陶 杰

(镇江西门子母线有限公司，江苏 镇江 212211)

母线槽是一种经济高效的电力输配电基础产品[1]，不仅能够使电力系统更加灵活，还能有效节约建筑结构的空间。与其他输电设备相比，其还具有防护等级高、耐火性能强、电力系统更简洁等优点。母线槽可按照绝缘方式、导电材料和耐火性能等型式进行分类，但目前行业都倾斜于按照绝缘方式进行分类，一般分为空气型母线槽、密集型母线槽和浇注型母线槽等，而密集型母线槽是当前市场中应用最大也是最广泛的母线槽产品。密集型母线槽把各相导电排按照“三明治”结构进行拼装后再通过金属外壳包裹，其不仅具有其他类型母线槽的优点，还具有更紧凑的结构和更低的压降和功耗[2]。因为密集型母线槽都是按照一定长度制造成一段一段的产品，在构成输电系统时就需要通过连接器(见图1)将这一段段产品连接起来，所以连接器可靠性就直接影响母线槽系统的安全性和稳定性，而连接器中的螺栓是提供各相连接排压紧力的关键性部件。因此，有必要对密集型母线槽的连接器螺栓进行强度分析，为连接器连接可靠性提供相应的技术支撑。

1 密集型母线槽连接器螺栓理论分析

密集型母线槽连接器通过螺栓的力矩提供压力来压紧插入其中的各相连接排，当螺栓在逐步收紧过程中，也会在螺栓内部产生对应的预紧力。连接器螺栓提供合理、可靠、稳定的预紧力，能够有效降低连接器部位导体的接触电阻，但是过高和过低的螺栓预紧力都是不利的，过低的预紧力无法达到紧密连接的效果，过高的预紧力则会导致连接失效。

目前，密集型母线槽连接器的预紧力矩为70 N·m，连接器的螺栓公称直径为12 mm，螺栓的强度等级采用8.8级，可以根据螺栓预紧力矩计算式：

Mt=KP0d×10-2

(1)

推导出螺栓预紧力计算式：

(2)

式中，P0为螺栓预紧力，单位为N；Mt为预紧力矩，单位为N·m；K为拧紧力系数，可通过查K值表查得，因连接器螺栓是无润滑一般加工表面，故本文取K=0.21，无单位；d为螺栓公称直径，单位为mm。将上述相关数据代入计算式中，计算得到密集型母线槽连接器螺栓的预紧力约为26 667 N。

2 建立密集型母线槽连接器螺栓仿真模型

密集型母线槽连接器是一个复杂的结构体，如果不对其进行对应的简化，不但会大大增加仿真的计算时间，还会造成计算结果偏差过大。因为重点是考察连接器螺栓的强度，对于其他部件就可简化为相应的长方体，但长方体大小应按照这些简化的部件大小进行建立。

按照上述简化原则：首先，在三维软件中建立连接器的实体三维模型，并将这一模型另存为x_t格式，以便可导入ANSYS软件中[3]；然后，将已经转换好格式的三维模型导入ANSYS软件中；最后，查看导入ANSYS软件中的三维模型(见图2)是否需要进行相关修正，如需修正，则按照ANSYS软件的提示对三维模型进行修正[4]。

3 密集型母线槽连接器螺栓强度仿真分析

在建立好连接器的有限元模型后将相关边界条件添加进去，其中螺栓与简化的长方体、长方体与螺母是有摩擦的接触，螺栓与螺母是螺纹接触，然后添加固定约束于简化的长方体上使其固定不动，最后将螺栓中的预紧力添加至螺母与螺栓的连接位置中[5]，这样连接器有限元模型所有边界条件都已经添加完毕。下一步针对这一有限元模型进行仿真计算，得到仿真计算结果后，将简化后长方体和螺母模型隐藏，重点查看螺栓的仿真结果。

1)首先，查看螺栓仿真应变图(见图3)：整个螺栓的变形量都不大，其中变形量最大的地方在螺栓与螺母的连接部位，这是因为此部位与螺母通过螺纹进行联接，在预紧力紧固之后造成此部位承受最大的变形[6]。由此可见，仿真结果与实际情况是基本契合的。

2)其次，查看螺栓仿真应力图(见图4)：整个螺栓的应力主要集中在螺栓头与螺杆交界附近及螺栓与螺母的连接部位，因为这些部位由于在预紧力作用下，必然会造成在此处产生相应的应力。而螺栓头附近应力较大是由于应力集中而造成的，螺栓与螺母的连接部位应力较大是由于螺纹联接所造成的。因此，仿真结果与实际情况是基本符合的。

3)最后，查看螺栓仿真安全系数图(见图5)：整个螺栓的安全系数在大部分区域都能够保证在5以上，但是在螺栓头的双头颈部安全系数只有1.096左右，这也说明了当预紧力矩达到约70 N·m时，双头颈部就会因受力超过其屈服极限而发生断裂，从而验证了此类型的双螺栓头设计是有效的。而在整个螺栓的其他部位则是远远大于其材料的屈服极限[7]，并且有足够的裕度保证螺栓本身的可靠性，根据仿真结果也能够验证其与螺栓使用实际情况保持一致。

4 结语

依据上述螺栓仿真结果，可得到如下相关结论。

1)密集型母线槽螺栓通过预紧力矩来锁紧连接排，在其紧固过程中，螺栓本身也需要承受相应作用力。根据仿真结果显示，连接器螺栓的变形、应力都在其材料的许用范围之内[8]，并且还有足够的裕度。螺栓在为连接排提供足够压紧力的基础上，还保证了连接器本身的可靠性。

2)依据Wurth公司的《螺栓尺寸、强度等级、预紧力和预紧扭矩对照表(参考数值)》可知，8.8级强度等级、M12公称直径的螺栓最大扭矩为87.28 N·m。一般在实际应用中，将螺栓的预紧力矩设定为最大扭矩的80%。因此，通过计算可知，推荐设定的螺栓预紧力矩为69.82 N·m，这也是将连接器螺栓预紧力矩设定为70 N·m的理论依据[9]。根据仿真结果中的安全系数可知，虽然螺栓的双头颈部断裂与实际情况存在8.76%的误差，但这部分误差一部分是由于模型简化所造成的，另一部分是由于有限元分析是一种趋近解而造成的。

3)虽然此仿真只是重点研究了连接器螺栓强度而没有仿真连接排的受力情况，但是此仿真结果已经足够说明了密集型母线槽连接器设计是安全和可靠的[10]。而连接排的受力情况可进行单独仿真分析，这是因为连接排导体有铜和铝2种材质，这2种导体在材料性能上存在较大的差异，如果单独设置成其中一种导体材料会造成仿真结果不准确。

4)今后可通过区分不同导体材料的密集型母线槽连接排来重点研究连接排的受力情况，这时就能把此次连接器仿真出来的受力作为约束条件施加在连接排受力分析中[11]，这样就会得到更加准确的仿真结果。