井 謙， 胡文歧， 張長征， 劉志強(qiáng)， 何遠(yuǎn)華， 彭 靜， 劉于新， 危 鵬

(西安高壓電器研究院股份有限公司，西安710077)

0 引言

空心瓷絕緣子是高壓電器的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于各種電壓等級變電設(shè)備，具有良好的物理化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、電氣和機(jī)械性能[1-4]。常用于變壓器、斷路器、電容器、互感器、避雷器和電纜終端等電氣設(shè)備，需要長期承受各種機(jī)械負(fù)載[5-6]?？招拇山^緣子組裝在電氣設(shè)備后有可能承受的彎曲應(yīng)力包括端部機(jī)械負(fù)荷、內(nèi)壓力、短路負(fù)荷、覆冰負(fù)荷、操作負(fù)荷、風(fēng)負(fù)荷、地震負(fù)荷等[7]，在這些因素的綜合影響下，空心瓷絕緣子受力情況復(fù)雜。從理論上來說，隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，目前主流水平的瓷件大多是由高強(qiáng)度瓷質(zhì)構(gòu)成，其穩(wěn)定性和致密性很高，燒成工藝采用計(jì)算機(jī)程序控制，空心瓷絕緣子的抽樣試驗(yàn)結(jié)果往往優(yōu)于技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)，空心瓷絕緣子出現(xiàn)安全事故的概率應(yīng)該是比較小的，但實(shí)際中卻時(shí)有發(fā)生意外。

近年來，多地發(fā)生空心瓷絕緣子在安裝或運(yùn)行過程中斷裂或爆炸，由此引起的各種電網(wǎng)事故嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性和可靠性，特別是當(dāng)空心瓷絕緣子發(fā)生粉碎性爆炸引發(fā)的二次事故問題更是有可能造成重大的安全事故。影響斷裂的因素較多，大部分情況下對斷裂的原因溯源分析并不容易，尤其是粉碎性爆炸常常難以直接找到關(guān)鍵的佐證。雖然抽樣試驗(yàn)的破壞強(qiáng)度會(huì)高于額定彎曲強(qiáng)度，但由于生產(chǎn)工藝的波動(dòng)導(dǎo)致產(chǎn)品的破壞值存在一定的波動(dòng)性和分散性。

基于上述背景，利用動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T23752-2009，研究分析空心瓷絕緣子分別在彎曲負(fù)荷、內(nèi)壓力負(fù)荷及兩者聯(lián)合作用下應(yīng)力和應(yīng)變變化規(guī)律。

1 動(dòng)態(tài)應(yīng)變測試方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀：設(shè)備型號為DH8302，量程±100 000 με，電壓示值誤差為0.05%F.S，溫漂小于0.05 με/℃，時(shí)漂小于1 με/天，16通道。采用1/4橋測量，設(shè)置采樣頻率為1 000 Hz，應(yīng)變片電阻120.1±0.1 Ω，靈敏系數(shù)K=2.14±1%。

大型彎扭試驗(yàn)機(jī)型號為WNW-200，最大彎矩700 kN·m，最大扭矩40 kN·m，準(zhǔn)確度等級為1.0級。

電動(dòng)試驗(yàn)泵型號2D-SY 71/40，數(shù)字精密壓力表型號CYF-100，準(zhǔn)確度等級為0.25級。

1.2 測量系統(tǒng)原理

電阻應(yīng)變儀設(shè)備測量的原理是將粘貼在被測試件上的電阻應(yīng)變片的電阻變化率△R/R轉(zhuǎn)換成電壓變化輸出，再經(jīng)放大電路放大，然后經(jīng)電信號采集系統(tǒng)收集，利用成套軟件可以實(shí)時(shí)顯示波形，并可以進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理。

由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小，要把微小應(yīng)變引起的微小電阻變化測量出來，同時(shí)要把電阻相對變化ΔR/R轉(zhuǎn)換為電壓的變化，因此需要有專用測量電路用于測量應(yīng)變變化而引起電阻變化的測量電路，通常采用惠斯通電橋，其有四個(gè)橋臂R1、R2、R3、R4按順序接在A、B、C、D之間，如圖1所示。

