王安軍，李文榮，廖玉琴，楊躍光，張予陽

(1.南方電網(wǎng)超高壓輸電公司，廣東 廣州 510670；2.南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 510670)

盤形懸式絕緣子是目前在高壓輸電線路中最常見的線路絕緣子之一[1]。隨著特高壓輸電工程的發(fā)展，盤形懸式絕緣子串承受的電壓等級、導(dǎo)線自重、風(fēng)載等都隨之提高。為了滿足輸電線路電氣及機(jī)械方面的運(yùn)行要求，大噸位的絕緣子被應(yīng)用到交直流輸電線路上[2-4]。然而，在惡劣自然條件或不合理人為操作下，大噸位的絕緣子串機(jī)械強(qiáng)度更易受到威脅，造成絕緣子串掉落[5-10]。

絕緣子串掉落主要是由于盤形懸式絕緣子之間的連接遭到破壞。盤形懸式絕緣子之間有著球窩與槽型2種連接方式[11]。球窩連接具有方便裝卸及無方向性的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)帶電狀態(tài)的絕緣子更換，因而超高壓及特高壓輸電線路的盤形懸式絕緣子常采用球窩連接，將鋼腳和鐵帽串接，最后配合鎖緊銷將鋼腳鎖緊在鐵帽內(nèi)[12]。

球窩連接結(jié)構(gòu)在運(yùn)行時承受的應(yīng)力十分復(fù)雜，鋼腳、鐵帽、鎖緊銷的形變均會引起球窩連接的失效。目前球窩連接的失效分析主要集中在鐵帽和鋼腳形變。孟婧等通過建立多剛體模型研究不同風(fēng)載下鋼腳與鐵帽接觸部位承受的應(yīng)力[13]；劉洋等在靜態(tài)載荷下對鋼腳和鐵帽的形變特性進(jìn)行研究[14]；繆春輝等模擬服役過程中鋼腳的應(yīng)力狀態(tài)[15]，通過分析鋼腳疲勞斷裂的原因，提出其尺寸優(yōu)化設(shè)計建議。在不同載荷、不同邊界約束條件以及不同位置下，鐵帽和鋼腳所承受的應(yīng)力分布情況、形變特性均已充分研究，但鎖緊銷形變引起的失效研究主要集中在鎖緊銷制作過程[16-17]和運(yùn)行過程[18-19]，關(guān)于施工安裝過程的失效研究較少。最近，南方地區(qū)“西電東送”主網(wǎng)架某直流線路420 kN盤形懸式絕緣子在施工驗收過程中，頻繁出現(xiàn)了R型鎖緊銷擠壓變形的情況。為保障盤形懸式絕緣子串安全可靠運(yùn)行，有必要對安裝過程的盤形懸式絕緣子R型鎖緊銷的失效問題展開研究。

本文通過吊裝模擬試驗，首先對R型鎖緊銷是否會在絕緣子串吊裝過程中被鋼腳擠壓發(fā)生變形進(jìn)行驗證，隨后從材料性能和設(shè)計尺寸分析引起R型鎖緊銷變形失效的參數(shù)。為進(jìn)一步分析吊裝過程中R型鎖緊銷的受力情況，開展吊裝受力試驗及仿真分析，利用ANSYS軟件建立鋼腳R型鎖緊銷三維模型，對R型鎖緊銷進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度仿真，模擬出施加不同載荷時的von-Mises等效應(yīng)力分布情況，并得到鎖緊銷在不同位置的應(yīng)力值，為R型鎖緊銷的應(yīng)用和設(shè)計提供思路。

