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        盤形懸式絕緣子鋼腳球頭斷裂及其尺寸優(yōu)化的有限元分析

        2022-02-26 08:35:34繆春輝王萬里王若民陳國宏李堅林湯文明
        電瓷避雷器 2022年1期
        關鍵詞:球頭圓角頭頸部

        繆春輝,王萬里,王若民,陳國宏,李堅林,湯文明

        (1.國網安徽省電力有限公司電力科學研究院,合肥 230601;2.合肥工業(yè)大學材料科學與工程學院,合肥 230009;3.國網安徽省電力有限公司,合肥 230061)

        0 引 言

        2018年初,安徽省遭遇大范圍雨雪冰凍災害天氣,皖南地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)凍雨、低溫和大風氣象,導致多起絕緣子掉串、掉線等輸電事故的發(fā)生。盤形懸式瓷絕緣子鋼腳的斷裂是造成上述輸電事故的主要原因之一,其斷裂方式為球頭部位的脆性疲勞斷裂(圖1)[1]。盤形懸式絕緣子由鐵帽、鋼腳和瓷件組成,金具和絕緣件之間用水泥膠合,在高壓架空輸配電線路中起到電氣絕緣和機械支撐作用,其設計一般基于實踐經驗[2-3]。鋼腳球頭與鐵帽腕頭接觸部位作為主要承載部位,當絕緣子串受到風力作用,產生橫向擺動,從而鋼腳球頭部位常承受交變應力作用。若球頭頸部過渡圓角半徑過小,曲率過大,將會引起局部應力集中過大,絕緣子鋼腳所承受的交變載荷增大,導致鋼腳球頭的疲勞失效[4]。因此,在不明顯改變絕緣子鋼腳尺寸的前提下,通過對鋼腳球頭部位的外形尺寸進行修正,降低鋼腳球頭承載應力,提高鋼腳的疲勞壽命,提高輸電線路盤形懸式絕緣子串運行可靠性,具有十分重要的意義。

        圖1 瓷絕緣子鋼腳球頭部位的疲勞斷口形貌Fig.1 Fatigue fracture morphology of the steel pin ball of the porcelain insulator

        采用有限元軟件,模擬研究服役過程中絕緣子鋼腳球頭部位的應力狀態(tài),分析早期疲勞斷裂的原因,并根據模擬結果對絕緣子鋼腳球頭進行尺寸優(yōu)化,以降低鋼腳球頭的承載應力。

        1 建 模

        選擇應用廣泛的機械強度為160 kN的盤形懸式絕緣子鋼腳與鐵帽裝配體開展有限元分析。選擇該裝配體的原因是盡量符合服役時鋼腳球頭部位的承載狀態(tài),從而得到更準確的模擬結果。根據相關標準[5-6],鋼腳與鐵帽腕頭的連接尺寸如圖2所示。為了避免在模擬過程中出現(xiàn)由于幾何關系,在求解應力函數時出現(xiàn)裝配體局部應力無窮大的奇異狀態(tài),將裝配體簡化為旋轉對稱模型[7-9]。使用UG軟件進行建模,如圖3所示。建好后的模型導入到ANSYS Workbench軟件中。鋼腳材質為調質態(tài)45鋼,鐵帽(腕頭)材質為可鍛鑄鐵,相關材料參數見表1[10-11]。

        圖2 盤形懸式絕緣子鋼腳與腕頭裝配尺寸Fig.2 Mounting dimensions of the steel pin and socket of the cap and pin type suspension insulator

        圖3 鋼腳-腕頭裝配體建模Fig.3 Modeling status of the steel pin and socket assembly

        表1 相關材料參數Table1 Main properties of the related materials

        2 靜力學分析

        2.1 設置接觸

        為了模擬球頭與腕頭之間的接觸狀態(tài)且防止有限元分析過程中接觸部位無意義的相對滑動,在ANSYS Workbench中將接觸類型設置為摩擦接觸(Frictional contact)。根據JB/T 9677-1999[5]、JB/T 8178-1999[12]、JB/T 8177-1999[13],鋼腳與鐵帽表面應進行熱鍍鋅處理,且鋼腳與鐵帽的鍍鋅層厚度應不低于35 μm與60 μm。因此,將鋼腳球頭與鐵帽腕頭的接觸看作鋅-鋅接觸,摩擦系數設置為0.6,如圖4所示。

        圖4 裝配體的接觸狀態(tài)Fig.4 Contact status of the steel pin and socket assembly

        2.2 網格劃分

        為了提高網格劃分的準確性及軟件求解效率,網格類型選用四面體單元,最大網格尺寸設置為0.3 mm,在球頭過渡圓角以及球頭與腕頭接觸面處設置局部網格細化[14]。網格劃分結果如圖5所示,節(jié)點數為406 537個,單元數為276 996個。

        圖5 裝配體的網格劃分Fig.5 Meshing of the steel pin and socket assembly

        2.3 約束與加載方式

        在裝配體底部(圖6中箭頭1)施加固定約束,頂部(圖6中箭頭2)施加沿軸向的均布拉伸載荷,載荷大小選定為國標規(guī)定破壞載荷的60%(安全系數n=1.67),即96 kN[15]。