圖1 惠斯通電橋示意圖Fig.1 Schematic diagram of Wheastone bridge

電橋的對角點(diǎn)AC接電源E，另一對角BD為電橋的輸出端，其輸出電壓UBD經(jīng)計(jì)算輸出電壓為[8]

(1)

可知當(dāng)R1×R2=R3×R4時(shí)，UBD=0，這是電橋平衡的條件。

在實(shí)際測試中，隨著被測試件的變形，四個(gè)橋臂上的電阻應(yīng)變片都會(huì)發(fā)生微小變量，各電阻應(yīng)變片的電阻變化為ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，各電阻應(yīng)變片所感受的應(yīng)變量分別為ε1、ε2、ε3、ε4，通過理論推導(dǎo)計(jì)算，可以得出UBD的變化量：

(2)

當(dāng)電橋中只有一個(gè)橋臂參與機(jī)械變形時(shí)，由公式(2)可以得知ε1=4ΔUBD/EK，即電阻應(yīng)變片的應(yīng)變量正比于輸出電壓ΔUBD，通過測量電壓信號即可計(jì)算出被測試件的應(yīng)變量。

1.3 試驗(yàn)樣品及測量方法

本研究選用的空心瓷絕緣子絕緣子樣品高度1 830 mm，瓷件內(nèi)徑Di為175 mm，外徑D0為245 mm，端部附件密封直徑Ds為210 mm，額定彎曲破壞負(fù)荷為22 kN，額定內(nèi)水壓負(fù)荷為4.5 MPa。在樣品上端和下端處共布置4只軸向應(yīng)變，分別為應(yīng)變1、應(yīng)變3、應(yīng)變5和應(yīng)變7；4只徑向應(yīng)變片，分別為應(yīng)變2、應(yīng)變4、應(yīng)變6和應(yīng)變8。其布置及其粘貼位置示意圖如圖2所示，上下應(yīng)變片均離端部附件約40 mm。應(yīng)變的正負(fù)號分別代表拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。相鄰軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的粘貼距離為5 mm，因距離較小，可近似認(rèn)為兩者等同于同一微小區(qū)域的應(yīng)變。試驗(yàn)時(shí)對樣品進(jìn)行了3次重復(fù)性試驗(yàn)驗(yàn)證，以防止單次試驗(yàn)的隨機(jī)性結(jié)果。

圖2 應(yīng)變片粘貼位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of strain gauges with sticking position

為考察空心瓷絕緣子的彎曲試驗(yàn)、內(nèi)壓力試驗(yàn)及兩者聯(lián)合試驗(yàn)作用下的機(jī)械特性，并參考GB/T23752-2009中對試驗(yàn)的規(guī)定，特設(shè)計(jì)加載過程如下：

1)彎曲試驗(yàn)：以0.2 kN/s的加載速率連續(xù)施加彎曲試驗(yàn)負(fù)荷，且每增加2 kN，即2 kN、4 kN、6 kN…22 kN負(fù)荷下均保持30 s，彎曲負(fù)荷連續(xù)不間斷；

2)內(nèi)壓力試驗(yàn)：以2 MPa/min的加載速率連續(xù)施加內(nèi)壓力負(fù)荷，且每增加0.5 MPa，即0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa…4.5 MPa負(fù)荷下均保持30 s，內(nèi)壓力連續(xù)不間斷；

3)彎曲及內(nèi)壓力聯(lián)合試驗(yàn)：為模擬空心瓷絕緣子的真實(shí)運(yùn)行狀況，先將內(nèi)壓力以2 MPa/min的加載速率加壓至4.5 MPa下，保持內(nèi)壓力不變，再以0.2 kN/s的加載速率連續(xù)施加彎曲試驗(yàn)負(fù)荷，且每增加2 kN，即2 kN、4 kN、6 kN…22 kN負(fù)荷下均保持30 s，彎曲和內(nèi)壓力負(fù)荷連續(xù)不間斷。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同彎曲負(fù)荷狀況下的應(yīng)變分析

