CN114427055A - 铝合金材料、导电排及其蠕变剩余寿命的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种铝合金材料、导电排及其蠕变剩余寿命的计算方法。铝合金材料包括：铝元素、硼元素、锆元素和稀土元素，其中硼元素的含量小于或者等于0.025％，锆元素的含量小于或者等于0.2％，稀土元素的含量小于或者等于0.15％。本发明实施例通过设置硼元素含量实现了晶粒细化，提高了铝合金力学性能和导电率；通过设置锆元素含量提高了铝合金的抗应力腐蚀等性能；通过设置稀土元素含量提高了铝合金的高温蠕变性能，并降低了铝合金中的氧化夹杂等。由此可见，本发明实施例能够增强导电排用铝合金的导电及抗蠕变性能，有利于缓解甚至是解决现有铝合金导电排长期使用后由材料蠕变引发的循环连锁式的连接区域失效问题。
Description
技术领域
本发明实施例涉及输配电技术领域，尤其涉及一种铝合金材料、导电排及其蠕变剩余寿命的计算方法。
背景技术
作为一种大电流导电产品，导电连接排，也即导电排，在高低压电器、开关触头、配电设备及母线槽等工程实际中应用广泛。
目前，在电能传输细分领域内，高导电率的T2紫铜是导电排的首选材质。与T2紫铜相比，虽然铝合金的导电率偏低，但其兼具高比强、低成本等诸多优势。基于此，通过铝合金导电排对铜导电排进行替代，正被所涉行业逐渐接受。
然而，现有的铝合金导电排在自重、紧固和输电发热等工况下进行长期应用容易产生蠕变，即铝合金导电排在低于弹性极限的恒应力下所产生的应变随时间的延长而增加。产生蠕变后的导电排的连接处会产生空隙，进而使得导电排的电阻增大，因此，铝合金导电排的连接区域存在“连接松动-发热量高-变形加大-连接松动-发热量增多-烧毁”的循环连锁式的失效问题，并最终导致导电排连接处的异常高温、松脱、熔断甚至发生火灾。
发明内容
本发明实施例提供一种铝合金材料、导电排及其蠕变剩余寿命的计算方法，以增强导电排用铝合金的导电及抗蠕变性能，有利于缓解甚至是解决铝合金导电排长期使用后由材料蠕变引发的循环连锁式的连接区域失效问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种铝合金材料，包括：铝元素、硼元素、锆元素和稀土元素，其中所述硼元素的含量小于或者等于0.025％，所述锆元素的含量小于或者等于0.2％，所述稀土元素的含量小于或者等于0.15％。
可选地，其中所述硼元素的含量大于或者等于0.015％，所述锆元素的含量大于或者等于0.1％，所述稀土元素的含量大于或等于0.05％。
可选地，还包括：硅元素、镁元素、铁元素、铜元素和钛元素；
其中，所述硅元素的含量大于或者等于0.5％且小于或者等于0.7％，所述镁元素的含量大于或者等于0.4％且小于或者等于0.5％，所述铁元素的含量大于或者等于0.3％且小于或者等于0.5％，所述铜元素的含量大于或者等于0.08％且小于或者等于0.15％，所述钛元素的含量大于或者等于0.08％且小于或者等于0.12％。
第二方面，本发明实施例还提供了一种铝合金材料的制备方法，包括：
准备多种制备原料；其中，所述制备原料的比例由第一方面所述的铝合金材料中的元素含量确定；
选用保护气体将精炼剂吹入熔炼铝液并搅拌，后静置第一预设时长；
把精炼铝液倒入连铸机中轧制出连铸坯，在均热炉中保温第二预设时长后送入热连轧机组中轧制成型，获得所述铝合金材料。
第三方面，本发明实施例还提供了一种导电排，采用第一方面所述的铝合金材料。
第四方面，本发明实施例还提供了一种连接系统，包括至少两个第二方面所述的导电排，还包括紧固螺栓、与所述紧固螺栓匹配使用的紧固螺母以及碟簧；所述导电排包括过孔，所述紧固螺栓贯穿至少两个所述导电排的所述过孔，各所述导电排在所述紧固螺栓的螺栓头与所述紧固螺母之间；所述碟簧设置在所述紧固螺栓的螺栓头与最靠近所述螺栓头的所述导电排之间，以及设置在所述紧固螺母与最靠近所述紧固螺母的导电排之间。
第五方面，本发明实施例还提供了一种导电排蠕变剩余寿命的计算方法，所述计算方法包括：
根据蠕变性能试验，构建稳态蠕变速率本构方程；
根据碟簧瞬态下压负载与紧固螺栓轴向预紧力确定工况应力；
根据所述稳态蠕变速率本构方程、碟簧瞬态下压量、所述工况应力和工况温度确定所述导电排蠕变剩余寿命。
可选地，所述根据蠕变性能试验，构建稳态蠕变速率本构方程，包括：
在不同预设工况应力和不同预设温度下进行蠕变性能试验，并基于诺顿方程得到不同预设工况应力、不同预设温度下对应的多个稳态蠕变速率；
根据多个所述稳态蠕变速率和所述诺顿方程确定所述稳态蠕变速率本构方程。
可选地，所述在不同预设工况应力和不同预设温度下进行蠕变性能试验，并基于诺顿方程得到不同预设工况应力、不同预设温度下对应的多个稳态蠕变速率，包括：
基于诺顿方程，确定工况温度不变时的第一应力指数；
根据所述第一应力指数和所述诺顿方程，确定不同预设应力下对应的稳态蠕变速率；
