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螺栓緊固銅排間接觸電阻研究

文章出處:未知 人氣:發表時間:2019-03-10

銅排是成套電器控制設備主要導電體之一,而成套電器控制設備的銅排和其他電器元件的接觸屬于一種固定式面接觸[1-2],主要通過螺栓固定連接,其中栓所承受的扭矩與銅排接觸電阻的關系尤為重要。當銅排和其他電器元件互相連接時,在接觸區域內存在一個附加的接觸電阻,若用電設備與銅排之間連接出現松動時,接觸電阻急劇增加。由線路連接接觸不良引起的發熱和高溫,一般有一個積累過程,時間越長發熱量越多。

 

    當產生的熱量大于向外傳播的熱量時,接觸處熱量就會積累,致使溫度升高,甚至導致設備燒融,影響整機的溫升以及使用壽命。目前,關于螺栓緊固銅排接觸電阻的計算方法主要是基于理論或基于工程經驗公式獲得的。樓家法等[3]對于收縮電阻中接觸點短時、長時發熱的問題進行了相關計算,主要解決銅排滑動連接情況下銅排接觸電阻的計算問題,這對于研究銅排固定式面接觸問題并不適用。李振庭等[4]根據機械電觸點的導電機理,推導了收縮電阻、薄膜電阻的計算公式,從而得到接觸電阻的計算公式。許軍等[5]從接觸電阻微觀模型出發,結合影響接觸電阻的因素,給出工程上計算接觸電阻的經驗公式及測量方法。付立英等[6]探究了采用富士壓力感應測試紙得到航天器中小型螺栓連接件中界

 

面壓力的分布規律,但未給出螺栓施加的扭矩與接觸面積的關系,不過它對螺栓連接件界面壓力分布的檢測方法值得借鑒。

 

    本文以標準六角M8型號螺栓為研究對象,進行圓柱形銅排間、不同扭矩與接觸面積關系的壓痕試驗。試驗采用富士壓力感應測試紙測量銅排間接觸面積,通過試驗發現接觸面積呈圓環形狀。針對M8螺栓在工程中應用強度等級要求(30N·m的扭矩是M8型螺栓所承受的最大扭矩,而扭矩太小根本擰不緊螺栓),本文將扭矩控制在20~30N·m范圍內,獲得不同扭矩與接觸尺寸及面積的近似線性關系式。在得到接觸尺寸及面積的基礎上,研究接觸面積與接觸電阻的關系,并利用ANSYS軟件建立圓柱形銅排及銅排間接觸電阻模型,然后將仿真接觸電阻與實測值進行比較分析,以驗證上述結論的正確性。

 

1 螺栓扭矩與接觸尺寸、接觸面積的關系

  根據實際的工況需求,選擇為標準六角M8型號螺栓進行銅排與銅排之間的固定,螺母直徑8mm,墊片內徑8.44mm,墊片外徑16.97mm,墊片厚度1.3mm,銅排硬度49.2HBW,銅排表面粗糙度1.6μm,銅排內徑8.05mm,銅排外徑40mm,銅排厚度10mm。

 

1.1 螺栓扭矩與接觸尺寸的關系

1.1.1 富士壓力感應測試紙原理及使用方法

    富士壓力感應測試紙是一種可以檢測壓力和壓力分布的膠片,施加壓力后的區域根據壓力的大小呈現紅色,而且其顏色隨著壓力強度的變化而變化。根據試品的形狀,剪裁出合適的形狀,將壓力感應測試紙放置兩銅排中間,施加扭矩,得到壓力分布,紅**域視為銅排的接觸面積。

 

1.1.2 圖片處理

    為了分析方便,假定接觸與壓痕灰度值成對應關系。采用MATLAB軟件將彩色壓痕圖片轉換成灰度圖片(見圖1),得到灰度矩陣。彩色壓

痕圖像的每個像素用三個字節表示,每個字節對應著R、G、B 三個分量,而轉換后的灰度圖像的每個像素用一個字節表示該點的灰度值。它的值在0~255之間,數值越大,則該點越亮;相反,數值越小,則該點越暗。

1.1.3 接觸尺寸及接觸面積的獲取

    取經過圖2圓心的一行像素點,這樣可以得到經過圓心的一行像素點灰度值變化曲線(見圖3)。結合圖1與圖3可以看出,圖1中的像素點與像素點灰度值變化曲線的關系密切相關;通過圖3還可以依次找到接觸尺寸的邊沿,從而計算接觸面積。