1 試驗方案

1.1 吊裝模擬試驗

鎖緊銷的壓扁現(xiàn)象是在驗收過程中被發(fā)現(xiàn)的，可以認(rèn)為其形變不是受自然環(huán)境的影響。在施工過程中，受現(xiàn)場條件限制，連接金具較短而無法采用專用工具進(jìn)行吊裝，此時，常采用繩索綁扎絕緣子的方法進(jìn)行吊裝[20]?，F(xiàn)場鋼腳與鎖緊銷形變情況如圖1所示。經(jīng)現(xiàn)場粗略測量比對發(fā)現(xiàn)，鋼腳的球頭直徑與壓痕位置開口寬度接近，因此，認(rèn)為可能是吊裝過程中絕緣子繩扣下方的絕緣子串重量造成繩扣處絕緣子鋼腳彎曲，壓扁了鎖緊銷，導(dǎo)致鎖緊銷失效。

為驗證R型鎖緊銷是否會在絕緣子串吊裝過程中被鋼腳擠壓發(fā)生變形，對420 kN的絕緣子串開展吊裝模擬試驗，吊裝模擬試驗布置如圖2所示。

圖1 現(xiàn)場絕緣子鋼腳直徑與鎖緊銷壓痕位置開口寬度Fig.1 Diameter of insulator pin ball and width of opening at indentation position of locking pin

圖2 絕緣子串實際吊裝與模擬吊裝Fig.2 Actual and simulated hoisting of insulator string

試驗按照實際吊裝操作，將繩帶綁扎在球窩連接處。試驗結(jié)果證明：當(dāng)盤形絕緣子串的絕緣子片數(shù)超過一定數(shù)量，即盤形絕緣子串的重量超過一定值，采用繩帶綁扎的吊裝方式將會使得綁扎處的盤形絕緣子鋼腳彎曲，鋼腳進(jìn)而擠壓R型鎖緊銷，造成壓扁破壞，從而使得鎖緊銷失效。

1.2 尺寸測量及材料分析

為了確保絕緣子串的可靠連接，絕緣子的金屬附件即鐵帽和鋼腳必須按照標(biāo)準(zhǔn)尺寸制造，再配以標(biāo)準(zhǔn)厚度的鎖緊銷[21-22]。為分析因絕緣子鐵帽、鋼腳及鎖緊銷本身尺寸設(shè)計偏差而導(dǎo)致R型鎖緊銷失效的可能性，按規(guī)程要求，采用定制的“通止規(guī)”定性衡量盤形懸式絕緣子的鋼腳和鐵帽的尺寸是否合格[23-24]，采用游標(biāo)卡尺讀取鎖緊銷的厚度及間隙值，驗證鎖緊有效性。經(jīng)“通止規(guī)”檢測發(fā)現(xiàn)，鋼腳的球頭和鐵帽的球窩尺寸均合格，游標(biāo)卡尺讀取鎖緊銷的厚度符合制造標(biāo)準(zhǔn)尺寸，鎖緊有效性合格。

除了鐵帽、鋼腳及鎖緊銷本身尺寸外，鎖緊銷由于自身材料也可能引起絕緣子鎖緊銷出現(xiàn)失效、變形、脫落等現(xiàn)象[11,16]。為分析R型鎖緊銷因材料成分不合格而導(dǎo)致?lián)p壞失效的可能性，對R型鎖緊銷開展材料性能分析。利用硬度計和臺式直讀光譜儀對R型銷分別進(jìn)行維氏硬度測量和各元素含量測量。測量結(jié)果顯示，R型鎖緊銷維氏硬度均大于150 N/mm2，且各元素含量均滿足304不銹鋼材料元素含量要求。因此，可以排除R型銷因材料成分不合格而引起的損壞失效。

雖然已驗證與鎖緊有效性相關(guān)的鐵帽、鋼腳與鎖緊銷尺寸均合格，但進(jìn)一步測量發(fā)現(xiàn)，鎖緊銷的開口V值與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值存在明顯偏差。420 kN盤形絕緣子均采用連接標(biāo)號28的R型銷，開口V值應(yīng)在15 mm左右，然而實際測量發(fā)現(xiàn)失效鎖緊銷開口V值均已達(dá)20 mm以上。鎖緊銷開口V值由于不與鎖銷緊有效性直接關(guān)聯(lián)而容易被忽略。為進(jìn)一步探究R型鎖緊銷的開口V值對鎖緊銷失效的影響，開展不同開口V值的R型鎖緊銷受力分析試驗。

