謝占山，易 勇，李 慧，王少夫，李忠芳

(安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院;安徽科技學(xué)院財(cái)經(jīng)學(xué)院)

0 引言

球頭掛環(huán)是連接絕緣子與輸電塔的關(guān)鍵部件，其連接的可靠程度關(guān)系到輸電線路的安全;球頭掛環(huán)在入網(wǎng)時(shí)，通過了嚴(yán)格的抽檢試驗(yàn)，即入網(wǎng)時(shí)絕大多數(shù)的球頭掛環(huán)的質(zhì)量是完好的，但是，現(xiàn)實(shí)中運(yùn)行在線路上球頭掛環(huán)卻發(fā)生不少起斷裂的惡性事故［1－5］，如 2007 年 3 月至 2010 年12月，華北電網(wǎng)公司500 kV架空輸電線路先后發(fā)生7次絕緣子球頭掛環(huán)斷裂故障，深思這些事故的原因，不是因?yàn)榍蝾^掛環(huán)不合格，而是因?yàn)榍蝾^掛環(huán)長(zhǎng)期工作在因架空線振動(dòng)帶來的動(dòng)態(tài)載荷下，致使其發(fā)生了疲勞破壞(如圖1－5)，這種事故無先兆，發(fā)生破壞比較隱蔽，隱患在日常運(yùn)行維護(hù)難以消除，而事故后果嚴(yán)重，對(duì)于單串絕緣子直接造成導(dǎo)線落地，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來較大威脅.因此有必要開展球頭掛環(huán)的力學(xué)性能的分析以及壽命評(píng)估的研究［5］.

圖1 托源三線#301塔球頭掛環(huán)斷裂

圖2 沙昌一線#305塔球頭掛環(huán)斷裂

圖3 沙昌二線#95塔球頭掛環(huán)斷裂現(xiàn)場(chǎng)情況

圖4 源安一線球頭掛環(huán)斷裂

圖5 源安二線158#塔球頭掛環(huán)斷裂

1 球頭掛環(huán)的力學(xué)性能的分析

1.1 球頭掛環(huán)的模型的建立

根據(jù)球頭掛環(huán)主要尺寸，見表1，繪制QP－16的3D模型(圖6－7)，同時(shí)根據(jù)制造工藝的不同，在整個(gè)結(jié)構(gòu)的過渡部位，進(jìn)行了適當(dāng)?shù)奶幚恚怪M量的平滑過渡，這與實(shí)際的工件處理相一致.

表1 QP－16球頭掛環(huán)的主要尺寸

1.2 球頭掛環(huán)邊界條件的分析

架空線上的球頭掛環(huán)的下端腳球上橢圓面跟絕緣子的帽窩部位接觸連接，架空線的載荷通過線夾、絕緣子通過帽窩傳遞給球頭掛環(huán)的腳球;而球頭掛環(huán)的上部則UB掛板或者U型螺絲與塔的掛點(diǎn)相連接(如圖8).雖然球頭掛環(huán)的上部圓環(huán)可以沿順線路防線，但是在微風(fēng)橫向風(fēng)載的情況下，其橫向的位移較小，因此在仿真的過程中將整個(gè)內(nèi)環(huán)的面全部約束;導(dǎo)線的微風(fēng)振動(dòng)，導(dǎo)致球頭掛環(huán)上下振動(dòng).在極端天氣情況下，球頭掛環(huán)會(huì)發(fā)生橫向的位移，若球頭掛環(huán)的連接部位不靈活，可能會(huì)受到球帽給予球頸的橫向彎曲載荷(如圖9).

圖6 球頭掛環(huán)實(shí)物圖

圖7 球頭掛環(huán)3D模型

圖8 線路上球頭掛環(huán)連接方式及位置

圖9 球腳在帽窩的中的可能位置［5］

1.3 計(jì)算載荷下靜力學(xué)仿真分析

在球頭掛環(huán)邊界條件分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合QP－16球頭掛環(huán)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表2)，運(yùn)用workbenck軟件進(jìn)行靜態(tài)承載的分析，一般QP－16球頭掛環(huán)所用的材質(zhì)為45#鋼，其彈性模量E=210GPa及泊松比u=0.3.根據(jù)該型球頭掛環(huán)在LGJ－240/30六分裂架空線上浮冰有風(fēng)的載荷可達(dá)58571.42N，在腳球上表面添加該載荷.