基于诺顿方程，确定工况应力不变时的第一蠕变激活能；
根据所述第一蠕变激活能和所述诺顿方程，确定不同预设温度下对应的稳态蠕变速率；
所述根据多个所述稳态蠕变速率确定稳态蠕变速率本构方程，包括：
根据各所述稳态蠕变速率确定所述诺顿方程中的应力指数和蠕变激活能，以得到所述稳态蠕变速率本构方程。
可选地，所述根据碟簧瞬态下压负载与紧固螺栓轴向预紧力确定所述工况应力，包括：
根据碟簧参数、碟簧瞬态下压量、碟簧最大下压量和修正系数计算所述碟簧瞬态下压负载；
根据紧固螺栓扭矩、紧固螺栓的螺纹公称直径和拧紧力矩系数计算所述紧固螺栓轴向预紧力；
在所述碟簧瞬态下压负载与所述紧固螺栓轴向预紧力相差小于或等于设定值时，将所述碟簧瞬态下压负载与所述紧固螺栓轴向预紧力的均值确定为所述工况应力。
可选地，所述根据碟簧瞬态下压负载与紧固螺栓轴向预紧力确定所述工况应力，还包括：
在所述碟簧瞬态下压负载与所述紧固螺栓轴向预紧力相差大于设定值时，改变所述紧固螺栓扭矩，并返回所述根据紧固螺栓扭矩、紧固螺栓的螺纹公称直径和拧紧力矩系数计算紧固螺栓轴向预紧力的步骤。
本发明实施例提供了一种铝合金材料、导电排及其蠕变剩余寿命的计算方法，铝合金材料包括铝元素、硼元素、锆元素和稀土元素，其中硼元素的含量小于或者等于0.025％，锆元素的含量小于或者等于0.2％，稀土元素的含量小于或者等于0.15％。由此可见，通过设置该铝合金材料内的硼元素含量，本发明实施例能够细化晶粒，在提高铝合金力学性能的基础上提高铝合金的导电率；通过设置锆元素的含量能够有效提高铝合金的再结晶温度、断裂韧性和抗应力腐蚀性能等；通过设置稀土元素的含量能够减缓扩散过程，降低位错攀移的速率，进而提高铝合金的高温蠕变性能，并改善铝合金的组织细化、流动性能、力学性能以及降低合金中的氧化夹杂等。综上所述，本发明实施例能够增强导电排用铝合金的导电及抗蠕变性能，有利于缓解甚至是解决现有铝合金导电排长期使用后由材料蠕变引发的循环连锁式的连接区域失效问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种铝合金材料的制备方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种连接系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种导电排蠕变剩余寿命的计算方法的流程图；
图4是本发明实施例提供的另一种导电排蠕变剩余寿命的计算方法的流程图；
图5是本发明实施例提供的又一种导电排蠕变剩余寿命的计算方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明实施例提供了一种铝合金材料，该铝合金材料包括铝元素、硼元素、锆元素和稀土元素，其中硼元素的含量小于或者等于0.025％，锆元素的含量小于或者等于0.2％，稀土元素的含量小于或者等于0.15％。
其中，铝合金是以铝(Al)为主要材料的合金总称，Al元素是铝合金材料的基础性元素。可知地，稀土元素是指元素周期表第Ⅲ族副族元素中钪(Sc)、钇(Y)和镧系元素的合称。可以理解的是，组成稀土元素的元素数量为17，具体而言，稀土元素包括镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)以及Sc和Y。
可知地，在导电用铝合金中加入微量的硼(B)元素不仅能够起到晶粒细化的作用，还能在提升铝合金力学性能的同时，提高铝合金的导电率，其原因在于：B元素在铝液中会生成AlB12和/或AlB2，并可以与铝液中固溶状态的杂质元素反应析出密度较大的硼化物沉淀，例如钒(V)元素和铬(Cr)元素等，从而有效降低了杂质元素的含量，有利于提高铝合金的电导率。可以理解的是，当B元素含量过低时，铝合金的力学性能及导电率难以满足导电排的实际应用需求，基于此，本实施例对B元素的质量百分比的下限值进行设置，可选地，硼元素的含量大于或者等于0.015％。
除此之外，当B元素含量过高时，晶界增多至一定程度后，电子散射的几率会适应性增加，与此同时，过量的B元素固溶在铝基体中，将增大晶格的畸变程度，反而会降低铝合金的电导率。基于此，本实施例综合考虑铝合金材料的力学性能和电导率，将B元素的质量百分比的上限值控制在0.025％。综上，示例性地，B元素的含量可以优选设定为0.02％。
可知地，锆(Zr)元素能够有效提高铝合金的再结晶温度，无论是热变形还是冷变形，在热处理后均可得到未再结晶组织，此外，Zr元素还能提高铝合金的断裂韧性以及抗应力腐蚀性能等。因此，本实施例综合考虑铝合金的工程应用场景，将Zr元素的质量百分比的上限值控制在0.2％。此外，可选地，Zr元素的含量大于或者等于0.1％，即本实施例将Zr元素的质量百分比的下限值控制在0.1％。由此，示例性地，Zr元素的含量可以优选设定为0.15％。