1.3 鎖緊銷受力分析試驗

為探究R型鎖緊銷在絕緣子串吊裝過程中發(fā)生的形變特性，采用420 kN玻璃懸式絕緣子開展吊裝模擬試驗。R型鎖緊銷絕緣子共4組，每組開口V值分別為15 mm、25 mm、35 mm、45 mm，每組3只，共12只。不同開口V值的絕緣子鎖緊銷如圖3所示。開口V值15 mm、25 mm、35 mm、45 mm鎖緊銷分別如圖3所示。

圖3 不同開口V值的絕緣子鎖緊銷Fig.3 Insulator locking pins with different opening V values

模擬吊裝試驗布置如圖4所示。2片絕緣子之間通過鋼腳、鐵帽和鎖緊銷連接。下夾具位置固定，絕緣子串下端通過夾住鋼腳固定。考慮受力最大的情況，1條繩帶綁扎在下1片絕緣子的鐵帽上端，綁帶拉出位置在鐵帽開口的正背面，保證鋼腳和R型鎖緊銷作用點在R型鎖緊銷的開口正中間，該綁帶通過U型環(huán)連接上夾具上的綁帶實現(xiàn)上端固定。采用最大量程為100 t的拉力機(jī)提供拉力代替絕緣子串重量。為提高監(jiān)測精度，加裝最大量程16 t、精度為0.05%的拉力傳感器用于監(jiān)測實際拉力值。

圖4 拉力機(jī)模擬絕緣子串吊裝試驗Fig.4 Simulated insulator string hoisting experiment

分別對開口V值為15 mm、25 mm、35 mm、45 mm的R型鎖緊銷絕緣子串依次施加0.2 ～ 3.0 t的載荷，每次增加10 kg載荷，記錄絕緣子鋼腳的脫出載荷以及R型鎖緊銷的損壞情況。

2 試驗結(jié)果

隨著施加載荷的增大，R型鎖緊銷逐漸開始變形，直至鋼腳從鐵帽中脫出。開口V值為15 mm、25 mm、35 mm、45 mm的R型鎖緊銷最終損壞程度如圖5所示，壓痕位置在圖中用白色虛線圈出。

圖5 不同開口V值尺寸R型鎖緊銷受損情況Fig.5 Damage conditions of R-type locking pins with different opening V values

試驗結(jié)果見表1。當(dāng)開口V值為15 mm的R型鎖緊銷受到3.0 t載荷時，垂直方向出現(xiàn)明顯壓痕，但無嚴(yán)重?fù)p壞，鋼腳未脫出。開口V值為25 mm、35 mm、45 mm的R型鎖緊銷分別在施加790 kg、400 kg、440 kg載荷時出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞，絕緣子鋼腳脫出。鋼腳與R型鎖緊銷受力點均位于開口15 mm處。

表1 不同開口V值R型鎖緊銷的損壞載荷及受力點Tab.1 Damaged load and stress points of R-type locking pins with different opening V values

從試驗結(jié)果可以看出，開口V值為15 mm的R型鎖緊銷的承受載荷的能力明顯高于開口V值為25 mm、35 mm、45 mm的R型鎖緊銷。為了對不同開口V值下R型鎖緊銷承受載荷能力的變化進(jìn)行探究，本文對不同開口V值的R型鎖緊銷所承受的應(yīng)力進(jìn)行建模分析。

3 三維建模與受力仿真分析

3.1 R型鎖緊銷三維模型的建立

為了進(jìn)一步探究鋼腳脫出過程R型鎖緊銷的受損情況，利用ANSYS分別對標(biāo)號28的R型鎖緊銷進(jìn)行仿真模擬分析，其開口V值尺寸分別取15 mm、35 mm、45 mm。

