絕緣緊固件替換性試驗研究*

楊 濤，巢鑫迪，王 偉，吳少坤

(常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇 常州 213100)

0 引 言

絕緣緊固件具有質量輕、比強度高、隔熱性好、耐腐蝕性佳、絕緣性優良以及加工便捷等諸多優點，故其在電氣工業中得到了廣泛的應用。但受制造方式、原材料等因素制約，其機械性能差異較大。電力一次設備在絕緣緊固件的選擇時會優先考慮其成本，故在選擇緊固件時往往只考慮其在靜態工況下是否滿足要求，往往忽略了運輸過程中可能遭遇的嚴苛路況，故電力一次設備在運輸過程中不時地會出現絕緣緊固件斷裂的現象，這極大地增加了產品損壞的風險，甚至可能帶來巨大的經濟損失。

針對絕緣緊固件斷裂的現象，筆者對比研究了目前市場上常用的幾款不同材質的絕緣緊固件，主要從其抗剪、抗拉、抗扭及成本等方面進行對比分析，得出非金屬絕緣緊固件強度的影響因素并為絕緣緊固件的選型提供參考。

1 原理與設計

在電氣工業中，絕緣緊固件常見的失效原因主要有以下兩個方面：①對實際使用工況不了解，選用的絕緣緊固件強度不能滿足實際工況；②靜態工況下絕緣緊固件的強度滿足需求，但在運輸或運行等工況下，絕緣緊固件受到過大瞬時沖擊從而失效。

市場上機械性能相近的絕緣緊固件，因其采用不同的成型工藝或加工工藝及原材料差異等因素的制約，其自身性能的穩定性和成本也有一定的差異。

針對上述絕緣緊固件的失效問題，解決思路主要有兩個方向：①使用更大規格的同種絕緣緊固件進行替換；②使用其它性能更優異的同規格不同材質的絕緣緊固件進行替換。文中根據上述的兩種方向，通過對市場上常用的幾種絕緣緊固件的規格、性能及成本進行分析比對，掌握了幾種不同規格、不同材質的絕緣緊固件的性能及成本情況，在進行絕緣緊固件選擇時，能快速有效地選擇滿足需求的絕緣緊固件[1-2]。

2 受力仿真

現以機械結構中常見的搭接結構為例進行仿真分析，選用PEI螺釘。在靜態環境下，絕緣梁為搭接結構，PEI螺釘僅受螺母緊固的扭力，故其強度在靜態工況下滿足要求。現對PEI螺釘進行模擬運輸受力仿真分析。首先先對仿真模型進行處理，處理之后的模型如圖1所示。

圖1 仿真模型

仿真步驟如下。

(1) 將簡化模型導入ADAMS 軟件，將四根絕緣梁進行水平、豎直放置，將豎直放置的梁固定為一個整體，將所有螺釘固定，默認不會發生相對移動。

(2) 設置螺釘和絕緣梁密度。螺釘密度為1.42 g/cm3，水平放置的絕緣梁密度為1.9 g/cm3。豎直放置的梁密度應為1.9 g/cm3，但是考慮到豎直梁上會安裝其它結構的模塊，故去除水平放置的絕緣梁重量為1 381-92=1 289 kg，豎直放置的梁總重為124 kg，則加上模塊等配重后，豎直放置的梁的密度則為1 289×1.9/124≈19.75 g/cm3。密度賦值如圖2、3所示。

圖2 PEI螺釘密度 圖3 絕緣梁密度

(3) 設置重力和接觸力。根據運輸得到的數據，設置重力加速度，方向為+X。接觸力對象為螺釘和豎直放置的梁，其他數值為默認值。如圖4、5所示。

圖4 接觸力 圖5 加速度

(4) 設置仿真時間。時間定為0.03 s，步長為10 000。如圖6所示。

圖6 仿真時間

(5) 后處理。

① 當重力加速度為2 g時，對M8規格螺釘整體簡化模型進行仿真，仿真結果如圖7、8所示。根據S=vt+1/2at2，v=0，a=2 g，則S=gt2。

圖7 仿真結果示意一 圖8 仿真結果示意二

根據上圖可知S=1 mm，t≈0.010 2 s，任意選取PEI螺釘，查看受力情況。仿真數據如圖9所示，當仿真時間為0.010 6 s時，出現接觸力，為5 740 N。

圖9 仿真數據一

② 當重力加速度為4 g時，對M8規格螺釘整體簡化模型進行仿真，仿真結果如圖10、11所示。根據S=vt+1/2at2，v=0，a=4 g，則S=2gt2。

圖10 仿真結果示意三 圖11 仿真結果示意四

根據上圖可知S=1 mm，t≈0.007 s，任意選取PEI螺釘，查看受力情況。仿真數據如圖12所示，當仿真時間為0.007 4 s時，出現接觸力，為6 755 N。