可知地，稀土元素在铝合金中的具有较高的固溶度，该特性能够使稀土元素在铝合金中起到固溶强化作用，减缓扩散过程，降低位错攀移的速率，进而提高铝合金的高温抗蠕变性能。除此之外，稀土元素还对铝合金的组织细化、流动性能、力学性能以及降低铝合金中的氧化夹杂等方面具有显著的改善作用。由此，综合考虑铝合金的工程应用场景，本实施例将稀土元素的质量百分比的上限值控制在0.15％，具体来说，示例性地，稀土元素可以仅包含Ce元素和Nd元素，其中，Ce元素的质量百分比的上限值控制在0.05％，Nd元素的质量百分比的上限值控制在0.1％。另外，可选地，稀土元素的含量大于或等于0.05％，也即本实施例将稀土元素的质量百分比的下限值控制在0.05％。基于此，示例性地，稀土元素的含量可以优选设定为0.1％。
本发明实施例所提供的铝合金材料包括铝元素、硼元素、锆元素和稀土元素，其中硼元素的含量小于或者等于0.025％，锆元素的含量小于或者等于0.2％，稀土元素的含量小于或者等于0.15％。由此可知，通过设置该铝合金材料内的硼元素含量，本发明实施例能够细化晶粒，在提高铝合金力学性能的基础上提高铝合金的导电率；通过设置锆元素的含量能够有效提高铝合金的再结晶温度、断裂韧性和抗应力腐蚀性能等；通过设置稀土元素的含量能够减缓扩散过程，降低位错攀移的速率，进而提高铝合金的高温抗蠕变性能，并改善铝合金的组织细化、流动性能、力学性能以及降低合金中的氧化夹杂等。综上所述，本发明实施例能够增强导电排用铝合金的导电及抗蠕变性能，有利于缓解甚至是解决现有铝合金导电排长期使用后由材料蠕变引发的循环连锁式的连接区域失效问题。
在上述各实施例的基础上，本发明实施例还提供了另一种铝合金材料。该铝合金材料还包括硅元素、镁元素、铁元素、铜元素和钛元素。
其中，硅元素的含量大于或者等于0.5％且小于或者等于0.7％，镁元素的含量大于或者等于0.4％且小于或者等于0.5％，铁元素的含量大于或者等于0.3％且小于或者等于0.5％，铜元素的含量大于或者等于0.08％且小于或者等于0.15％，钛元素的含量大于或者等于0.08％且小于或者等于0.12％。
可知地，硅(Si)元素的主要作用是提高铝合金的抗蠕变性能和延展性，并且促发其合金材料反弹性小，柔韧性好，以及弯曲半径小等，Si元素的上限值及下限值分别为0.7％和0.5％。这样设置的原因在于，在Si元素含量过低时，铝合金的抗蠕变性能和延展性较差，难以与导电排的输配电工况相契合；而过量的Si元素则会明显增大铝合金的电阻率，影响铝合金的导电性。示例性地，本实施例可以将Si元素的质量百分比优选控制在0.6％。
可知地，镁(Mg)元素是铝合金的主要强化元素，Mg元素与Si元素可以形成弥散均匀分布在铝合金组织结构中的Mg2Si相，起到弥散强化作用，有利于提高铝合金材料在高温下的力学性能。在保证Mg元素与Si元素的重量比满足Mg/Si<1.73的情况下，Mg元素的含量越高，铝合金的力学性能越好。基于此，本实施例对Mg元素的质量百分比的下限值进行设置，该下限值为0.4％。
然而，Mg元素的含量并非越高越好，当Mg元素过多时，晶粒数量增加，晶界增多。在晶界面上，原子排列从一个取向过渡到另一个取向，晶界处原子排列处于过渡状态，导电通路在晶界处的连续性会受到影响，最终表现为铝合金材料导电性能的下降。由此，本实施例对Mg元素的质量百分比的上限值进行设置，该上限值为0.5％。综上，示例性地，Mg元素的含量可以优选设定为0.45％。
可知地，在铝合金中，铁(Fe)元素与Al元素、Si元素会生成针状或板状的硬脆相，损坏铝基体的连续性，进而降低铝合金的力学性能。此外，由于Fe元素周围容易产生应力集中，因而Fe元素含量过高会引起铝合金疲劳裂纹甚至是断裂。基于此，本实施例对Fe元素的质量百分比的上限值进行设置，该上限值为0.5％。可以理解的是，适量的Fe元素可以在一定程度上改善铝合金的抗蠕变性能，且对铝合金的导电率影响较小，因此，综合考虑铝合金的力学性能、抗蠕变性能和导电率，本实施例对Fe元素的质量百分比的下限值进行设置，该下限值为0.3％。示例性地，Fe元素的含量可以优选设定为0.4％。
可知地，铜(Cu)元素与Al元素及其他合金元素能够形成富Cu化合物和沉淀相，例如Al2Cu、Al2CuMg等，该富Cu化合物和沉淀相可以提高铝合金的室温和/或高温抗蠕变性能。当Cu元素的含量过低时，铝合金的抗蠕变性能会适应性降低，基于此，本实施例对Cu元素的质量百分比的下限值进行设置，该下限值为0.08％。
除此以外，当Cu元素的含量过高时，由于Cu元素的电极电位高于Al元素，因而上述两种元素所形成的腐蚀电偶将严重影响铝合金的耐蚀性能，尤其是以Cu的化合物形式存在的Cu元素的耐蚀性能最差。同时，Cu元素含量过高还会造成铝合金工艺性能的下降。基于此，综合考虑铝合金的抗蠕变性能、耐蚀性和工艺性能，本实施例对Cu元素的质量百分比的上限值进行设置，该上限值为0.15％。示例性地，Cu元素的含量可以优选设定为0.12％。