R型鎖緊銷底部張開角度范圍一般為35°～50°，在模型中R型鎖緊銷底部張開角度設(shè)置為中間值42.5°。R型鎖緊銷和鋼腳模型分別根據(jù)GB/T 25318—2019和GB/T 4056—2008建立[25-26]。

依據(jù)R型鎖緊銷材料，在材料模型模塊設(shè)置為不銹鋼304(Stainless Steel NL)，鋼腳為結(jié)構(gòu)鋼(Structural Steel)，不銹鋼雙線性各向同性硬化曲線如圖6所示。模型總體以1 mm網(wǎng)格單元進(jìn)行劃分，施加3 600 N的載荷。建立的幾何模型如圖7所示。鎖緊銷在鋼腳與鐵帽之間存在多個可能的相對位置，為避免在這種自由度過高的邊界條件下，仿真計算出現(xiàn)不穩(wěn)定和不收斂的情況，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，進(jìn)行了2點簡化和約束處理：①固定鎖緊銷的端部；②鋼腳可以向下運(yùn)動并發(fā)生旋轉(zhuǎn)，但無左右偏移，即鎖緊銷在X軸方向上位移為0，鋼腳在Z軸方向上位移為0。盤形懸式絕緣子參數(shù)見表2，考慮保守強(qiáng)度估計，單件絕緣子質(zhì)量按照15 kg進(jìn)行計算。

圖6 不銹鋼雙線性各向同性硬化曲線Fig.6 Bilinear isotropic hardening curves of stainless steel

圖7 盤形懸式絕緣子R型鎖緊銷與球窩連接處幾何模型示意圖Fig.7 Schematic diagram of geometric model of connection between R-type locking pin with ball and socket of cap and pin insulator

表2 盤形懸式絕緣子參數(shù)Tab.2 Parameters of cap and pin insulator

依據(jù)現(xiàn)場絕緣子串的吊裝過程可知，彎曲的絕緣子串每2片絕緣子連接處的鋼腳同時受到垂直向下的重力和絕緣子串內(nèi)彎方向力矩的作用，如圖8所示。選取絕緣子串曲率半徑最小的連接部分作為研究對象，此處彎曲度最大且最容易造成絕緣子球桿彎曲而導(dǎo)致鎖緊銷被壓扁。自連接處向下的所有絕緣子質(zhì)量作為載荷，根據(jù)絕緣子串的尺寸，設(shè)定力矩的力臂為20 mm。

圖8 盤形懸式絕緣子R型鎖緊銷與球窩連接處受力示意圖Fig.8 Diagram of force on the connection between R-type locking pin and ball and socket of cap and pin insulator

3.2 仿真結(jié)果分析

開口V值尺寸15 mm、35 mm、45 mm的R型鎖緊銷在3 600 N的載荷(相當(dāng)于吊起24個絕緣子)下的應(yīng)力云圖如圖9、圖10、圖11所示。

圖9、圖10、圖11顯示的是鎖緊銷受到的Von-mises應(yīng)力，即有效應(yīng)力，可用于判斷鎖緊銷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生破壞。根據(jù)圖6的不銹鋼雙線性各向同性硬化曲線，當(dāng)應(yīng)力結(jié)果大于屈服點時，則認(rèn)為產(chǎn)生了塑性形變；應(yīng)力結(jié)果小于屈服點時，則認(rèn)為產(chǎn)生了彈性形變。從計算結(jié)果可以看出，在加載3 600 N的截荷下：開口V值為15 mm時，R型鎖緊銷承受住了3 600 N的載荷作用；開口V值為35 mm和45 mm時，R型鎖緊銷會在鋼腳的擠壓下發(fā)生較大的塑性變形；開口V值大于15 mm時，鋼腳脫出的風(fēng)險明顯增大。

圖9 開口V值15 mm的28型R型鎖緊銷在3 600 N載荷下應(yīng)力云圖(鋼腳未脫出)Fig.9 Stress cloud diagram of model 28 R-type locking pin with opening V value of 15 mm under 3 600 N load (pin ball not coming out)

