QP－16型球頭掛環(huán)疲勞壽命試驗研究與分析*

謝占山，易 勇，李 慧，王少夫，李忠芳

(安徽科技學(xué)院機械工程學(xué)院;安徽科技學(xué)院財經(jīng)學(xué)院)

0 引言

球頭掛環(huán)是連接絕緣子與輸電塔的關(guān)鍵部件，其連接的可靠程度關(guān)系到輸電線路的安全;球頭掛環(huán)在入網(wǎng)時，通過了嚴(yán)格的抽檢試驗，即入網(wǎng)時絕大多數(shù)的球頭掛環(huán)的質(zhì)量是完好的，但是，現(xiàn)實中運行在線路上球頭掛環(huán)卻發(fā)生不少起斷裂的惡性事故［1－5］，如 2007 年 3 月至 2010 年12月，華北電網(wǎng)公司500 kV架空輸電線路先后發(fā)生7次絕緣子球頭掛環(huán)斷裂故障，深思這些事故的原因，不是因為球頭掛環(huán)不合格，而是因為球頭掛環(huán)長期工作在因架空線振動帶來的動態(tài)載荷下，致使其發(fā)生了疲勞破壞(如圖1－5)，這種事故無先兆，發(fā)生破壞比較隱蔽，隱患在日常運行維護難以消除，而事故后果嚴(yán)重，對于單串絕緣子直接造成導(dǎo)線落地，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來較大威脅.因此有必要開展球頭掛環(huán)的力學(xué)性能的分析以及壽命評估的研究［5］.

圖1 托源三線#301塔球頭掛環(huán)斷裂

圖2 沙昌一線#305塔球頭掛環(huán)斷裂

圖3 沙昌二線#95塔球頭掛環(huán)斷裂現(xiàn)場情況

圖4 源安一線球頭掛環(huán)斷裂

圖5 源安二線158#塔球頭掛環(huán)斷裂

1 球頭掛環(huán)的力學(xué)性能的分析

1.1 球頭掛環(huán)的模型的建立

根據(jù)球頭掛環(huán)主要尺寸，見表1，繪制QP－16的3D模型(圖6－7)，同時根據(jù)制造工藝的不同，在整個結(jié)構(gòu)的過渡部位，進行了適當(dāng)?shù)奶幚恚怪M量的平滑過渡，這與實際的工件處理相一致.

表1 QP－16球頭掛環(huán)的主要尺寸

1.2 球頭掛環(huán)邊界條件的分析

架空線上的球頭掛環(huán)的下端腳球上橢圓面跟絕緣子的帽窩部位接觸連接，架空線的載荷通過線夾、絕緣子通過帽窩傳遞給球頭掛環(huán)的腳球;而球頭掛環(huán)的上部則UB掛板或者U型螺絲與塔的掛點相連接(如圖8).雖然球頭掛環(huán)的上部圓環(huán)可以沿順線路防線，但是在微風(fēng)橫向風(fēng)載的情況下，其橫向的位移較小，因此在仿真的過程中將整個內(nèi)環(huán)的面全部約束;導(dǎo)線的微風(fēng)振動，導(dǎo)致球頭掛環(huán)上下振動.在極端天氣情況下，球頭掛環(huán)會發(fā)生橫向的位移，若球頭掛環(huán)的連接部位不靈活，可能會受到球帽給予球頸的橫向彎曲載荷(如圖9).

圖6 球頭掛環(huán)實物圖

圖7 球頭掛環(huán)3D模型

圖8 線路上球頭掛環(huán)連接方式及位置

圖9 球腳在帽窩的中的可能位置［5］

1.3 計算載荷下靜力學(xué)仿真分析

在球頭掛環(huán)邊界條件分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合QP－16球頭掛環(huán)的實驗數(shù)據(jù)(見表2)，運用workbenck軟件進行靜態(tài)承載的分析，一般QP－16球頭掛環(huán)所用的材質(zhì)為45#鋼，其彈性模量E=210GPa及泊松比u=0.3.根據(jù)該型球頭掛環(huán)在LGJ－240/30六分裂架空線上浮冰有風(fēng)的載荷可達58571.42N，在腳球上表面添加該載荷.