圖3為不同彎曲負(fù)荷狀況下空心瓷絕緣子應(yīng)變曲線。從圖3(b)中可以看出，軸向狀態(tài)下，隨著彎曲負(fù)荷的不斷增加，四個(gè)軸向應(yīng)變值都不斷增大，且基本呈等比例增加。由于彎曲負(fù)荷施力點(diǎn)位于樣品的頂端，樣品下端的軸向應(yīng)變1和應(yīng)變3增加明顯，上端處的軸向應(yīng)變5和應(yīng)變7雖略又增加，但增幅不明顯。

從圖3(c)中可以看出，徑向狀態(tài)方面，因樣品主要受由彎矩引起的軸向變化作用，四個(gè)徑向應(yīng)變隨彎曲負(fù)荷的增加，變化較軸向小。在上端處，應(yīng)變8基本無變化，表明這區(qū)域處徑向不是受力的主要方向，而應(yīng)變6卻在彎曲負(fù)荷2 kN后呈略微減小趨勢。此外，下端徑向受力狀態(tài)與軸向相反，如軸向應(yīng)變1是拉應(yīng)力狀態(tài)，相應(yīng)的徑向應(yīng)變2為壓應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)變3是壓應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變4為拉應(yīng)力狀態(tài)。

圖3 不同彎曲負(fù)荷狀況下空心瓷絕緣子應(yīng)變曲線Fig.3 The strain curves of the hollow ceramic insulator under different bending loads

將軸向應(yīng)變1、應(yīng)變3、應(yīng)變5和應(yīng)變7的曲線進(jìn)行回歸直線方程分析，擬合后的直線如公式(3)～(6)所示：

y1=14.667x-5.06500

(3)

y3=-12.358x-2.755

(4)

y5=1.779x+1.401000

(5)

y7=1.588x-0.491000

(6)

相應(yīng)應(yīng)變的擬合優(yōu)度因子R2分別為

在統(tǒng)計(jì)學(xué)中通常使用擬合優(yōu)度因子R2評估回歸直線對實(shí)測值的擬合程度[9]，取值范圍是[0,1]，R2的值越接近1，說明回歸直線對實(shí)測值的擬合程度越好；反之，R2的值越接近0，說明回歸直線對觀測值的擬合程度越差。實(shí)際擬合后的R2的值非常接近1，說明這4個(gè)軸向應(yīng)變的直線度很高，對于脆性材料處在彈性變形階段，適合后續(xù)彈性模量的計(jì)算。

在擬合的線性公式中，從直線斜率的絕對值可以看出拉應(yīng)力狀態(tài)的斜率要稍微大于壓應(yīng)力狀態(tài)下的斜率，表明陶瓷材料的拉伸彈性模量和壓縮彈性模量不同。

2.2 不同內(nèi)壓力負(fù)荷狀況下的應(yīng)變分析

圖4為不同彎曲負(fù)荷狀況下空心瓷絕緣子應(yīng)變曲線。從圖4(b)中可以看出，軸向狀態(tài)下，隨著內(nèi)壓力值的不斷增加，軸向應(yīng)變不斷增大，與彎曲負(fù)荷下類似，基本也成等比例增加，且上端和下端的軸向應(yīng)變變化偏差較小，變化一致性較好，表明由內(nèi)壓力引起的軸向拉伸變化量差異很小。從圖4(c)中可以看出，徑向方向下的變化規(guī)律與軸向方向類似，但不同的是，相同內(nèi)壓力狀態(tài)下，徑向的應(yīng)變要稍微大于軸向的應(yīng)變，說明在內(nèi)壓力試驗(yàn)下，空心瓷絕緣子徑向受到的應(yīng)力要大于軸向，樣品受到的“膨脹”作用大于“拉伸”。

圖4 不同內(nèi)壓力負(fù)荷狀況下的應(yīng)變曲線Fig.4 The strain curves of the hollow ceramic insulator under different internal pressure