        圖6 裝配體的約束與加載方式Fig.6 Constraint and loading method of the steel pin and socket assembly

        2.4 求 解

        經過建模、劃分網格、定義載荷和約束后,進行求解,得到絕緣子鋼腳球頭與腕頭裝配體等效應力云圖,如圖7所示。從圖7中可以看出,在球頭過渡圓角部位存在應力集中現(xiàn)象,最大應力值達到535 MPa。根據GB/T 699-2015,鋼腳用材45鋼經調質處理后的屈服強度不低于355 MPa,抗拉強度不低于600 MPa[16]??梢姡撃_在96 kN載荷狀態(tài)下,球頭頸部的最大應力雖未達到45鋼的極限強度,但已很接近該鋼的屈服強度,甚至有可能超過該鋼的屈服強度。特別是在某些極限環(huán)境下,如導線覆冰舞動[17-20],鋼腳球頭部位承受的應力集中更大,導致鋼腳發(fā)生疲勞斷裂,造成輸電線路中絕緣子的掉串事故。

        圖7 裝配體的等效應力云圖Fig.7 Equivalent stress contours of the steel pin and socket assembly

        3 球頭尺寸優(yōu)化設計

        為了探索球頭過渡圓角半徑(r)在靜力學分析上的最優(yōu)解,在UG中將其從r=3.5 mm開始,每隔0.5 mm取值進行建模。同時,將腕頭與球頭接觸部位的尺寸做出相應調整后進行裝配,并導入ANSYS Workbench軟件中。在劃分網格、定義載荷和約束后進行求解,部分尺寸下球頭部位的等效應力云圖,如圖8所示。可見,加載過程中隨著r的增加,球頭頸部的最大應力逐漸減小(圖8中箭頭1所示),球頭與腕頭接觸部位的應力逐漸增大(圖8中箭頭2所示)。如圖9所示,球頭與腕頭接觸面積隨r增大而持續(xù)降低,導致了接觸部位應力增大。

        圖8 不同尺寸下鋼腳球頭處等效應力云圖Fig.8 The equivalent stress contours ofthe steel pinballs of different r values

        圖9 球頭-腕頭接觸面積與過渡圓角半徑之間的關系Fig.9 Plotof the contact area vs. r

        球頭頸部以及球頭與腕頭接觸部位的最大應力隨r變化曲線如圖10所示。當r=16.9 mm時,二者相等。若r繼續(xù)增大,則過渡圓角處應力緩慢下降,而球頭-腕頭接觸部位應力急劇上升。

        圖10 球頭頸部及接觸部位的最大應力與過渡圓角半徑的關系Fig.10 Plots of the maximum stresses at the ball neck and the contact area vs.r,respectively

        根據數值分析方法,在球頭頸部最大應力-r曲線的兩端(圖10中箭頭1、2)各作一條切線,求得交點的橫坐標為r=7.1 mm,重新建模,導入ANSYS Workbench中求解,其等效應力云圖如圖11所示。該模型在球頭頸部處的最大應力為415 MPa,較目前鋼腳產品采用的r=3.5 mm時球頭頸部處的最大應力(535 MPa)下降120 MPa。

        圖11 球頭過渡圓角半徑r=7.1 mm時的等效應力云圖Fig.11 Equivalent stress contours as r=7.1 mm

        根據表2的結果,鋼腳球頭過渡圓角半徑r優(yōu)化前后,鋼腳頸部最大應力下降幅度達22.4%,而鋼腳質量僅增大了1.18 g。另外,本次優(yōu)化后鋼腳頂部至帽窩底部距離未變,因此有限元優(yōu)化前后絕緣子的總長度不變,不會影響輸電線路盤形懸式絕緣子串的整體結構。

        表2 優(yōu)化前后鋼腳相關參數的對比Table 2 Comparison of the related parameters of steel pins with and without optimization

        4 結 論

        對國內常用的強度等級為160 kN的盤形懸式絕緣子鋼腳的連接球頭與鐵帽腕頭裝配體UG建模后,導入ANSYS Workbench軟件,在施加96 kN的軸向載荷條件下,進行球頭頸部及球頭腕頭接觸部位所受應力的分析。據此,對鋼腳球頭過渡圓角半徑進行優(yōu)化。得到以下結論:

        1)在該載荷下,盤形懸式絕緣子鋼腳的球頭過渡圓角處存在大的應力集中,最大應力可達535 MPa,甚至超出45鋼調質處理后的屈服強度,在極限天氣下(如導線覆冰舞動),鋼腳球頭部位可能會在大的循環(huán)應力作用下發(fā)生疲勞斷裂。

        2)通過對球頭過渡圓角的優(yōu)化,結合數值分析方法,得到過渡圓角半徑的最優(yōu)值為7.1 mm。此時,鋼腳質量僅增加了1.18 g,但鋼腳球頭頸部的最大應力則下降了22.4%,可顯著提高輸電線路盤形懸式絕緣子串運行的可靠性。

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