圖10 開口V值35 mm的28型R型鎖緊銷在3 600 N載荷下應(yīng)力云圖(鋼腳脫出)Fig.10 Stress cloud diagram of model 28 R-type locking pin with opening V value of 35 mm under 3 600 N load (ball out)

圖11 開口V值45 mm的28型R型鎖緊銷在3 600 N載荷下應(yīng)力云圖(鋼腳脫出)Fig.11 Stress cloud diagram of model 28 R-type locking pin with opening V value of 45 mm under 3 600 N load (ball out)

從應(yīng)力分布云圖可知，在施加3 600 N的載荷下：①開口V值15 mm的R型鎖緊銷未發(fā)生鋼腳脫出的現(xiàn)象，在0.001 s時R型鎖緊銷承受的最大應(yīng)力約為516.88 MPa，最大應(yīng)力(云圖紅色區(qū)域)集中在距離開口處23～26 mm；②開口V值為35 mm的R型鎖緊銷在0.003 5 s時鋼腳脫出，在0.002 5 s時35 mm的R型鎖緊銷承受的最大應(yīng)力為1 021.71 MPa，最大應(yīng)力(云圖紅色區(qū)域)集中在距離開口處26～30 mm；③開口V值為45 mm的R型鎖緊銷在0.002 5 s時鋼腳脫出，在0.002 s時45 mm的R型鎖緊銷承受的最大應(yīng)力約為549.64 MPa，最大應(yīng)力(云圖紅色區(qū)域)集中在距離開口處24 ～29 mm。綜上可知，不同開口V值的R型鎖緊銷在承受載荷時，最大應(yīng)力集中在距離開口處23～30mm的區(qū)域。

從應(yīng)力分布云圖可以看出：當(dāng)開口V值為15 mm時，施加載荷過程中開口部分僅向外側(cè)移動；當(dāng)開口V值為35 mm時，施加載荷過程中開口部分發(fā)生了外側(cè)移動和明顯內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)；當(dāng)開口V值為45 mm時，施加載荷過程中開口部分發(fā)生了外側(cè)移動和輕微內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)。這是由于當(dāng)開口V值為15 mm時，鋼腳與鎖緊銷的接觸面較大，鋼腳幾乎不發(fā)生傾斜，載荷產(chǎn)生的幾乎都是垂直向下的應(yīng)力，這與開口V值為15 mm對應(yīng)的試驗結(jié)果一致。當(dāng)開口V值增大至35 mm時，鋼腳與鎖緊銷的接觸面減小，施加載荷時鋼腳開始發(fā)生傾斜，從而發(fā)生外側(cè)移動和內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)，鋼腳的傾斜導(dǎo)致鋼腳與鎖緊銷的接觸面積進(jìn)一步減小，應(yīng)力集中加劇導(dǎo)致鋼腳脫出。當(dāng)開口V值增大至45 mm時，載荷導(dǎo)致的鋼腳傾斜程度增加，而開口V值45 mm的鎖緊銷使得鋼腳在傾斜方向的活動空間更大，因此開口部分的輕微內(nèi)旋即可導(dǎo)致鋼腳脫出，鎖緊銷所承受的等效應(yīng)力較小。

對比仿真結(jié)果可知，開口V值的變化會導(dǎo)致鎖緊銷受到的等效應(yīng)力的變化。另外，由實際經(jīng)驗可知，開口V值的增大也會引起鋼腳傾斜程度增大，導(dǎo)致鋼腳脫出的可能性大大增加。

鎖緊銷承受的等效應(yīng)力最大值隨時間的變化如圖12所示。當(dāng)開口V值由15 mm增加至35 mm時，由圖12可知，鎖緊銷受到的等效應(yīng)力大大增加，明顯增加了鎖緊銷變形的可能性。且其V值增加，鋼腳傾斜程度增大。綜上，開口V值為35 mm時，鎖緊銷承受載荷的能力要遠(yuǎn)小于開口V值為15 mm的鎖緊銷，與表1中的試驗結(jié)果相互印證。