從現(xiàn)有的測量數(shù)據(jù)分析，樣品的徑向變化呈現(xiàn)出沿軸向方向的同側(cè)面一致性，即應(yīng)變2與應(yīng)變6、應(yīng)變4與應(yīng)變8高度一致。由于傘間距太小，樣品的中部沒有粘貼應(yīng)變片，所以從現(xiàn)有數(shù)據(jù)還不能判斷徑向同側(cè)一致性是個(gè)例，還是普遍現(xiàn)象，還有待進(jìn)一步積累更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，或研究開展一些數(shù)據(jù)模擬驗(yàn)證工作。

值得一提的是，從應(yīng)變實(shí)時(shí)測量曲線可以看出，在初始狀態(tài)升壓過程中時(shí)，應(yīng)變的測量值突變較大，或者是在壓力值瞬間增大時(shí)，瞬間應(yīng)變突變較大，這些過程不是連續(xù)平穩(wěn)狀態(tài)，待壓力值穩(wěn)定后，恢復(fù)常態(tài)。這與彎曲負(fù)荷狀態(tài)下的平滑應(yīng)變實(shí)時(shí)測量曲線截然不同，原因可能是與這兩種不同的加載方式有關(guān)，彎曲負(fù)荷加載是設(shè)定好的一整套完整自動(dòng)加載程序，伺服電機(jī)控制的彎曲力是穩(wěn)定持續(xù)上升，而由于電動(dòng)水壓泵加壓的工作原理主要是往復(fù)式柱塞泵的循環(huán)動(dòng)作將水介質(zhì)高壓擠入樣品內(nèi)，這個(gè)過程有一定的波動(dòng)性和類似的脈沖性，平穩(wěn)性一般，導(dǎo)致了內(nèi)壓力改變的時(shí)候應(yīng)變值有突變現(xiàn)象，也有可能是水介質(zhì)在擠入樣品內(nèi)腔時(shí)，水溶液壓縮過程中引起的固有頻率變化，造成瞬間共振，后續(xù)還有待進(jìn)一步試驗(yàn)分析研究。所以在某些特殊情況下(如斷路器)，尤其要考慮到開斷操作后的瞬間壓力升高變化率，這有可能是考驗(yàn)空心瓷絕緣子質(zhì)量可靠性的關(guān)鍵。

2.3 彎曲及內(nèi)壓力聯(lián)合試驗(yàn)狀況下的應(yīng)變分析

圖5為不同彎曲負(fù)荷狀況下空心瓷絕緣子應(yīng)變曲線。從圖5(b)中可以看出，軸向應(yīng)力狀態(tài)下，聯(lián)合試驗(yàn)狀況下的應(yīng)變變化規(guī)律與彎曲負(fù)荷試驗(yàn)下高度一致，但不同的是，因?yàn)橄葘?nèi)壓力加壓至4.5 MPa下，保持內(nèi)壓力不變，再依次加載負(fù)荷，所以彎曲負(fù)荷為零時(shí)，軸向應(yīng)變已有變化，增加幅度基本相同，數(shù)值為正，此時(shí)樣品全部為拉應(yīng)力狀態(tài)。此后隨著彎曲負(fù)荷的增加，與單純彎曲負(fù)荷下的軸向曲線相比，聯(lián)合試驗(yàn)狀況下的曲線將整體上移，這就意味著呈拉應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)變1和應(yīng)變5將會(huì)變得更大，而呈壓應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)變3和應(yīng)變7將會(huì)變小。

從圖5(c)中可以看出，徑向應(yīng)力狀態(tài)方面，因內(nèi)壓力的存在，徑向應(yīng)變已有變化，與單純彎曲負(fù)荷下的徑向變化曲線相比，最大的不同的是，應(yīng)變2符號為正，表明原來單純彎曲下表現(xiàn)出的徑向壓應(yīng)力，由于內(nèi)壓力的存在，此處位置的徑向方向的應(yīng)力發(fā)生了改變，即呈拉壓力。但此時(shí)變化存在不一致性，2.2小節(jié)已進(jìn)行說明。

圖5 彎曲及內(nèi)壓力聯(lián)合試驗(yàn)狀況下的應(yīng)變曲線Fig.5 The strain curves of the hollow ceramic insulator under the combination of bending load and internal pressure

