型母線槽連接排來重點(diǎn)研究連接排的受力情況，這時(shí)就能把此次連接器仿真出來的受力作為約束條件施加在連接排受力分析中[11]，這樣就會(huì)得到更加準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。