圖12 仿真數據二

(6) 仿真結果分析。

從上述仿真結果可以得到，PEI螺釘在靜態工況下強度滿足要求，但在模擬運輸過程中，受路況的制約，螺釘受力相對復雜，路況越嚴苛對螺釘的性能要求就越高。故在選用絕緣緊固件時不僅要考慮到其靜態受力的工況，還要考慮到其實際運輸工況。

3 試 驗

3.1 試驗材料

結合實際需求并根據市場調研結果，此次驗證共選用4種絕緣緊固件，分別為：PEI、EPGC202、VPI及DELGLAS 68835。其中PEI即聚醚酰亞胺是一種熱塑性工程樹脂，螺釘成型方式為注塑成型。EPGC202即環氧玻璃布層壓板，螺釘成型方式為機加成型。VPI即環氧玻璃布增強，即原材料成型采用真空浸膠的工藝，螺釘成型方式為機加成型。DELGLAS 68835是玻璃墊和特定環氧樹脂結合，螺釘成型方式為機加成型[3-12]。絕緣緊固件的規格分別為：M8X50、M10X50、M12X50；具體如下。

第一組：規格：M8X50；材質：PEI、EPGC202、VPI(真空浸膠)、DELGLAS 68835；數量：每種材質15個，共60個。

第二組：規格：M10X50；材質：PEI、EPGC202、VPI(真空浸膠)、DELGLAS 68835；數量：每種材質15個，共60個。

第三組：規格：M12X50；材質：PEI、EPGC202、VPI(真空浸膠)、DELGLAS 68835；數量：每種材質15個，共60個。

以上四種絕緣緊固件分別如圖13～16所示。

圖13 PEI螺釘 圖14 EPGC202螺釘

圖15 VPI螺釘 圖16 DELGLAS 68835螺釘

3.2 抗剪切試驗

在實際工況中，絕緣緊固件使用的位置不同，對緊固件機械性能的側重點也不同，有的對緊固件的抗剪切性能要求較高，有的對緊固件的抗拉性能要求較高，有的對緊固件的抗扭性能要求較高。故抗剪、抗拉及抗扭均是衡量絕緣緊固件機械性能的重要指標。

3.2.1 試驗方法

絕緣緊固件的剪切試驗方法目前暫無相關的統一標準，故此次試驗方法借鑒GB/T6400-2007 《金屬材料 線材和鉚釘剪切試驗方法》設計了一種拉式單剪工具，如圖17所示[13]，使用拉式單剪工具進行剪切測試，剪切試驗速度(試驗機橫梁移動速度)不大于5 mm/min，記錄試樣剪切時最大的試驗力Fm，并按照式(1)計算抗剪切強度τ：

圖17 剪切工裝

τ=Fm/S0

(1)

3.2.2 試驗結果

測量結果見表1：不同規格、不同材質的絕緣緊固件平均剪力對比。

表1 不同規格、不同材質的絕緣緊固件平均剪力對比 /N

由表1可知。

(1) 同規格的絕緣緊固件，抗剪切能力由強到弱依次為DELGLAS 68835、VPI、EPGC202、PEI。

(2) 同規格的絕緣緊固件，DELGLAS 68835的抗剪切性能大約是VPI的1.14倍，性能比較接近。ELGLAS 68835的抗剪切性能遠大于PEI和EPGC202。

(3) M10及以上規格的絕緣緊固件中，DELGLAS 68835和VPI的小一號規格的抗剪切性能比EPGC202的大一號規格更強，即在規格限制的工況下，M12的EPGC202螺釘可以被M10規格的DELGLAS 68835和VPI替代。

3.3 拉伸試驗

3.3.1 試驗方法

絕緣緊固件的拉伸試驗方法目前暫無相關的統一標準，故此次試驗方法借鑒GB /T 3098.1 - 2010 《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》設計了一種拉伸工具，如圖18所示[14]，可使用拉伸工具對絕緣緊固件進行拉伸測試，拉伸試驗速度(試驗機橫梁移動速度)不大于5 mm/min，記錄試樣拉伸時最大的試驗力Fm,并按照式(2)計算抗拉強度Rm:

圖19 拉伸工裝

Rm=Fm/AS

(2)

