陶 杰

(镇江西门子母线有限公司，江苏 镇江 212211)

母线槽是一种进行大容量电力电能输送的产品[1]，具有结构紧凑、重量较重和线路长等特点。为了保证母线槽能够稳定可靠地把电能输送至需要用电的场合，不可避免地要使用相关支承附件对母线槽产品进行支承，通常使用的支承附件有托臂支架、槽钢吊架和通丝吊架，它们可根据母线槽[2]产品的安装场所和支承要求进行选择。一般来说，托臂支架通常于母线槽产品安装在较靠近墙体时使用，通过膨胀螺栓将支架固定于墙面；而槽钢吊架和通丝吊架则大都通过膨胀螺栓吊装在建筑物顶部。槽钢吊架与通丝吊架相比，因其承载能力强，目前多用于双拼大电流等级的母线槽产品中，但是由于其安装比较复杂，承载重心不平衡的特点，因此槽钢吊架安装过程中要保证槽钢底座的水平以确保母线槽产品支承的水平和稳定。而通丝吊架在受外力(例如风力等)影响时变形量会较大，故需要考察通丝吊架在这些外力下是如何变形的，以及这些变形量是否会影响通丝吊架整体的稳定性和安全性。母线槽通丝吊架安装图如图1所示。

图1 母线槽通丝吊架安装图

1 建立通丝吊架有限元模型

通丝吊架的物理模型[3]是为了进行产品生产和制造来使用的，但如果直接使用此模型进行有限元分析则很难满足有限元分析的要求，因此，需要根据通丝吊架中不同零部件的重要性进行相关简化。

由于重点是考察通丝吊架变形量，因此将通丝吊架中的相关螺母和垫片进行优化，省略这些螺母和垫片，并且将余下的零部件模拟成一个整体的零件，这样的优化并不会影响通丝吊架中各个零部件之间的变形量。然后，考虑膨胀螺栓对于通丝吊架的整体变形量也基本无影响，可以将其也省略掉。最后，考虑用于安置母线槽产品的C型槽钢，其形状比较复杂，为了提升模型的计算效率，将其简化为矩形件，这样既能够有效提升模型的计算时间，同时也不会影响模型的计算效果。按照上述方法简化后的通丝吊架的有限元模型[4-5]如图2所示。

图2 简化后通丝吊架有限元模型

2 通丝吊架在流体场中的受力分析

通丝吊架不但要承受母线槽产品的重量，同时还受到风吹的影响，因此，此类型的问题涉及到流固耦合[6]情况，首先应确认通丝吊架所承受的风载荷是如何分布的，然后将风载荷和母线槽产品的重量进行叠加，求解通丝吊架的整体变形情况。

目前，使用通丝吊架的场合多是在室内，按照相关标准和规定，一般室内风速约为5 m/s，将通丝吊架在室内所受到的风速大小设定为5 m/s，并且按照让风正向吹向通丝吊架，同时使用布尔运算求解得到通丝吊架所处的流体场[7]，使用CFD的网格划分方式对通丝吊架所处于的流体场进行划分，然后应用Fluent软件对流体场中的压力分布进行求解，所得的流场分布情况如图3所示。

图3 通丝吊架所受风载荷压力场分布

3 通丝吊架整体受力分析

考虑通丝吊架变形量(见图4)是受到风载荷的影响，而不需要考虑通丝吊架对其所处的流体场的影响，因此，采用单耦合方式进行分析，以便提高计算的效率。首先采用静态结构分析的方法进行分析，并且将流体场进行压缩处理，在对通丝吊架进行添加约束[8]时，将母线槽产品的重量转换成对应的压力值施加到通丝吊架的C型槽钢上，并且将之前计算得到的风载荷也转换成对应的压力值施加到通丝吊架上，这样就完成了通丝吊架的相关约束设定。

a) 整体变形量

b) 底部变形量图4 通丝吊架变形量

从图4a可知，通丝吊架整体变形量[9]是从上向下越来越大，顶部由于被固定没有变形量，而通丝底部没有约束，因此变形量最大，这一仿真趋势与实际情况是吻合的。实际使用场景中，物体的变形量都是从约束侧向未约束侧不断地扩大。在仿真过程中，通丝吊架根据实际使用情况设定其承受的母线槽产品的压力，按照2 000 A电流等级的母线槽折算其重量，同时按照每1.5 m来设置一个通丝吊架，这样就能推算出每个通丝吊架大概承受1.5 m的2 000 A母线槽所产生的压力，而通丝吊架所承受的风载荷情况之前已经设定好了，在此不再赘述。在这些设定的条件下，通丝吊架的最大变形量约为1.96×10-5m，这样的变形量是非常微小的，说明正常使用场合中，标准情况下的风载荷对通丝吊架的安全性和稳定性影响也是比较小的。

从图4b可知，通丝吊架所发生最大变形量的零部件都处于通丝吊架的底部区域，这一方面是因为通丝吊架中的C型槽钢承受了母线槽产品的压力，其会发生相应的变形量；另一方面是因为通丝吊架在底部完全是无约束的状态，所有的变形量都累积到了这一区域。从通丝吊架最大的变形量数值来看，这些零部件的变形量都是比较微小的，也就充分说明了通丝吊架中的这些零部件都没有发生塑性形变，同时也能够说明通丝吊架整体在承受这样的载荷情况下是安全可靠的。

4 结语

通过上述有限元分析结果，可以得到如下相关的结论。

1)通丝吊架的变形量是由固定侧向未固定侧不断累积的，因此，良好的固定约束能够有效减小通丝吊架的变形量，并且同时能够有效提升通丝吊架的整体稳定性和安全性。虽然通丝吊架在相关载荷的影响下会承受一定的变形量，但是这些变形量是比较微小的，尤其是在标准风载荷的影响下，对于通丝吊架的变形量更是微小，但是还是需要考虑这一因素的影响，这是因为通丝吊架是一种又细又长的结构体，此类型结构在受到外部扰动的情况下，可能会造成整体结构的失稳和破坏，这也就需要通过计算和仿真来避免这类事故的发生。

2)针对通丝吊架变形量的研究和分析，通丝吊架整体发生变形量最大的零部件是通丝吊杆，虽然C型槽钢的变形量也是比较大的，但是其变形量并非是由风载荷所导致，而是由于母线槽产品的自身重力所引起的，因此，其变形方向与通丝吊杆的变形方向不同，其变形方向与重力方向保持一致，并不会引起通丝吊架整体的不稳定，反而能够在一定程度上保证通丝吊架的稳定性得到有效提升。最后，通丝吊架的稳定性和安全性还与通丝吊杆的长度和螺径有着密切的关系，目前所建立的模型是按照真实使用的产品进行建立，因此，得到的计算结果也能够说明此类型的通丝吊架是安全可靠[10]的。

3)虽然对通丝吊架的模型进行了一定的优化，但是这些优化并不会影响最终的计算结果，尤其是在通丝吊架模型中，最容易发生最大变形量的零部件并没有进行简化，这也充分保证了最终计算结果的真实和可靠。

4)通丝吊架模型虽然保证了整体变形量是安全和可靠的，但是并没有考虑通丝吊架模型的模态情况以及在不同阶模态[11]情况下是否会发生失稳，这也是需要下一步继续进行研究和完善的地方。