可知地，钛(Ti)元素的主要作用是细化晶粒，减少铸锭的柱状晶组织，提高铝合金的再结晶温度，降低过饱和固溶体的分解倾向，维持铝合金高温下的组织稳定，并改善铝合金性能。另外，Zr元素和Ti元素的同时加入会显著改善细化铸态的晶粒。
当Ti元素的含量过低时，高温状态下的铝合金难以维持组织稳定，不利于提高铝合金性能。基于此，本实施例对Ti元素的质量百分比的下限值进行设置，该下限值为0.08％。此外，当Ti元素含量过高时，粗大针状晶体TiAl3化合物会使铝合金的耐热性和导电性有所降低。因此，综合考虑铝合金的组织稳定性、耐热性和导电性，本实施例对Ti元素的质量百分比的上限值进行设置，该上限值为0.12％。示例性地，Ti元素的含量可以优选设定为0.1％。
需要说明的是，铝合金材料中不可避免地会掺杂一些其他杂质，其他杂质的含量小于或等于0.1％。铝合金材料中除硼元素、锆元素、稀土元素、硅元素、镁元素、铁元素、铜元素、钛元素和杂质元素之外剩余均为铝元素。
还需说明的是，本发明各实施例中，元素的含量可以指元素的质量百分比。
综上所述，通过设置该铝合金材料内的硅元素含量，本发明实施例能够提高铝合金的抗蠕变性能及延展性，并且促发其合金材料反弹性小，柔韧性好，弯曲半径小；通过设置镁元素的含量能够提高铝合金材料在高温下的力学性能；通过设置铁元素的含量能够改善铝合金的抗蠕变性能，平衡铝合金的力学性能、抗蠕变性能及导电率；通过设置铜元素的含量能够提高铝合金的室温和/或高温抗蠕变性能，平衡铝合金的抗蠕变性能、耐蚀性和工艺性能；通过设置钛元素的含量能够细化晶粒，减少铸锭的柱状晶组织，提高铝合金的再结晶温度，降低过饱和固溶体的分解倾向，保障铝合金高温下的组织稳定，平衡铝合金的稳定性、耐热性和导电性。由此可见，本发明实施例能够有效增强导电排用铝合金的导电及抗蠕变性能，有利于缓解甚至是解决现有铝合金导电排长期使用后由材料蠕变引发的循环连锁式的连接区域失效问题。
在上述各实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种铝合金材料的制备方法。图1是本发明实施例提供的一种铝合金材料的制备方法的流程图，如图1所示，该铝合金材料的制备方法具体包括如下步骤：
S110、准备多种制备原料。
其中，S110是配比备料步骤，制备原料的比例由本发明任意实施例所提供的铝合金材料中的元素含量确定。示例性地，铝合金材料包括Al元素、Mg元素、Cu元素以及Zr元素等。相应地，一种或多种制备原料中需要包括Al元素、Mg元素、Cu元素以及Zr元素等。可以理解的是，制备原料中除了包含本发明实施例提供的铝合金材料的必需元素，还包括杂质元素。由于不同制备原料内含有的元素种类及含量不尽相同，在制备原料的种类确定后，各制备原料中的元素含量已知，根据拟制备的铝合金材料中的元素含量就能确定制备原料的比例。在其他实施例中，制备原料还可以是高纯度金属材料、含有多种元素的合金材料等，示例性地，制备原料可以包括高纯Al、高纯Mg、中间合金Al-50Cu以及Al-4.85Zr等。
S120、选用保护气体将精炼剂吹入熔炼铝液并搅拌，后静置第一预设时长。
其中，S120是铝液精炼步骤；保护气体可以但不限于是高纯氮气，例如还可以是惰性气体等。可知地，精炼剂兼具清渣作用，主要用于清除熔炼铝液内部的氢和浮游的氧化夹渣，以使熔炼铝液趋于纯净，精炼剂可以但不限于通过喷射机吹入熔炼铝液。可以理解的是，第一预设时长可以根据铝合金材料的实际制备条件进行适应性调整，本发明实施例对此不进行限制，例如可以是15～18min。
示例性地，在S120所述的铝液精炼过程中，精炼剂的吹送压力是0.1～0.2MPa，精炼剂使用量约占铝合金总量的4％～6％，精炼温度控制在700～740℃，精炼时长维持在10～12min。
可知地，熔炼铝液是指制备原料经高温熔炼后产生的熔融状铝液。
基于此，在一些实施例中，在S120之前还包括原料熔炼过程，例如可以是在预设温度范围内，对制备原料进行熔炼，获得熔炼铝液；其中，预设温度范围可以是720～760℃，这样设置的原因在于，熔炼温度过低容易产生夹渣，不利于后续精炼分离，相反地，熔炼温度过高会加剧合金氧化，以及加大氢气溶解度。另外，在原料熔炼过程中，液面氧化漂浮物也需及时进行清除，以便后续精炼。
可以理解的是，为了保证如S120所述铝液精炼过程中熔炼铝液内的各元素含量符合铝液精炼标准，在另一些实施例中，在原料熔炼过程之后，以及执行S120之前，还包括成分检测步骤。示例性地，成分检测步骤包括，在预设温度范围内对熔炼铝液取样，以对熔炼铝液的成分含量进行分析；根据成分含量的分析结果，判断是否返回S110，以重新准备多种制备原料，直至成分含量的分析结果合格。可知地，本发明实施例可以但不限于通过光谱仪对熔炼铝液的成分含量进行分析。
S130、把精炼铝液倒入连铸机中轧制出连铸坯，在均热炉中保温第二预设时长后送入热连轧机组中轧制成型，获得铝合金材料。
