高義波，金燮飛，錢科，錢苗

（國(guó)家電力器材產(chǎn)品安全性能質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，浙江 杭州 310015）

鋁及鋁合金標(biāo)準(zhǔn)試棒高溫承載性能試驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)

高義波，金燮飛，錢科，錢苗

（國(guó)家電力器材產(chǎn)品安全性能質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，浙江 杭州 310015）

本文針對(duì)電力金具鋁及鋁合金標(biāo)準(zhǔn)拉伸試棒的力學(xué)性能特點(diǎn)，研發(fā)了一套“20kN+300℃+1000h”鋁及鋁合金標(biāo)準(zhǔn)試棒高溫承載性能試驗(yàn)系統(tǒng)，用于測(cè)試鋁及鋁合金類材料在“機(jī)械負(fù)載+恒定高溫+長(zhǎng)時(shí)間”條件下的強(qiáng)度損失，獲得高溫承載性能；為考核電力金具高溫承載性能提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，為提高架空輸電線路安全可靠的運(yùn)行提供了有效技術(shù)手段。

耐熱；電力金具；鋁及鋁合金；標(biāo)準(zhǔn)拉伸試棒；高溫；試驗(yàn)系統(tǒng)

為研究輸電線路電力金具的高溫承載性能，有意識(shí)地開始研究并制定金具高溫承載性能試驗(yàn)研究的構(gòu)想，依據(jù)電力金具的實(shí)際工作狀態(tài)和原材料特點(diǎn)，自主研發(fā)了一套用于研究鋁及鋁合金標(biāo)準(zhǔn)試棒高溫承載性能的智能試驗(yàn)系統(tǒng)，得到金具材料在不同高溫環(huán)境下的強(qiáng)度變化情況。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)GB/T 228-2002《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》、GB/T 4338-2006《金屬材料 高溫拉伸試驗(yàn)方法》和GB/T 2039-1997《金屬拉伸蠕變及持久試驗(yàn)方法》的相關(guān)技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了鋁及鋁合金標(biāo)準(zhǔn)試棒高溫承載性能試驗(yàn)系統(tǒng)，用于測(cè)試輸電線路懸垂線夾及耐張線夾類材料在 “機(jī)械負(fù)載+恒定高溫+長(zhǎng)時(shí)間”條件下的強(qiáng)度損失，獲得高溫承載性能。高溫箱位于上下夾頭之間，高溫箱的上下兩面開有φ50mm的通孔，便于上下拉桿通過。試樣通過螺紋聯(lián)接的方式與上下拉桿配合，載荷通過上拉桿施加。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 載荷無法保持穩(wěn)定

高溫承載性能的測(cè)試必須保證整個(gè)試驗(yàn)過程中試樣承受的載荷穩(wěn)定可靠，由于試驗(yàn)需要長(zhǎng)時(shí)間地將試樣穩(wěn)定保持在一定的載荷，所以要求控制系統(tǒng)對(duì)載荷的控制能力較高。特別對(duì)于升溫階段，控制系統(tǒng)能對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的綜合熱膨脹做出迅捷、準(zhǔn)確的補(bǔ)償動(dòng)作，在短時(shí)間內(nèi)保證載荷恢復(fù)到試驗(yàn)要求水平。這就需要根據(jù)試驗(yàn)所需的加載速度和保持載荷，對(duì)控制器的PID參數(shù)進(jìn)行精確地調(diào)整。

無論在載荷提升階段還是在載荷保持階段，實(shí)際載荷都圍繞著目標(biāo)值進(jìn)行大幅波動(dòng)，波動(dòng)最大時(shí)偏離目標(biāo)值約有20%。若采用此套PID參數(shù)，則試驗(yàn)機(jī)無法穩(wěn)定地保持試驗(yàn)載荷。

結(jié)合試驗(yàn)中的典型加載速度和載荷保持值，在試驗(yàn)過程中對(duì)試驗(yàn)機(jī)的PID參數(shù)進(jìn)行了反復(fù)調(diào)整和匹配，最終得到了平穩(wěn)的加載曲線和載荷保持曲線，達(dá)到了試驗(yàn)要求。在調(diào)整到理想PID參數(shù)時(shí)的調(diào)試曲線，試驗(yàn)機(jī)的實(shí)際載荷約在達(dá)到目標(biāo)值的15s之后與目標(biāo)值完全保持一致，其載荷波動(dòng)小于10N。調(diào)試結(jié)果表明，測(cè)試系統(tǒng)采用了與其相適應(yīng)的載荷動(dòng)態(tài)保持系統(tǒng)后，可以獲得最為穩(wěn)定的載荷保持效果，滿足對(duì)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試棒的高溫承載性能試驗(yàn)要求。

2.2 負(fù)荷傳感器工作溫度過高

本試驗(yàn)系統(tǒng)的負(fù)荷傳感器采用S型拉力傳感器，傳感器作為測(cè)量負(fù)荷最為關(guān)鍵的器件，傳感器最高使用溫度為60℃。而為使結(jié)構(gòu)緊湊，將傳感器的位置設(shè)置在試驗(yàn)機(jī)的中橫梁上（上拉頭），由此造成傳感器距離高溫箱的通孔較接近，直接受到高溫的影響，從而影響傳感器的工作精度和可靠性。