以應(yīng)變1和應(yīng)變2所處的局部區(qū)域?yàn)槔?，軸向應(yīng)變1的拉應(yīng)力因內(nèi)壓力的存在變得更大，而徑向應(yīng)變2由原來的壓應(yīng)力改變?yōu)槔瓚?yīng)力，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，此時(shí)微小區(qū)域的平面應(yīng)力圖，如圖6所示。

陶瓷材料塑性變形能力極差，其斷裂是以各種缺陷為裂紋源，裂紋尖端易引起很高的應(yīng)力集中，在一定的拉伸應(yīng)力下，其最薄弱環(huán)節(jié)處的微小裂紋擴(kuò)展，當(dāng)裂紋達(dá)到臨界尺寸時(shí)容易失穩(wěn)，不經(jīng)過塑性階段，會(huì)瞬間發(fā)生斷裂。而在壓縮應(yīng)力時(shí)，裂紋閉合或呈穩(wěn)態(tài)緩慢擴(kuò)展，壓縮強(qiáng)度較高。所以在單純的彎曲負(fù)荷下，軸向?yàn)槔瓚?yīng)力，徑向?yàn)閴簯?yīng)力，若此時(shí)最薄弱裂紋的方向恰巧受壓應(yīng)力作用，則樣品的彎曲強(qiáng)度可繼續(xù)表現(xiàn)出較高的狀態(tài)。而當(dāng)在彎曲負(fù)荷和內(nèi)壓力聯(lián)合作用下，微單元軸向和徑向全部受拉應(yīng)力作用，無論裂紋方向如何分布，此微小區(qū)域所經(jīng)受的考核將會(huì)變得更加嚴(yán)酷?？招拇山^緣子在實(shí)際運(yùn)行過程中，往往也是同時(shí)受到一定的彎曲負(fù)荷和內(nèi)壓力聯(lián)合作用，某些特殊原因下，受力情況更是復(fù)雜，所以在空心瓷絕緣子選型和技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)等方面應(yīng)充分考慮其使用環(huán)境和運(yùn)行狀況。

2.4 拉伸彈性模量和壓縮彈性模量的計(jì)算

彈性模量是工程材料中一種重要、最具特征的力學(xué)參數(shù)，從宏觀角度分析，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，從微觀角度來說，則是原子、離子或分子之間鍵合強(qiáng)度的反映，凡是影響鍵合強(qiáng)度的因素均能影響材料的彈性模量，如鍵合方式、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、微觀組織、溫度等。彈性模量用E表示，定義為理想材料有彈性形變時(shí)應(yīng)力(σ)與相應(yīng)應(yīng)變(ε)之比，單位為N/m2，如公式(7)所示。彈性模量是材料的本身屬性，與外力大小及物體的形狀無關(guān)。

(7)

彎曲負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，在忽略空心瓷絕緣子傘結(jié)構(gòu)及上下端部金屬附件對力學(xué)分析的影響下，可將空心瓷絕緣子簡化成一個(gè)圓環(huán)柱體模型，根據(jù)材料力學(xué)計(jì)算公式[10]，圓環(huán)柱體截面上距離中性層為x的某一點(diǎn)的應(yīng)力為

(8)

內(nèi)壓力試驗(yàn)時(shí)，按照GB/T 23752-2009附錄D，如果假定內(nèi)壓力p導(dǎo)致的軸向應(yīng)力是均勻的，軸向應(yīng)力可以使用公式(9)簡化計(jì)算：

(9)

式(9)中p是內(nèi)壓力，Ds是端部附件密封的直徑，Ds=210 mm；Do是絕緣件主體外徑，Do=245 mm；Di是絕緣件主體內(nèi)徑，Di=175 mm。

計(jì)算彈性模量的思路為：彎曲負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，以彎曲負(fù)荷增加間隔2 kN、4 kN、6 kN…20 kN計(jì)算基準(zhǔn)，用“間隔力”以方便描述，然后計(jì)算相應(yīng)間隔力下的應(yīng)變增加值；同理，內(nèi)壓力試驗(yàn)下，以內(nèi)壓力增加間隔0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa…4.0 MPa為計(jì)算基準(zhǔn)，再計(jì)算出相應(yīng)間隔內(nèi)壓力下的應(yīng)變增加值，得出各自間隔力下的拉伸和壓縮彈性模量值。