圖2為接觸尺寸的示意圖,圖中:D1為螺孔直徑、D2為壓痕內徑、D3為壓痕外徑。首先,將圖3灰度值變化曲線分為3個區域,分別是白色

區域、灰度值漸變區域、低灰度值區域;然后,根據灰度圖像的灰度值特點,圖2中D1螺孔直徑對應圖3的灰度值變化曲線應是灰度值接近255,且灰度值不變的一段連續區域,故圖3中D1區域對應為螺孔直徑。同理,故圖3中D2區域對應為壓痕內徑。而對于圖2中D3壓痕外徑,假設圖3中灰度值漸變區的1/2處為圖2中D3壓痕外徑邊沿。

 

圖3 像素點與灰度值變化曲線

由實際螺孔直徑大小與D1像素點個數之間的關系可以推得D2、D3

的實際大小。下面以對螺栓施加扭矩為30N·m為例,通過灰度值來計

算實際接觸尺寸及面積,計算過程如下。

1)標定單個像素大小。實際螺孔直徑/螺孔直徑的像素點個數D1 =8.23 mm/200=0.041 15mm;

2)計算接觸內徑D2。D2像素點個數×單個像素大小=235×0.041 15mm=9.67mm;

3)計算壓痕外徑D3。D3像素點個數×單個像素大小=523×0.041 15mm=21.52mm;

4)計算接觸面積S。S=π/4·(D23-D22)=(π/4)·(21.522-9.672)=290.14mm2。

1.2 不同扭矩與接觸面積關系

    在已知圓柱形銅排硬度、粗糙度的情況下,進行不同扭矩與接觸面積的壓痕試驗。按照M8型號螺栓的等級要求并結合工程需求,對螺栓分別施加20N·m、25N·m、30N·m的扭矩,所得試驗數據如表1所示。

    圖4是不同扭矩與接觸尺寸以及接觸面積的關系。根據圖4得到,在施加扭矩20~30N·m的范圍內,扭矩與接觸尺寸及面積呈線性關系,即

接觸外徑

D3 =0.172 4F0+16.4; (1)

接觸面積

S =5.141F0+136.4。(2)

式中:F0為扭矩,N·m。

圖4 不同扭矩與接觸尺寸及面積的變化曲線

 

2 接觸面積與接觸電阻的關系

2.1 接觸電阻仿真建模

2.1.1 電場方程

    根據恒定電場理論,銅排上的電位分布滿足

式中:γ為銅排的電導率,γ 不隨溫度的變化而變化;φ 為導體任意一點的電位。

2.1.2 ANSYS模型邊界條件的設置

    電場邊界條件:電流流入和流出的端面為第一類邊界條件,加載邊界如圖5所示。

2.1.3 物性參數的確立

    在仿真模型中,銅排20 ℃時的導熱系數為400W/(m·K);由于銅排的材質為T2紫銅,所以銅排的電阻率為1.83×10-8Ω·m。

2.2 接觸電阻仿真計算

    利用ANSYS仿真軟件建立圓柱形銅排及銅排接觸電阻模型,用一定厚度的圓環作為接觸電阻的幾何模型,將上述得到的接觸外徑作為仿真接觸電阻的圓環外徑,仿真模型如圖6所示。仿真圓柱形銅排內徑8.05mm,銅排外徑40mm,銅排厚度10 mm,仿真接觸電阻的圓環內徑

    仿真模型以對螺栓施加扭矩為30N·m時,實驗獲得的接觸尺寸以及接觸面積(接觸內徑9.67mm、接觸外徑21.52 mm、接觸面積290.14mm2)為基礎,只改變接觸電阻厚度,其他參量均保持不變,觀察接觸電阻的厚度對接觸電阻大小的影響(見圖7)。

    通過圖7可以看出,在一定范圍內改變接觸電阻厚度對接觸電阻值影響較小,故將接觸圓環厚度設為0.05mm,進行接觸電阻仿真計算。

3 接觸電阻仿真與實測數據對比

    實測接觸電阻方法如下:采用微歐儀,向試品通以100A電流,測量試品上下端面的壓降,再根據電阻的伏安特性,得到實測接觸電阻。表2為接觸電阻仿真與實測數據對比。通過表2對比可知,仿真與實測接觸電阻較為一致,證明了該仿真模型計算接觸電阻的準確性。

 

4 結 論

    綜上,得到如下結論:①采用富士壓力感應測試紙獲取的螺栓固定圓柱形銅排接觸尺寸及面積結果表明,銅排的接觸面積呈圓環狀;②標準的六角M8型號螺栓在硬度為49.2HBW、表面粗糙度為1.6μm、圓柱形銅排尺寸為外徑40mm、內徑8.05mm、厚度10mm以及扭矩為20~30N·m范圍內,扭矩與接觸尺寸及面積呈近似線性關系,扭矩與接觸外徑、接觸面積的近似線性關系式為D3=0.172 4F0+16.4;S=5.141F0+136.4。

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