如圖1（a）所示，當(dāng)高溫箱內(nèi)溫度為200℃時(shí)，通過紅外成像測(cè)溫儀的測(cè)試，傳感器的溫度達(dá)到了92℃（此時(shí)環(huán)境溫度僅為20℃），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其最高使用溫度。溫度過高原因主要有兩點(diǎn)：一是夾具與高溫箱上方的通孔之間有一定的間隙，熱量通過對(duì)流的方式傳遞至傳感器造成其溫度的升高；二是由于傳感器與夾具直接相連，而夾具下端又完全伸入高溫箱內(nèi)，所以熱量通過熱傳導(dǎo)的方式傳遞至傳感器處造成其溫度的升高。針對(duì)上述兩個(gè)原因，采取了以下兩個(gè)措施。

（1）在夾具與高溫箱上方的通孔之間填塞了耐高溫棉，阻斷了熱對(duì)流的通道，通過紅外成像測(cè)溫儀的測(cè)試，此時(shí)傳感器部分的溫度已降到57℃（如圖1（b）所示，環(huán)境溫度為20℃，高溫箱內(nèi)溫度為200℃）。

圖1 拉力傳感器的紅外成像照片

（2）設(shè)計(jì)了一種液冷散熱裝置，將此液冷散熱裝置安裝在傳感器與夾具之間，利用液體循環(huán)進(jìn)行散熱，有效地降低了通過傳導(dǎo)方式傳遞至傳感器的熱量。

在同時(shí)采取上述兩種措施后，通過紅外成像測(cè)溫儀的測(cè)試，傳感器的溫度降為15℃，此溫度已經(jīng)遠(yuǎn)低于傳感器的最高使用溫度。若將高溫箱的溫度升至280℃（環(huán)境溫度仍為15℃），并保持此溫度5h之后，液冷裝置的溫度為16.0℃，而傳感器部分的溫度僅為15.2℃，仍保持一個(gè)較低的溫度。說明在加裝了液冷散熱裝置后，保證了由其采集的力值具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

同時(shí)借助了有限元分析軟件對(duì)散熱器的散熱效率進(jìn)行了評(píng)估，根據(jù)試驗(yàn)所用極限溫度，設(shè)計(jì)了散熱器的液體流道，估算了液體的流動(dòng)速度，優(yōu)化了散熱器的結(jié)構(gòu)。最終在結(jié)構(gòu)定型后，其仿真分析的基本參數(shù)設(shè)定為：散熱器材質(zhì)為不銹鋼；環(huán)境溫度為22℃；高溫箱內(nèi)溫度為200℃；周圍空氣為靜止；流道壁與冷卻液體對(duì)流換熱系數(shù)為2000W/（m2·℃），即冷卻液為較緩地流動(dòng)。

在散熱器底部，溫度高達(dá)193℃，接近高溫箱內(nèi)部溫度，而在散熱器頂部，即與傳感器相連接部分的溫度僅為25℃，散熱器的降溫效果非常理想。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行

通過反復(fù)調(diào)試和改進(jìn)，成功研制了一套“機(jī)械負(fù)載+恒定高溫+長(zhǎng)時(shí)間”綜合智能試驗(yàn)系統(tǒng)（WD/ G-20），由電子伺服萬能試驗(yàn)機(jī)、熱風(fēng)循環(huán)高溫箱、傳感器液冷散熱裝置、控制計(jì)算機(jī)及配套程序和鋁合金拉伸試棒專用夾具組成。

試驗(yàn)系統(tǒng)的基本性能參數(shù)如下。

表1給出了WD/G-20高溫承載性能試驗(yàn)系統(tǒng)的基本性能參數(shù)。

表1 高溫承載性能試驗(yàn)系統(tǒng)的基本性能參數(shù)表

4 結(jié)語

研制的“20kN+300℃+400h”鋁及鋁合金標(biāo)準(zhǔn)試棒高溫承載性能試驗(yàn)系統(tǒng)，具有精確的載荷動(dòng)態(tài)保持系統(tǒng)和液體冷卻的傳感器散熱裝置，保證在長(zhǎng)時(shí)間的高溫承載試驗(yàn)過程中能夠安全穩(wěn)定地工作，基本上覆蓋了所有類型鋁及鋁合金電力器材的高溫承載性能測(cè)試，獲得了輸電線路用鋁及鋁合金金具關(guān)于工作溫度、運(yùn)行時(shí)間及機(jī)械載荷三者之間的連續(xù)對(duì)應(yīng)關(guān)系。由此關(guān)系所建立的關(guān)于鋁及鋁合金電力金具在高溫下的承載性能和預(yù)計(jì)壽命數(shù)據(jù)庫，為電力部門提供了輸電線路電力金具的高溫運(yùn)行設(shè)計(jì)參數(shù)，為生產(chǎn)企業(yè)提供了輸電線路電力金具的高溫試驗(yàn)場(chǎng)所和試驗(yàn)裝置。不僅提高了電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性，而且?guī)?dòng)了企業(yè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提升了相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)業(yè)層次。

[1]GB 50545-2010. 110～750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.中國(guó)計(jì)劃出版社，2010.

[2]GB/T 228.1-2010，金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法[S].中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[3]GB/T 2317.1-2008 電力金具試驗(yàn)方法 第1部分：機(jī)械試驗(yàn)[S].中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).中國(guó)計(jì)劃出版社，2010.

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1671-0711（2016）12（上）-0091-02