其中，S130是连铸连轧步骤，精炼铝液是指熔炼铝液经铝液精炼过程后的高纯度铝液，第二预设时长可以根据铝合金材料的实际制备条件进行适应性改变，本发明实施例对此不进行限制。示例性地，在S130中，浇包铝水温度控制在700～740℃，入轧温度控制在480～520℃，终轧温度是300度，浇注冷却水温度控制在25～30温，压力为0.3MPa，轧机速度控制在8～9m/s。
由此可见，本发明实施例能够制备出兼具优异导电及抗蠕变性能的铝合金材料，通过应用由该铝合金材料制成的导电排，有利于缓解甚至是解决现有铝合金导电排长期使用后由材料蠕变引发的循环连锁式的连接区域失效问题。
需要说明的是，S120所述的铝液精炼过程示例性采用了熔剂精炼法，并不作为对本发明的限定。
在上述各实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种导电排，采用本发明任意实施例所提供的铝合金材料。
可知地，由于本发明实施例提供的铝合金材料兼具优越的抗蠕变性能、耐蚀性、工艺性能、耐热性、力学性能以及导电率等特性，因而本实施例所提供的铝合金导电排也适应性具备上述特性。
综上所述，与现有T2紫铜导电排相比，本发明实施例所提供的铝合金导电排的比强更高，成本更低廉；与现有铝合金导电排相比，本发明实施例所提供的铝合金导电排具备良好的导电性，以及优异的抗蠕变性能，能够有效缓解甚至是解决现有铝合金导电排长期使用后由材料蠕变引发的循环连锁式的连接区域失效问题。
在上述各实施例的基础上，图2是本发明实施例提供的一种连接系统的结构示意图。如图2所示，该连接系统包括本发明任意实施例所提供的导电排104，还包括紧固螺栓101、与紧固螺栓101匹配使用的紧固螺母105以及碟簧102；导电排104包括过孔，紧固螺栓101贯穿至少两个导电排104的过孔，各导电排104在紧固螺栓101的螺栓头与紧固螺母105之间；碟簧102设置在紧固螺栓101的螺栓头与最靠近螺栓头的导电排104之间，以及设置在紧固螺母105与最靠近紧固螺母105的导电排104之间。
其中，继续参见图2，在最靠近紧固螺栓101的螺栓头的碟簧102和最靠近紧固螺栓101的螺栓头的导电排104之间，以及最靠近紧固螺母105的碟簧102和最靠近紧固螺母105的导电排104之间各设置有一平垫圈103。可以理解的是，平垫圈103用于保护导电排104的表面，防止紧固螺母105及螺栓头划伤导电排104，分散紧固螺母105对导电排104的压力，降低紧固螺母105和紧固螺栓101松脱风险。
可知地，紧固螺栓101和紧固螺母105用于夹紧各碟簧102、平垫圈103以及导电排104。
另外，碟簧102是指碟形弹簧。可知地，碟簧102具有补偿作用，具体可以用于克服热胀冷缩、机械振动以及介质压力变化等因素导致的预紧力反复改变，使预紧力保持稳定，防止紧固螺栓101疲劳和平垫圈103失效。可以理解的是，图2示例性示出了碟簧102的数量为2，但不作为对本发明的限定，例如碟簧102的数量可以是4、6或8等。
由此可见，本发明实施例通过增强导电排用铝合金的导电及抗蠕变性能，使得采用该铝合金材料制成的导电排兼具良好的导电性和优良的抗蠕变性能，进而能够降低包括该铝合金导电排的连接系统在自重、紧固和输电发热等工况下进行长期应用产生蠕变的概率，有利于缓解甚至是解决现有铝合金导电排长期使用后由材料蠕变引发的循环连锁式的连接区域失效问题。
在导电排的实际应用过程中，发明人发现，因材料蠕变引发的导电排故障或失效所需的时间计算机制及方法亟待补充，目前尚无能够有效衡量导电排设计可靠性的导电排蠕变剩余寿命的计算方法。
有鉴于此，在上述各实施例的基础上，本发明实施例还提供一种导电排蠕变剩余寿命的计算方法，图3是本发明实施例提供的一种导电排蠕变剩余寿命的计算方法的流程图，本实施例可适用于任意材质和型号的导电排的蠕变剩余寿命计算场景，例如铜导电排、铝合金导电排等，该方法可以但不限于由本发明实施例中的导电排蠕变剩余寿命的计算装置作为执行主体来执行，该执行主体可以采用软件和/或硬件的方式实现。如图3所示，该导电排蠕变剩余寿命的计算方法具体包括如下步骤：
S210、根据蠕变性能试验，构建稳态蠕变速率本构方程。
其中，蠕变性能试验是指在某一温度下，试样在某一应力作用下的形变性能试验；蠕变性能试验的实现途径可以是通过任一种蠕变试验机，例如机械式或电子式蠕变试验机；蠕变性能试验的次数可以是一次或多次。
可知地，本构方程是指能够反映物质宏观性质的数学模型；材料的蠕变过程一般需要经历减速蠕变、稳态蠕变以及加速蠕变三个过程，其中稳态蠕变时间最长，并决定着材料的服役寿命。由此可知，稳态蠕变速率本构方程是指能够反映稳态蠕变过程中材料宏观性质的数学模型。
S220、根据碟簧瞬态下压负载与紧固螺栓轴向预紧力确定工况应力。
其中，碟簧瞬态下压负载是指碟簧承受的瞬时负荷，紧固螺栓轴向预紧力是指紧固螺栓在安装扭矩下的瞬态预紧力，工况应力是指在连接工况下导电排所受的应力。