圖12 等效應(yīng)力最大值隨時間的變化Fig.12 Changes of the maximum equivalent stress with time

當(dāng)開口V值由35 mm增加至45 mm時，由圖12可知，鎖緊銷受到的等效應(yīng)力較小，鎖緊銷變形可能性減小。但此時V值增大，鋼腳傾斜程度繼續(xù)增大，增大了鋼腳脫出的可能性。綜合對比，當(dāng)開口V值由35 mm增加至45 mm時，其所能承受載荷的能力將不再發(fā)生明顯減小，與表1中的試驗結(jié)果相互印證。

由上述試驗與仿真結(jié)果可知，開口V值為15 mm的鎖緊銷具有最佳的承受載荷的能力，這是由于當(dāng)開口V值在15 ～45 mm(接近最大的開口V值)時，鎖緊銷承受的應(yīng)力大于等于開口V值為15 mm時鎖緊銷承受的應(yīng)力，且鋼腳的傾斜程度大于開口V值為15 mm時的鋼腳傾斜程度，應(yīng)力的增大以及鋼腳傾斜程度的增加均會導(dǎo)致鋼腳脫出的可能性上升。

4 對現(xiàn)有R型鎖緊銷應(yīng)用的建議

基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25318—2019的要求[26]，連接標(biāo)號28、32、36、40的R型銷開口V值尺寸標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)控制在8～18 mm。由于R型鎖緊銷的開口V值尺寸在制造中屬于非強(qiáng)制尺寸要求，盤形懸式絕緣子制造廠對R型鎖緊銷的開口V值尺寸普遍控制在20 mm左右，最大開口V值尺寸達(dá)到45 mm。因此，建議適當(dāng)修改連接標(biāo)號28及以上的R型銷開口V值標(biāo)準(zhǔn)要求，保證出廠R型銷的開口V值均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

各運(yùn)行單位吊裝絕緣子串在安裝、施工過程中仍為主流手段?；诒疚牡难芯拷Y(jié)果，在吊裝過程中，大噸位盤形絕緣子產(chǎn)生的應(yīng)力容易導(dǎo)致超出標(biāo)準(zhǔn)要求開口V值的R型鎖緊銷擠壓變形，引起鋼腳脫出。在實際應(yīng)用當(dāng)中，為提高R型鎖緊銷的抗塑性變形能力，可對不同元素含量、不同加工工藝的R型鎖緊銷的抗塑性變形能力進(jìn)行仿真計算，并通過試驗對計算結(jié)果進(jìn)行驗證。在確認(rèn)了仿真模型的可靠性后，即可對不同參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、制作工藝下的R型鎖緊銷的抗塑性變形能力進(jìn)行合理預(yù)估，為提升R型鎖緊銷的抗塑性變形能力提供理論依據(jù)。

5 結(jié)論

本文通過吊裝模擬試驗、尺寸測量和材料分析，驗證了吊裝過程中R型鎖緊銷由于絕緣子串自身重量導(dǎo)致失效，同時，對不同開口V值的R型鎖緊銷進(jìn)行了力學(xué)試驗和仿真分析，主要結(jié)論如下：

a)試驗結(jié)果表明R型鎖緊銷的開口V值是影響其變形失效的重要參數(shù)。

b)開口V值為15～45 mm時，鎖緊銷承受的應(yīng)力大于等于開口V值為15 mm的鎖緊銷承受的應(yīng)力，鋼腳傾斜程度大于開口V值為15 mm時的鋼腳傾斜程度，因此開口V值為15 mm的鎖緊銷具有最佳的承受載荷的能力。

c)結(jié)合R型鎖緊銷實際制造情況以及現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，建議對連接標(biāo)號28及以上的R型鎖緊銷開口V值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適當(dāng)修改，保證出廠R型鎖緊銷的開口V值均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。