表2 球頭掛環(huán)常規(guī)力學(xué)性能［4］

由仿真的結(jié)果分析，在球頭掛環(huán)腳球與腳徑過渡部位應(yīng)力較大，即該處的應(yīng)變也較大(如圖10～12)，那么在交變載荷作用下，理論上會(huì)在這個(gè)部位首先發(fā)生疲勞裂紋.然而，在運(yùn)行的架空線中，腳球在架空線橫向載荷以及其他動(dòng)態(tài)載荷的作用下，其在帽窩中會(huì)發(fā)生傾斜，甚至腳頸受鱉與A點(diǎn)，那么球頭掛環(huán)就會(huì)彎矩的作用，同時(shí)在A也會(huì)發(fā)生摩擦(如圖9)，導(dǎo)致其外表面遭到破壞.故疲勞破壞可能會(huì)在腳頸出球帽的出口處(如圖1～5).

圖10 剖切球頭掛環(huán)連應(yīng)力分布

圖12 球頭掛環(huán)連應(yīng)力分布

圖12 球頭掛環(huán)連應(yīng)變分布

2 球頭掛環(huán)疲勞試驗(yàn)以及壽命曲線擬合

2.1 球頭掛環(huán)的疲勞試驗(yàn)

基于輸電線路球頭掛環(huán)的工況條件，華北電科院高壓所線路組開發(fā)了一套型號(hào)為PWS－500液壓式伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)(如圖13、14)，同時(shí)對(duì)QP－16型球頭掛環(huán)試件施加交變載荷，直到疲勞失效［4］.

對(duì)疲勞破壞的球頭掛環(huán)的試件進(jìn)行分析，由圖15、16試件的斷口可以發(fā)現(xiàn)該斷口具有疲勞破壞的一般特征，該斷口包括疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)失效斷裂區(qū)三部分，且疲勞源區(qū)高低不平，顏色暗淡;擴(kuò)展區(qū)與整個(gè)疲勞破壞的斷面相比較小;瞬時(shí)失效斷裂區(qū)面積較大，且有放射狀擴(kuò)展的形態(tài);在電鏡觀察下球頭掛環(huán)的桿部周向存在大量微裂紋(圖17所示).

圖13 電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)

2.2 球頭掛環(huán)疲勞壽命曲線

運(yùn)用設(shè)計(jì)的疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)QP－16球頭掛環(huán)進(jìn)行5組疲勞實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槠趯?shí)驗(yàn)耗費(fèi)巨大，試驗(yàn)得出疲勞破壞的振幅與次數(shù)見表3.

圖14 球頭掛環(huán)試樣安裝位置圖

圖15 球頭掛環(huán)的疲勞試驗(yàn)的破壞的宏觀形態(tài)

圖16 球頭掛環(huán)的疲勞試驗(yàn)的破壞的裂紋

圖17 球頭掛環(huán)的疲勞試驗(yàn)的破壞的裂紋

表3 QP－16球頭掛環(huán)疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［4］

根據(jù)疲勞實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行冪函數(shù)的擬合，得出的球頭掛環(huán)的疲勞壽命曲線如圖18所示，同時(shí)得出該型號(hào)的球頭掛環(huán)的壽命具體表達(dá)式.

其中y為振動(dòng)幅度;x為振動(dòng)次數(shù).

圖18 QP－16球頭掛環(huán)的疲勞壽命曲線

從擬合的曲線進(jìn)行分析，振幅大，試件發(fā)生疲勞破壞時(shí)的次數(shù)就少，即壽命較短;隨著振幅的減少，試件發(fā)生疲勞破壞時(shí)的次數(shù)就相應(yīng)的增加，即壽命延長(zhǎng);這說明實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)相對(duì)可靠，再個(gè)在從文獻(xiàn)［1、3、4］中對(duì)試件的微觀與宏觀的分析，與線路上發(fā)生疲勞破壞的球頭掛環(huán)的疲勞破壞的特征相一致，也進(jìn)一步的佐證了該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性.