S230、根据稳态蠕变速率本构方程、碟簧瞬态下压量、工况应力和工况温度确定导电排蠕变剩余寿命。
其中，碟簧瞬态下压量是指碟簧承受瞬时负荷时所产生的形变量，可以等价于导电排的蠕变量。另外，工况温度是指导电排连接处的温度。
本发明实施例通过蠕变性能试验构建了稳态蠕变速率本构方程，并根据碟簧瞬态下压负载与紧固螺栓轴向预紧力确定了工况应力，进而基于稳态蠕变速率本构方程、碟簧瞬态下压量、工况应力和工况温度确定了导电排蠕变剩余寿命。由此可见，本发明实施例能够填补当前导电排故障或失效时间难以估算的技术空缺，依据本发明实施例确定的导电排蠕变剩余寿命，电网作业人员可以在导电排松脱、熔断等失效问题产生前及时对导电排进行更换，有利于提高电网输配电的可靠性。
在上述各实施例的基础上，以下对稳态蠕变速率本构方程的具体构建方法进行说明，但不作为对本发明的限定。图4是本发明实施例提供的另一种导电排蠕变剩余寿命的计算方法的流程图，如图4所示，该导电排蠕变剩余寿命的计算方法具体包括如下步骤：
S310、在不同预设工况应力和不同预设温度下进行蠕变性能试验，并基于诺顿方程得到不同预设工况应力、不同预设温度下对应的多个稳态蠕变速率。
其中，不同预设工况应力和不同预设温度是指不同工况下的预设应力值和温度值。
可知地，诺顿方程如式(1.1)所示：
式中，
是稳态蠕变速率，σ是工况应力，n是应力指数，Qc是蠕变激活能，R是摩尔气体常数，T是工况温度，A是材组参数，与导电排的材料成分及组织结构相关。
对式(1.1)等号两边取对数，可得式(1.2)：
具体而言，可选地，上述步骤310可以包括：
(1)、基于诺顿方程，确定工况温度不变时的第一应力指数。
其中，第一应力指数是指工况温度不变时的应力指数。
根据式(1.2)可知，当工况温度不变时，lnA-Qc/RT为常数，假设其为C1，则式(1.2)可变形为式(1.3)，式(1.3)如下：
式中，n1是第一应力指数。
由式(1.3)可知，
和lnσ呈线性关系，并且斜率即为第一应力指数n1，第一应力指数n1的表达式可由式(1.3)求导推得，具体如下：
(2)、根据第一应力指数和诺顿方程，确定不同预设应力下对应的稳态蠕变速率。
其中，在第一应力指数确定后，由于诺顿方程中仅包含稳态蠕变速率和工况应力两个变量，因而通过设定工况应力等于不同预设应力就能够对应获知对应的稳态蠕变速率。
(3)、基于诺顿方程，确定工况应力不变时的第一蠕变激活能。
其中，第一蠕变激活能是指工况应力不变时的蠕变激活能。
根据式(1.2)可知，当工况应力不变时，lnA+nlnσ为常数，令其为C2，则式(1.2)可简化为：
式中，Qc1是第一蠕变激活能。
由式(1.5)可知，
和1/T呈线性关系，并且斜率为-Qc1/R，第一蠕变激活能Qc1的表达式也可由式(1.3)求导推得，具体如下：
(4)、根据第一蠕变激活能和诺顿方程，确定不同预设温度下对应的稳态蠕变速率。
其中，在第一蠕变激活能确定后，由于诺顿方程中仅包含稳态蠕变速率和工况温度两个变量，因而通过设定工况温度等于不同预设温度就能够对应获知对应的稳态蠕变速率。
除此以外，在试验的温度和应力条件下，继续参见式(1.2)，将已知各变量参数推广至蠕变过程，则
和
呈线性关系，能够得出纵截距lnA。
S320、根据多个稳态蠕变速率和诺顿方程确定稳态蠕变速率本构方程。
其中，多个稳态蠕变速率是指不同预设应力下对应的稳态蠕变速率，以及不同预设温度下对应的稳态蠕变速率。
可选地，稳态蠕变速率本构方程的具体获取方法是，根据各稳态蠕变速率确定诺顿方程中的应力指数和蠕变激活能，以得到稳态蠕变速率本构方程。
可以理解的是，诺顿方程中的应力指数和蠕变激活能的确定方法可以但不限于是回归分析法。
S330、根据碟簧瞬态下压负载与紧固螺栓轴向预紧力确定工况应力。
S340、根据稳态蠕变速率本构方程、碟簧瞬态下压量、工况应力和工况温度确定导电排蠕变剩余寿命。
本发明实施例通过不同预设工况应力和温度下的蠕变性能试验，确定了稳态蠕变速率本构方程中的相关参数，进而得到了稳态蠕变速率本构方程，并最终确定了导电排蠕变剩余寿命。该方法能够填补当前导电排故障或失效时间难以估算的技术空缺，依据本发明实施例确定的导电排蠕变剩余寿命，电网作业人员可以在导电排松脱、熔断等失效问题产生前及时对导电排进行更换，有利于提高电网输配电的可靠性。
在上述各实施例的基础上，以下对工况应力的具体确定方法进行说明，但不作为对本发明的限定。图5是本发明实施例提供的又一种导电排蠕变剩余寿命的计算方法的流程图，如图5所示，该导电排蠕变剩余寿命的计算方法具体包括如下步骤：
S410、在不同预设工况应力和不同预设温度下进行蠕变性能试验，并基于诺顿方程得到不同预设工况应力、不同预设温度下对应的多个稳态蠕变速率。
S420、根据多个稳态蠕变速率和诺顿方程确定稳态蠕变速率本构方程。
S430、根据碟簧参数、碟簧瞬态下压量、碟簧最大下压量和修正系数计算碟簧瞬态下压负载。