根據(jù)應(yīng)變的粘貼位置及測量值分析，因?yàn)樯隙瞬扛郊幨軓澗睾苄。瑧?yīng)變值低，再加上應(yīng)變的零點(diǎn)漂移因素等影響，誤差容易放大化，不太適合彈性模量計(jì)算，所以采用下端附件處的軸向應(yīng)變計(jì)算拉伸和壓縮彈性模量。內(nèi)壓力試驗(yàn)時(shí)候，四個(gè)軸向應(yīng)變的變化規(guī)律一致性較好，因此以內(nèi)壓力值計(jì)算拉伸彈性模量時(shí)，將該四處的拉伸彈性模量全部一起統(tǒng)計(jì)進(jìn)行分析。

圖7為彎曲及內(nèi)壓力試驗(yàn)下的拉伸和壓縮彈性模量散點(diǎn)圖，圖中的連續(xù)曲線是由各自間隔力下計(jì)算的彈性模量平均值。從圖中可以看出，無論是彎曲負(fù)荷試驗(yàn)還是內(nèi)壓力試驗(yàn)，間隔力或間隔內(nèi)壓力較小時(shí)，以此計(jì)算出的彈性模量波動(dòng)較大，統(tǒng)計(jì)出的標(biāo)準(zhǔn)偏差較高，隨著間隔壓力或內(nèi)壓力的增加，彈性模量值逐漸趨于集中，波動(dòng)范圍收窄，標(biāo)準(zhǔn)偏差縮小。從3條平均值曲線分析，3條曲線幾乎呈平直狀態(tài)，前后相差不大，表明雖然當(dāng)間隔力或內(nèi)壓力較小時(shí)，彈性模量波動(dòng)較大，但其總體平均值與高負(fù)荷下計(jì)算的彈性模量平均值差別很小。

圖7 彎曲及內(nèi)壓力試驗(yàn)下的拉伸和壓縮彈性模量散點(diǎn)圖Fig.7 The scatter diagram of the tensile and compressive elastic modulus under the combination of bending load and internal pressure

橫向比較兩種試驗(yàn)狀況下的拉伸彈性模量，從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上分析，圖7(a)和(b)計(jì)算的拉伸彈性模量平均值范圍分別為103.3 GPa～105.7 GPa和156.5 GPa～166.6 GPa，內(nèi)壓力試驗(yàn)下計(jì)算的拉伸彈性模量明顯大于彎曲負(fù)荷試驗(yàn)下的值，原因也不難得出，對空心瓷絕緣子來講，因內(nèi)壓力導(dǎo)致的軸向應(yīng)變變化量最大還不到50微應(yīng)變，遠(yuǎn)小于彎曲負(fù)荷引起的軸向應(yīng)變，計(jì)算出的彈性模量誤差易放大，從圖7(b)也可以看出在低間隔內(nèi)壓力下計(jì)算的拉伸彈性模量波動(dòng)范圍遠(yuǎn)大于彎曲負(fù)荷試驗(yàn)下，最大至300 GPa，因此由內(nèi)壓力試驗(yàn)下計(jì)算的拉伸彈性模量可信度不高。

彎曲負(fù)荷試驗(yàn)下計(jì)算的壓縮彈性模量范圍為123.9 GPa～125.7 GPa，大于拉伸彈性模量。從理論上講，彈性模量反映的是材料微觀上原子支間結(jié)合力與平衡點(diǎn)間距的關(guān)系，依據(jù)胡克定律，原子間結(jié)合力在拉伸和壓縮狀態(tài)的應(yīng)力與應(yīng)變比值應(yīng)是一個(gè)常數(shù)，拉伸彈性模量和壓縮彈性模量應(yīng)該是相同的。但對脆性陶瓷材料而言，彈性模量不僅與結(jié)合鍵有關(guān)，還與組成的種類、分布比例及氣孔率有關(guān)，瓷件由晶相、玻璃相和氣孔組成，由此易造成各種微缺陷和微裂紋[11]。受壓縮應(yīng)力時(shí)，裂紋閉合或呈穩(wěn)態(tài)緩慢擴(kuò)展，壓縮強(qiáng)度較高，應(yīng)變較小，導(dǎo)致壓縮彈性模量較大。