表2 球頭掛環(huán)常規(guī)力學(xué)性能［4］

由仿真的結(jié)果分析，在球頭掛環(huán)腳球與腳徑過渡部位應(yīng)力較大，即該處的應(yīng)變也較大(如圖10～12)，那么在交變載荷作用下，理論上會在這個部位首先發(fā)生疲勞裂紋.然而，在運行的架空線中，腳球在架空線橫向載荷以及其他動態(tài)載荷的作用下，其在帽窩中會發(fā)生傾斜，甚至腳頸受鱉與A點，那么球頭掛環(huán)就會彎矩的作用，同時在A也會發(fā)生摩擦(如圖9)，導(dǎo)致其外表面遭到破壞.故疲勞破壞可能會在腳頸出球帽的出口處(如圖1～5).

圖10 剖切球頭掛環(huán)連應(yīng)力分布

圖12 球頭掛環(huán)連應(yīng)力分布

圖12 球頭掛環(huán)連應(yīng)變分布

2 球頭掛環(huán)疲勞試驗以及壽命曲線擬合

2.1 球頭掛環(huán)的疲勞試驗

基于輸電線路球頭掛環(huán)的工況條件，華北電科院高壓所線路組開發(fā)了一套型號為PWS－500液壓式伺服疲勞試驗機(如圖13、14)，同時對QP－16型球頭掛環(huán)試件施加交變載荷，直到疲勞失效［4］.

對疲勞破壞的球頭掛環(huán)的試件進行分析，由圖15、16試件的斷口可以發(fā)現(xiàn)該斷口具有疲勞破壞的一般特征，該斷口包括疲勞源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬時失效斷裂區(qū)三部分，且疲勞源區(qū)高低不平，顏色暗淡;擴展區(qū)與整個疲勞破壞的斷面相比較小;瞬時失效斷裂區(qū)面積較大，且有放射狀擴展的形態(tài);在電鏡觀察下球頭掛環(huán)的桿部周向存在大量微裂紋(圖17所示).

圖13 電液伺服疲勞試驗機

2.2 球頭掛環(huán)疲勞壽命曲線

運用設(shè)計的疲勞試驗機對QP－16球頭掛環(huán)進行5組疲勞實驗，因為疲勞實驗耗費巨大，試驗得出疲勞破壞的振幅與次數(shù)見表3.

圖14 球頭掛環(huán)試樣安裝位置圖

圖15 球頭掛環(huán)的疲勞試驗的破壞的宏觀形態(tài)

圖16 球頭掛環(huán)的疲勞試驗的破壞的裂紋

圖17 球頭掛環(huán)的疲勞試驗的破壞的裂紋

表3 QP－16球頭掛環(huán)疲勞實驗數(shù)據(jù)［4］

根據(jù)疲勞實驗的經(jīng)驗，對表實驗數(shù)據(jù)進行冪函數(shù)的擬合，得出的球頭掛環(huán)的疲勞壽命曲線如圖18所示，同時得出該型號的球頭掛環(huán)的壽命具體表達式.

其中y為振動幅度;x為振動次數(shù).

圖18 QP－16球頭掛環(huán)的疲勞壽命曲線

從擬合的曲線進行分析，振幅大，試件發(fā)生疲勞破壞時的次數(shù)就少，即壽命較短;隨著振幅的減少，試件發(fā)生疲勞破壞時的次數(shù)就相應(yīng)的增加，即壽命延長;這說明實驗的數(shù)據(jù)相對可靠，再個在從文獻［1、3、4］中對試件的微觀與宏觀的分析，與線路上發(fā)生疲勞破壞的球頭掛環(huán)的疲勞破壞的特征相一致，也進一步的佐證了該實驗數(shù)據(jù)的正確性.