其中，碟簧参数可以但不限于包括碟簧弹性模量、碟簧泊松比、碟簧厚度、碟簧外径、无支承面碟簧压平时的变形量、碟簧直径比和碟簧内径等。
继续参见图2，可知地，碟簧瞬态下压负载F与碟簧瞬态下压量f的关系式如式(2.1)所示：
式中，E是碟簧弹性模量，μ是碟簧泊松比，t是碟簧厚度，K1是第一计算系数，D是碟簧外径，K2是第二计算系数，h0是无支承面碟簧压平时的变形量；K1和K2可以统称为修正系数。
假设碟簧为无支承面碟簧，则K2等于1，K1的表达式如式(2.2)所示：
式中，C是碟簧直径比，其数值大小为D与碟簧内径d的比值，即C＝D/d。
对于如M6、M8、M12等具体等级的碟簧而言，其E、μ、t、K1、h0、D、d和C均为定值。因此，式(2.1)可以简化为式(2.3)：
F＝af3+bf2+cf (2.3)
式中，a、b和c均为常数。
此外，碟簧最大下压量是指碟簧下压量的最大值，也即碟簧锁紧时的下压量。当碟簧的具体等级确定时，碟簧最大下压量已知，此时，将碟簧最大下压量代入碟簧瞬态下压量f，则根据式(2.3)计算得到的碟簧瞬态下压负载F为碟簧锁紧时的承受负荷。
S440、根据紧固螺栓扭矩、紧固螺栓的螺纹公称直径和拧紧力矩系数计算紧固螺栓轴向预紧力。
其中，紧固螺栓轴向预紧力是指，连接系统在承受工作载荷前，为增强各连接件间连接的可靠性和紧密性，防止承受工作载荷后各连接件间出现缝隙或相对滑移而预先加在紧固螺栓上的力。
根据经验可知，紧固螺栓扭矩和紧固螺栓轴向预紧力之间的关系式如式(3.1)所示：
T’＝KF’D’ (3.1)
式中，T’是紧固螺栓扭矩，单位为N·m；K是拧紧力矩系数，又称螺母摩擦系数，示例性地，常用镀锌螺栓的拧紧力矩系数取0.22；F’是紧固螺栓轴向预紧力，单位为N；D’是紧固螺栓的螺纹公称直径，单位为mm。
可知地，当紧固螺栓的具体等级确定时，螺纹公称直径和拧紧力矩系数均为已知量。基于此，根据式(3.1)可知，紧固螺栓扭矩和紧固螺栓轴向预紧力成比例，通过调整紧固螺栓扭矩就能够实现对紧固螺栓轴向预紧力的调节。示例性地，紧固螺栓扭矩可以通过扭矩扳手进行设定和调整。
S450、在碟簧瞬态下压负载与紧固螺栓轴向预紧力相差小于或等于设定值时，将碟簧瞬态下压负载与紧固螺栓轴向预紧力的均值确定为工况应力。
其中，根据连接系统的实际受力情况可知，碟簧瞬态下压负载与紧固螺栓轴向预紧力理论上能够保持一致。基于此，当碟簧瞬态下压负载与紧固螺栓轴向预紧力相差小于或等于设定值时，说明碟簧瞬态下压负载和紧固螺栓轴向预紧力基本一致，根据经验公式确定的紧固螺栓轴向预紧力精度较高，能够满足实际需求。此时，工况应力取为碟簧瞬态下压负载与紧固螺栓轴向预紧力的平均值，能够保证工况应力的精度。
可知地，设定值可以是任意百分数，该设定值可以根据导电排蠕变剩余寿命的计算精度进行适应性改变，本发明实施例对此不进行限制。示例性地，设定值可以是10％、3％或1％等，本实施例可以将设定值优选设置为5％。
S460、在碟簧瞬态下压负载与紧固螺栓轴向预紧力相差大于设定值时，改变紧固螺栓扭矩，并返回根据紧固螺栓扭矩、紧固螺栓的螺纹公称直径和拧紧力矩系数计算紧固螺栓轴向预紧力的步骤。
其中，碟簧瞬态下压负载与紧固螺栓轴向预紧力相差大于设定值，则说明碟簧瞬态下压负载和紧固螺栓轴向预紧力不一致且差别较大，此时，根据经验公式确定的紧固螺栓轴向预紧力精度偏低，难以满足实际需求。因此，需要适应性调整紧固螺栓扭矩，直至紧固螺栓轴向预紧力与碟簧瞬态下压负载相差小于或等于设定值，以保证工况应力的精度，进而保证导电排蠕变剩余寿命的确定精度。可以理解的是，返回根据紧固螺栓扭矩、紧固螺栓的螺纹公称直径和拧紧力矩系数计算紧固螺栓轴向预紧力的步骤的次数可以是一次或多次。
S470、根据稳态蠕变速率本构方程、碟簧瞬态下压量、工况应力和工况温度确定导电排蠕变剩余寿命。
本发明实施例所提供的导电排的导电排蠕变剩余寿命与稳态蠕变速率本构方程、碟簧瞬态下压量、工况应力和工况温度的具体关系如式(4.1)所示：
式中，t’是导电排蠕变剩余寿命；ε是导电排蠕变量，其数值大小与碟簧瞬态下压量相等；其中，稳态蠕变速率本构方程中的A、n及Qc均能求得。
可知的，将前述获取的碟簧瞬态下压量和工况应力，以及工况温度带入式(4.1)，即可确定导电排蠕变剩余寿命。
综上所述，本发明实施例根据碟簧参数、碟簧瞬态下压量、碟簧最大下压量和修正系数计算了碟簧瞬态下压负载；根据紧固螺栓扭矩、紧固螺栓的螺纹公称直径和拧紧力矩系数计算了紧固螺栓轴向预紧力；在碟簧瞬态下压负载与紧固螺栓轴向预紧力相差小于或等于设定值时，将碟簧瞬态下压负载与紧固螺栓轴向预紧力的均值确定为工况应力；在碟簧瞬态下压负载与紧固螺栓轴向预紧力相差大于设定值时，通过改变紧固螺栓扭矩，并再次或多次根据紧固螺栓扭矩、紧固螺栓的螺纹公称直径和拧紧力矩系数计算紧固螺栓轴向预紧力，直至碟簧瞬态下压负载与紧固螺栓轴向预紧力相差小于或等于设定值。由此可见，本发明实施例在填补当前导电排故障或失效时间难以估算的技术空缺的基础上，还能保证工况应力的确定精度，有利于进一步提高导电排蠕变剩余寿命的确定精度。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (11)