從上述分析可得出，進(jìn)行彈性模量測量時(shí)，在彈性變形階段范圍內(nèi)，優(yōu)先推薦選擇以相對較大負(fù)荷為基準(zhǔn)，這樣不需要相對較多的重復(fù)測量計(jì)算，即可得到高準(zhǔn)確性的試驗(yàn)結(jié)果。基于此，以最大彎曲負(fù)荷22 kN和內(nèi)壓力4.5 MPa為基準(zhǔn)，結(jié)合泊松比的定義—徑向應(yīng)變?chǔ)舩與軸向向應(yīng)變?chǔ)舮之比，可以得出拉應(yīng)力和壓應(yīng)力狀態(tài)下的計(jì)算的泊松比分別為0.14和0.17。

陶瓷材料由于脆性高，在拉伸負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)易在夾持部位斷裂，因此常用三點(diǎn)或四點(diǎn)彎曲加載方式進(jìn)行抗彎負(fù)荷試驗(yàn)，以代替拉伸試驗(yàn)，測定其彈性彎曲撓度后，根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變可計(jì)算出彈性模量[12-14]。GB/T 10700-2006《精細(xì)陶瓷彈性模量試驗(yàn)方法 彎曲法》中規(guī)定了測試方法[15]，其中制備彎曲試樣時(shí)對其相對面的平行度、相鄰面的垂直度、表面粗糙度等要求較高，制備試樣困難，因試樣精細(xì)度非常高，試驗(yàn)過程中對試樣具有一定的破壞性質(zhì)，常不具有重復(fù)測試的機(jī)會(huì)，測試結(jié)果往往波動(dòng)較大。綜合比較分析，本研究中利用彎曲負(fù)荷試驗(yàn)下的拉伸和壓縮彈性模量測量方式，是一種可重復(fù)測試、方便快捷和可靠性較高的測量方法，可應(yīng)用于各種類型的空心瓷絕緣子彈性模量測量。

3 結(jié)論

本研究選用空心支柱瓷絕緣子作為試品，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T23752-2009，利用動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀，分別在彎曲負(fù)荷、內(nèi)壓力負(fù)荷及兩者聯(lián)合作用下，從微觀上分析空心瓷絕緣子的機(jī)械特性和變化規(guī)律，得出了以下結(jié)論：

1)彎曲負(fù)荷試驗(yàn)下，隨著彎曲負(fù)荷的增加，軸向應(yīng)變不斷增大，基本呈線性增加，下端徑向受力狀態(tài)與軸向相反，拉應(yīng)力增長的速率稍大于壓應(yīng)力。

2)內(nèi)壓力試驗(yàn)下，內(nèi)壓力值瞬間改變增大時(shí)，瞬時(shí)應(yīng)變突變較大。隨著內(nèi)壓力的增大，軸向和徑向應(yīng)變不斷增大，徑向應(yīng)變稍微大于軸向應(yīng)變，上端和下端部位的軸向應(yīng)變變化一致性較好。

3)彎曲負(fù)荷和內(nèi)壓力聯(lián)合作用下，呈拉應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)變大于單獨(dú)負(fù)荷作用的應(yīng)變，而呈壓應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)變則小于單獨(dú)負(fù)荷作用的應(yīng)變，下端拉應(yīng)力測受力狀態(tài)由軸向拉應(yīng)力和徑向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向徑向均為拉應(yīng)力，考核將會(huì)變得更加嚴(yán)酷。

4)彈性變形范圍內(nèi)，推薦選擇以相對較大彎曲負(fù)荷為基準(zhǔn)，進(jìn)行拉伸彈性模量、壓縮彈性模量和泊松比的測量，是一種可重復(fù)測試、方便快捷和可靠性較高的測量方法，內(nèi)壓力試驗(yàn)不適合彈性模量的測量。