基于ANSYS的密集型母線槽連接器螺栓強度研究

陶 杰

(鎮江西門子母線有限公司，江蘇 鎮江 212211)

母線槽是一種經濟高效的電力輸配電基礎產品[1]，不僅能夠使電力系統更加靈活，還能有效節約建筑結構的空間。與其他輸電設備相比，其還具有防護等級高、耐火性能強、電力系統更簡潔等優點。母線槽可按照絕緣方式、導電材料和耐火性能等型式進行分類，但目前行業都傾斜于按照絕緣方式進行分類，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前市場中應用最大也是最廣泛的母線槽產品。密集型母線槽把各相導電排按照“三明治”結構進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點，還具有更緊湊的結構和更低的壓降和功耗[2]。因為密集型母線槽都是按照一定長度制造成一段一段的產品，在構成輸電系統時就需要通過連接器(見圖1)將這一段段產品連接起來，所以連接器可靠性就直接影響母線槽系統的安全性和穩定性，而連接器中的螺栓是提供各相連接排壓緊力的關鍵性部件。因此，有必要對密集型母線槽的連接器螺栓進行強度分析，為連接器連接可靠性提供相應的技術支撐。

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，當螺栓在逐步收緊過程中，也會在螺栓內部產生對應的預緊力。連接器螺栓提供合理、可靠、穩定的預緊力，能夠有效降低連接器部位導體的接觸電阻，但是過高和過低的螺栓預緊力都是不利的，過低的預緊力無法達到緊密連接的效果，過高的預緊力則會導致連接失效。

目前，密集型母線槽連接器的預緊力矩為70 N·m，連接器的螺栓公稱直徑為12 mm，螺栓的強度等級采用8.8級，可以根據螺栓預緊力矩計算式：

Mt=KP0d×10-2

(1)

推導出螺栓預緊力計算式：

(2)

式中，P0為螺栓預緊力，單位為N；Mt為預緊力矩，單位為N·m；K為擰緊力系數，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。將上述相關數據代入計算式中，計算得到密集型母線槽連接器螺栓的預緊力約為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復雜的結構體，如果不對其進行對應的簡化，不但會大大增加仿真的計算時間，還會造成計算結果偏差過大。因為重點是考察連接器螺栓的強度，對于其他部件就可簡化為相應的長方體，但長方體大小應按照這些簡化的部件大小進行建立。

按照上述簡化原則：首先，在三維軟件中建立連接器的實體三維模型，并將這一模型另存為x_t格式，以便可導入ANSYS軟件中[3]；然后，將已經轉換好格式的三維模型導入ANSYS軟件中；最后，查看導入ANSYS軟件中的三維模型(見圖2)是否需要進行相關修正，如需修正，則按照ANSYS軟件的提示對三維模型進行修正[4]。

3 密集型母線槽連接器螺栓強度仿真分析

在建立好連接器的有限元模型后將相關邊界條件添加進去，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，最后將螺栓中的預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添加完畢。下一步針對這一有限元模型進行仿真計算，得到仿真計算結果后，將簡化后長方體和螺母模型隱藏，重點查看螺栓的仿真結果。

1)首先，查看螺栓仿真應變圖(見圖3)：整個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，這是因為此部位與螺母通過螺紋進行聯接，在預緊力緊固之后造成此部位承受最大的變形[6]。由此可見，仿真結果與實際情況是基本契合的。

2)其次，查看螺栓仿真應力圖(見圖4)：整個螺栓的應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，因為這些部位由于在預緊力作用下，必然會造成在此處產生相應的應力。而螺栓頭附近應力較大是由于應力集中而造成的，螺栓與螺母的連接部位應力較大是由于螺紋聯接所造成的。因此，仿真結果與實際情況是基本符合的。

3)最后，查看螺栓仿真安全系數圖(見圖5)：整個螺栓的安全系數在大部分區域都能夠保證在5以上，但是在螺栓頭的雙頭頸部安全系數只有1.096左右，這也說明了當預緊力矩達到約70 N·m時，雙頭頸部就會因受力超過其屈服極限而發生斷裂，從而驗證了此類型的雙螺栓頭設計是有效的。而在整個螺栓的其他部位則是遠遠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，根據仿真結果也能夠驗證其與螺栓使用實際情況保持一致。

4 結語

依據上述螺栓仿真結果，可得到如下相關結論。

1)密集型母線槽螺栓通過預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作用力。根據仿真結果顯示，連接器螺栓的變形、應力都在其材料的許用范圍之內[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上，還保證了連接器本身的可靠性。

2)依據Wurth公司的《螺栓尺寸、強度等級、預緊力和預緊扭矩對照表(參考數值)》可知，8.8級強度等級、M12公稱直徑的螺栓最大扭矩為87.28 N·m。一般在實際應用中，將螺栓的預緊力矩設定為最大扭矩的80%。因此，通過計算可知，推薦設定的螺栓預緊力矩為69.82 N·m，這也是將連接器螺栓預緊力矩設定為70 N·m的理論依據[9]。根據仿真結果中的安全系數可知，雖然螺栓的雙頭頸部斷裂與實際情況存在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研究了連接器螺栓強度而沒有仿真連接排的受力情況，但是此仿真結果已經足夠說明了密集型母線槽連接器設計是安全和可靠的[10]。而連接排的受力情況可進行單獨仿真分析，這是因為連接排導體有銅和鋁2種材質，這2種導體在材料性能上存在較大的差異，如果單獨設置成其中一種導體材料會造成仿真結果不準確。

4)今后可通過區分不同導體材料的密集型母線槽連接排來重點研究連接排的受力情況，這時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]，這樣就會得到更加準確的仿真結果。