張九凡
(三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院,湖北宜昌 443000)
由于大氣環(huán)境的影響,特別是在沿海地區(qū)或者環(huán)境惡劣的工業(yè)區(qū),輸電線路金具經(jīng)常產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象,長期的銹蝕將導(dǎo)致輸電線路金具的機(jī)械性能和力學(xué)性能下降,而且對(duì)輸電線路的可靠性造成了一定影響[1‐3]。
球頭掛環(huán)作為輸電線路中關(guān)鍵的承力金具,一般用于架空導(dǎo)地線和桿塔懸掛點(diǎn)的連接,其可靠性對(duì)輸電線路有重要意義[4]。由于大氣環(huán)境的影響,球頭掛環(huán)往往會(huì)出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象,尤其是球頭與桿端連接處以及掛環(huán)與桿端連接處[5]。
本研究選取的球頭掛環(huán)型號(hào)為Q‐7,標(biāo)準(zhǔn)破壞荷載為70 kN,驗(yàn)算工況荷載為46.7 kN。球頭掛環(huán)Q‐7實(shí)物如圖1(a)所示,材質(zhì)為熱鍍鋅鋼。球頭掛環(huán)Q‐7的有限元模型如圖1(b)所示。采用實(shí)體單元模擬,單元尺寸按1.5mm大小進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
為了準(zhǔn)確模擬球頭掛環(huán)Q‐7的實(shí)際受力狀態(tài),其所受荷載按球頭掛環(huán)與U型掛環(huán)接觸面積范圍進(jìn)行加載,數(shù)值按球頭掛環(huán)破壞荷載70 kN等效的均布荷載施加。在下端球頭與瓷瓶接觸面施加約束,限制其變形。加載及邊界條件如圖1(c)所示。在破壞荷載下,球頭掛環(huán)Q‐7最大應(yīng)力約為516 MPa,最大應(yīng)力出現(xiàn)在桿端與球頭連接部位,其次出現(xiàn)在掛環(huán)內(nèi)側(cè)兩邊、掛環(huán)下端與桿端連接處。
圖1 球頭掛環(huán)Q‐7實(shí)物、有限元模式及約束條件
相應(yīng)地,球頭掛環(huán)在破壞荷載下,以上部位的材料出現(xiàn)了少量的塑性應(yīng)變,截面局部進(jìn)入了塑性。這些部位也是球頭掛環(huán)的薄弱部位,有必要考慮以上部位發(fā)生銹蝕后構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)。
根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果,針對(duì)極限狀態(tài)下出現(xiàn)塑性應(yīng)變的部位,設(shè)置三種球頭掛環(huán)銹蝕的情況進(jìn)行分析:掛環(huán)內(nèi)測(cè)兩邊發(fā)生銹蝕;掛環(huán)下端與桿端連接處發(fā)生銹蝕;桿端與球頭連接部位發(fā)生銹蝕。銹蝕部分采用殺死銹蝕單元的方式進(jìn)行移除。銹蝕深度最大約為1.5 mm。
1.2.1 掛環(huán)內(nèi)側(cè)兩邊發(fā)生銹蝕
圖2銹蝕前后的應(yīng)力圖和塑性應(yīng)變。銹蝕發(fā)生后,構(gòu)件軸向變形最大約為2.274 mm(銹蝕前約為2.146 mm)。
圖2 掛環(huán)內(nèi)側(cè)兩邊
1.2.2 掛環(huán)下端與桿端連接處發(fā)生銹蝕
圖3為掛環(huán)下端與桿端連接處銹蝕前后的應(yīng)力、應(yīng)變情況。銹蝕發(fā)生后,構(gòu)件軸向變形最大約為2.24 mm(銹蝕前約為2.146 mm)。
圖3 掛環(huán)下端與桿端連接處
1.2.3 桿端與球頭連接部位發(fā)生銹蝕
圖4為桿端與球頭連接部位發(fā)生銹蝕的局部應(yīng)力、應(yīng)變情況。銹蝕發(fā)生后,構(gòu)件軸向變形最大約為2.198 mm(銹蝕前約為2.146 mm)。
圖4 桿端與球頭連接部位
以上三種銹蝕情況中,掛環(huán)下端與桿端連接處發(fā)生銹蝕影響最為明顯,桿端與球頭連接部位發(fā)生銹蝕影響相對(duì)較小。
(1)球頭掛環(huán)應(yīng)力集中部位一般為截面尺寸處。一旦這些部位發(fā)生銹蝕,對(duì)球頭掛環(huán)破壞荷載的降低有非常明顯的影響。
(2)掛環(huán)下端與桿端連接處發(fā)生銹蝕對(duì)球頭掛環(huán)的影響最顯著,球頭與桿端連接部位發(fā)生銹蝕對(duì)球頭掛環(huán)影響較小。
(3)考慮到金具的安全系數(shù)(最大使用荷載情況不應(yīng)小于2.5,斷線、斷聯(lián)、驗(yàn)算情況不應(yīng)小于1.5),實(shí)際金具受到的荷載約為破壞荷載的40%~66%。分別按破壞荷載和驗(yàn)算工況計(jì)算,后者構(gòu)件絕大部分單元處于彈性狀態(tài),發(fā)生銹蝕后進(jìn)入塑性程度有限。
(4)根據(jù)金具的一般尺寸,發(fā)生深度為1 mm以內(nèi)的銹蝕,金具的強(qiáng)度降低不超過20%,構(gòu)件變形增加有限,對(duì)金具構(gòu)件的安全運(yùn)行影響不明顯。因此,在日常巡檢中,應(yīng)注意實(shí)際金具銹蝕的范圍和殘余剖面面積不超過相關(guān)要求,以免影響金具正常使用。