3 球頭掛環(huán)的壽命評(píng)估

3.1 架空線微風(fēng)振動(dòng)數(shù)據(jù)的處理

架空線通過線夾與絕緣子相連，球頭掛環(huán)通過復(fù)合絕緣子的球碗相連，U型螺絲或者UB掛板通過QP掛環(huán)相連，導(dǎo)線振動(dòng)載荷將通過連接處傳遞，由于平均檔距為500 m的架空線，4－6分裂的架空線其重量可達(dá)2～4 t左右，一般風(fēng)載作用下的導(dǎo)線的振動(dòng)產(chǎn)生的振幅，與其導(dǎo)線自重相比較小;倘若在15 m/s風(fēng)速情況，風(fēng)載可達(dá)到其自重的載荷［6］.

架空線在工況下發(fā)生微風(fēng)振動(dòng)時(shí)間占其在線工作時(shí)間居多，然而此時(shí)產(chǎn)生的振幅，不會(huì)使絕緣子或者球頭掛環(huán)處于壓縮狀態(tài)，它們?nèi)耘f處于被拉伸的狀態(tài)，只不過使拉伸載荷產(chǎn)生了一個(gè)變化的范圍.

由文獻(xiàn)［7］計(jì)算的架空線LGJ－400/35微風(fēng)振動(dòng)次數(shù)如表4所示，以及文獻(xiàn)［6］所用的復(fù)合絕緣子為FXBW－500/300，結(jié)合平均檔距為500 m四分裂架空線自重為52449.62 N，參照FXBW－500/300芯棒與芯棒外絕緣套的半徑(芯棒半徑20 mm，外絕緣套厚度為5 mm)以及QP－16球頭掛環(huán)的球頭與復(fù)合絕緣子的接觸面積(這里的接觸面積占整個(gè)腳球上表面面積的60%)等情況，運(yùn)用擬合的公式(1)，進(jìn)行了計(jì)算以及數(shù)據(jù)處理，處理的數(shù)據(jù)見表4、5所示.

3.2 QP－16球頭掛環(huán)的壽命評(píng)估

由于球頭掛環(huán)是架空線的一個(gè)重要的連接部件，加之球頭掛環(huán)的疲勞破壞屢次發(fā)生，且其疲勞破壞較為隱蔽，所有有必要對(duì)其進(jìn)行壽命評(píng)估，本節(jié)在上一節(jié)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Miner理論進(jìn)行評(píng)估，這是因?yàn)榧芸站€由于振動(dòng)產(chǎn)生的載荷，對(duì)球頭掛環(huán)的沖擊較小.其疲勞使用系數(shù)見表6、7 所示.

表4 球頭掛環(huán)的振動(dòng)次數(shù)與振動(dòng)幅值［6－7］

表5 球頭掛環(huán)的振動(dòng)次數(shù)與振動(dòng)幅值

表6 球頭掛環(huán)疲勞使用系數(shù)

表7 球頭掛環(huán)疲勞使用系數(shù)

經(jīng)計(jì)算所得疲勞使用系數(shù)的和∑ =0.374705，而1/∑ =2.668769，近似為3年;實(shí)際球頭掛環(huán)工作在一個(gè)變化的拉伸載荷下，而非一個(gè)交變載荷，故可將球頭掛環(huán)的壽命延長(zhǎng)至6年;鑒于此在架空線上的QP－16球頭掛環(huán)需要6年進(jìn)行抽檢或者更換，對(duì)于那些工作在風(fēng)口處的球頭掛環(huán)，宜三年進(jìn)行抽檢，特別是進(jìn)行靜載拉力試驗(yàn).若其破壞載荷低于70% －65%SLM，應(yīng)及時(shí)更換.

4 結(jié)束語

在計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，完成了QP－16球頭掛環(huán)的建模與仿真工作，給出了靜態(tài)載荷下球頭掛環(huán)的受力數(shù)值仿真，為使用軟件研究球頭掛環(huán)的動(dòng)態(tài)特性奠定了基礎(chǔ)，也為生產(chǎn)廠家了解壓接部位受力分布以及生產(chǎn)工藝改進(jìn)具有一定的意義;同時(shí)基于疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用擬合方法，得出了球頭掛環(huán)的壽命函數(shù)的表達(dá)式，將計(jì)算的架空線動(dòng)態(tài)載荷，代入了壽命計(jì)算公式，完成了球頭掛環(huán)的壽命評(píng)估，并給出了球頭掛環(huán)的檢修時(shí)間，為球頭掛環(huán)定期抽檢提供了參考.

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