3.3.2 試驗結果

測量結果見表2：不同規格、不同材質的絕緣緊固件平均拉力對比。

表2 不同規格、不同材質的絕緣緊固件平均拉力對比 /N

由表2可知。

(1) 同規格的絕緣緊固件，抗拉性能由強到弱依次是：VPI、DELGLAS 68835、EPGC202、PEI。

(2) 同規格的絕緣緊固件，VPI的抗拉性能大約是DELGLAS 68835的1.1倍，抗拉性能相近。

3.4 抗扭試驗

3.4.1 試驗方法

文中論述的絕緣緊固件的連接件類型屬于一般的連接件，根據統計規律和汽車行業多年的積累經驗，如果是一般的連接件，靜態力矩一般接近動態力矩。此次采用擰緊力矩法測試絕緣緊固件的力矩。先使用夾具將樣品進行固定；然后用手將螺帽擰緊；最后使用力矩扳手開始測量，每次增加一定的力矩，直到出現斷裂或滑牙現象，并記錄此時的破壞力矩。

3.4.2 試驗結果

測量結果見表3：不同規格及不同材質的絕緣緊固件平均破壞扭力對比。

表3 不同規格及不同材質的絕緣緊固件平均破壞扭力對比 /Nm

由表3可知。

(1) 同規格的絕緣緊固件，抗扭性能由強到弱依次是：DELGLAS 68835、VPI、EPGC202、PEI。

(2) 同規格的絕緣緊固件，VPI和EPGC202的抗扭性能比較接近。

3.5 成 本

為了對絕緣緊固件進行全面的比較，調研市場上不同的廠家的售賣價格，截止目前，以單個M8X50的PEI螺釘的成本為基準，文中所有絕緣緊固件的價格關系如表4所列。

表4 絕緣緊固件的價格對比

由表4可知。

(1) 同規格的絕緣緊固件，單件成本由高到低依次為VPI、EPGC202、DELGLAS 68835、PEI。

(2) M10以上的同規格絕緣緊固件，DELGLAS 68835和PEI價格相近。

3.6 分 析

從抗剪、抗拉、抗扭及成本四個方面對文中的幾種絕緣緊固件進行對比分析，分析結果如下。

(1) PEI為注塑成型，EPGC202、VPI及DELGLAS 68835均為機加成型，在成型方式上，注塑成型的穩定性優于機加成型。

(2) VPI和EPGC202原材料均是環氧玻璃布，但兩者性能差異較大，因為VPI采用的是真空浸膠工藝，相較于EPGC202的常壓浸膠工藝，真空浸膠的氣密性更好，玻璃纖維內部空隙填充更好，所以其性能更優異，但其設備價格較貴，故其成本較高[15]。

3.7 分析總結

文中所列的幾種絕緣緊固件，其電氣性能都比較接近，滿足一般電氣絕緣要求，故關于電氣性能方面的對比，本文不再進行詳細說明。

上述內容主要介紹了PEI、EPGC202、VPI、DELGLAS 68835四種絕緣緊固件的抗剪、抗拉、抗扭的機械性能及成本關系。綜合考慮其機械性能及成本，得出以下結論。

(1) 同規格的DELGLAS 68835機械性能大約是PEI的2倍，M8規格的DELGLAS 68835價格大約是PEI兩倍。對機械性能強度要求不高的連接位置，考慮到其制造成本、機械性能等，建議還是選擇PEI螺釘進行緊固，在滿足裝配要求的同時也能降低成本。

(2) 同規格的DELGLAS 68835機械性能比EPGC202更好、價格更便宜。故EPGC202完全可以被DELGLAS 68835替代，節約成本的同時能更好地保證其連接的可靠性。

(3) 同規格的DELGLAS 68835抗剪切性能約是VPI的1.14倍，抗拉性能約是VPI的0.92倍，性能接近，但價格優勢顯著。故在不同的使用位置，對抗剪或抗拉有不同的側重時，可以使用DELGLAS 68835對VPI進行替換。

4 結 語

文中將絕緣緊固件復雜的受力情況進行分解：從抗剪、抗拉、抗扭三個方面去對比其機械性能。在選擇時，根據實際需求，結合成本，能夠直觀地選擇符合需求的緊固件。但在復雜的工況中，還需借助仿真軟件對緊固件實際受力進行全面的分析，這一點需要具體問題具體分析。且在長期的使用過程中，考慮到非金屬材料面臨的“老化”失效問題，絕緣緊固件雖然是在室內使用，但仍需進一步長期跟蹤其實際運行狀況，研究其壽命老化的評估方法。

隨著時代的發展，越來越多的新材料被開發出來，生產技術的進步也會進一步降低制造成本，故電力系統中絕緣緊固件的開發是一個不斷更新、替換的過程，需要進一步的探索、研究。