3 球頭掛環(huán)的壽命評估

3.1 架空線微風(fēng)振動數(shù)據(jù)的處理

架空線通過線夾與絕緣子相連，球頭掛環(huán)通過復(fù)合絕緣子的球碗相連，U型螺絲或者UB掛板通過QP掛環(huán)相連，導(dǎo)線振動載荷將通過連接處傳遞，由于平均檔距為500 m的架空線，4－6分裂的架空線其重量可達2～4 t左右，一般風(fēng)載作用下的導(dǎo)線的振動產(chǎn)生的振幅，與其導(dǎo)線自重相比較小;倘若在15 m/s風(fēng)速情況，風(fēng)載可達到其自重的載荷［6］.

架空線在工況下發(fā)生微風(fēng)振動時間占其在線工作時間居多，然而此時產(chǎn)生的振幅，不會使絕緣子或者球頭掛環(huán)處于壓縮狀態(tài)，它們?nèi)耘f處于被拉伸的狀態(tài)，只不過使拉伸載荷產(chǎn)生了一個變化的范圍.

由文獻［7］計算的架空線LGJ－400/35微風(fēng)振動次數(shù)如表4所示，以及文獻［6］所用的復(fù)合絕緣子為FXBW－500/300，結(jié)合平均檔距為500 m四分裂架空線自重為52449.62 N，參照FXBW－500/300芯棒與芯棒外絕緣套的半徑(芯棒半徑20 mm，外絕緣套厚度為5 mm)以及QP－16球頭掛環(huán)的球頭與復(fù)合絕緣子的接觸面積(這里的接觸面積占整個腳球上表面面積的60%)等情況，運用擬合的公式(1)，進行了計算以及數(shù)據(jù)處理，處理的數(shù)據(jù)見表4、5所示.

3.2 QP－16球頭掛環(huán)的壽命評估

由于球頭掛環(huán)是架空線的一個重要的連接部件，加之球頭掛環(huán)的疲勞破壞屢次發(fā)生，且其疲勞破壞較為隱蔽，所有有必要對其進行壽命評估，本節(jié)在上一節(jié)的基礎(chǔ)上，運用Miner理論進行評估，這是因為架空線由于振動產(chǎn)生的載荷，對球頭掛環(huán)的沖擊較小.其疲勞使用系數(shù)見表6、7 所示.

表4 球頭掛環(huán)的振動次數(shù)與振動幅值［6－7］

表5 球頭掛環(huán)的振動次數(shù)與振動幅值

表6 球頭掛環(huán)疲勞使用系數(shù)

表7 球頭掛環(huán)疲勞使用系數(shù)

經(jīng)計算所得疲勞使用系數(shù)的和∑ =0.374705，而1/∑ =2.668769，近似為3年;實際球頭掛環(huán)工作在一個變化的拉伸載荷下，而非一個交變載荷，故可將球頭掛環(huán)的壽命延長至6年;鑒于此在架空線上的QP－16球頭掛環(huán)需要6年進行抽檢或者更換，對于那些工作在風(fēng)口處的球頭掛環(huán)，宜三年進行抽檢，特別是進行靜載拉力試驗.若其破壞載荷低于70% －65%SLM，應(yīng)及時更換.

4 結(jié)束語

在計算分析的基礎(chǔ)上，完成了QP－16球頭掛環(huán)的建模與仿真工作，給出了靜態(tài)載荷下球頭掛環(huán)的受力數(shù)值仿真，為使用軟件研究球頭掛環(huán)的動態(tài)特性奠定了基礎(chǔ)，也為生產(chǎn)廠家了解壓接部位受力分布以及生產(chǎn)工藝改進具有一定的意義;同時基于疲勞實驗數(shù)據(jù)，運用擬合方法，得出了球頭掛環(huán)的壽命函數(shù)的表達式，將計算的架空線動態(tài)載荷，代入了壽命計算公式，完成了球頭掛環(huán)的壽命評估，并給出了球頭掛環(huán)的檢修時間，為球頭掛環(huán)定期抽檢提供了參考.

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［5］ 朱文發(fā).500 kV大房二回線路—球頭掛環(huán)斷裂淺析［J］.電力金具，1989(1):28－33.

［6］ 謝占山.500 kV“V”串復(fù)合絕緣子機械疲勞試驗研究［D］.保定:華北電力大學(xué)，2012.

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