1.一种铝合金材料，其特征在于，包括：铝元素、硼元素、锆元素和稀土元素，其中所述硼元素的含量小于或者等于0.025％，所述锆元素的含量小于或者等于0.2％，所述稀土元素的含量小于或者等于0.15％。
2.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，其中所述硼元素的含量大于或者等于0.015％，所述锆元素的含量大于或者等于0.1％，所述稀土元素的含量大于或等于0.05％。
3.根据权利要求1所述的铝合金材料，其特征在于，还包括：硅元素、镁元素、铁元素、铜元素和钛元素；
其中，所述硅元素的含量大于或者等于0.5％且小于或者等于0.7％，所述镁元素的含量大于或者等于0.4％且小于或者等于0.5％，所述铁元素的含量大于或者等于0.3％且小于或者等于0.5％，所述铜元素的含量大于或者等于0.08％且小于或者等于0.15％，所述钛元素的含量大于或者等于0.08％且小于或者等于0.12％。
4.一种铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括：
准备多种制备原料；其中，所述制备原料的比例由权利要求1-3任一项所述的铝合金材料中的元素含量确定；
选用保护气体将精炼剂吹入熔炼铝液并搅拌，后静置第一预设时长；
把精炼铝液倒入连铸机中轧制出连铸坯，在均热炉中保温第二预设时长后送入热连轧机组中轧制成型，获得所述铝合金材料。
5.一种导电排，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的铝合金材料。
6.一种连接系统，其特征在于，包括至少两个权利要求5所述的导电排，还包括紧固螺栓、与所述紧固螺栓匹配使用的紧固螺母以及碟簧；所述导电排包括过孔，所述紧固螺栓贯穿至少两个所述导电排的所述过孔，各所述导电排在所述紧固螺栓的螺栓头与所述紧固螺母之间；所述碟簧设置在所述紧固螺栓的螺栓头与最靠近所述螺栓头的所述导电排之间，以及设置在所述紧固螺母与最靠近所述紧固螺母的导电排之间。
7.一种导电排蠕变剩余寿命的计算方法，其特征在于，所述计算方法包括：
根据蠕变性能试验，构建稳态蠕变速率本构方程；
根据碟簧瞬态下压负载与紧固螺栓轴向预紧力确定工况应力；
根据所述稳态蠕变速率本构方程、碟簧瞬态下压量、所述工况应力和工况温度确定所述导电排蠕变剩余寿命。
8.根据权利要求7所述的导电排蠕变剩余寿命的计算方法，其特征在于，所述根据蠕变性能试验，构建稳态蠕变速率本构方程，包括：
在不同预设工况应力和不同预设温度下进行蠕变性能试验，并基于诺顿方程得到不同预设工况应力、不同预设温度下对应的多个稳态蠕变速率；
根据多个所述稳态蠕变速率和所述诺顿方程确定所述稳态蠕变速率本构方程。
9.根据权利要求8所述的导电排蠕变剩余寿命的计算方法，其特征在于，
所述在不同预设工况应力和不同预设温度下进行蠕变性能试验，并基于诺顿方程得到不同预设工况应力、不同预设温度下对应的多个稳态蠕变速率，包括：
基于诺顿方程，确定工况温度不变时的第一应力指数；
根据所述第一应力指数和所述诺顿方程，确定不同预设应力下对应的稳态蠕变速率；
基于诺顿方程，确定工况应力不变时的第一蠕变激活能；
根据所述第一蠕变激活能和所述诺顿方程，确定不同预设温度下对应的稳态蠕变速率；
所述根据多个所述稳态蠕变速率确定稳态蠕变速率本构方程，包括：
根据各所述稳态蠕变速率确定所述诺顿方程中的应力指数和蠕变激活能，以得到所述稳态蠕变速率本构方程。
10.根据权利要求7所述的导电排蠕变剩余寿命的计算方法，其特征在于，所述根据碟簧瞬态下压负载与紧固螺栓轴向预紧力确定所述工况应力，包括：
根据碟簧参数、碟簧瞬态下压量、碟簧最大下压量和修正系数计算所述碟簧瞬态下压负载；
根据紧固螺栓扭矩、紧固螺栓的螺纹公称直径和拧紧力矩系数计算所述紧固螺栓轴向预紧力；
在所述碟簧瞬态下压负载与所述紧固螺栓轴向预紧力相差小于或等于设定值时，将所述碟簧瞬态下压负载与所述紧固螺栓轴向预紧力的均值确定为所述工况应力。
11.根据权利要求10所述的导电排蠕变剩余寿命的计算方法，其特征在于，所述根据碟簧瞬态下压负载与紧固螺栓轴向预紧力确定所述工况应力，还包括：
在所述碟簧瞬态下压负载与所述紧固螺栓轴向预紧力相差大于设定值时，改变所述紧固螺栓扭矩，并返回所述根据紧固螺栓扭矩、紧固螺栓的螺纹公称直径和拧紧力矩系数计算紧固螺栓轴向预紧力的步骤。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220503 |
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