鋼芯鋁絞線同層線股間接觸有限元分析

趙新澤 周 權(quán) 高 偉

(三峽大學(xué)機(jī)械與材料學(xué)院,湖北宜昌 443002)

鋼芯鋁絞線作為輸電線路上的重要載體,在實(shí)際工作過(guò)程中,由于風(fēng)載等的影響,張緊的導(dǎo)線將產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象.導(dǎo)線在振動(dòng)過(guò)程中股線之間將會(huì)發(fā)生微動(dòng)滑移,這種滑移將引起導(dǎo)線間的磨損[1].由于鋼芯鋁絞線的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,因此各層股線間的磨損情況也是不同的.為了研究同層股線間的磨損,本文利用有限元軟件ABAQUS分析了受載條件下鋼芯鋁絞線同層線股間的接觸問(wèn)題.

1 鋼芯鋁絞線的力學(xué)模型

鋼芯鋁絞線是由鋁股和鋼芯捻制而成的,一般都是最外層鋁導(dǎo)線向右捻制,然后向內(nèi)逐層左右交替.在放線的過(guò)程中,整根導(dǎo)線將承受沿導(dǎo)線方向上放線張力T的作用,鋼芯和鋁股所受力分別為 TG和 TL,其計(jì)算式為[2]:

式中,EG為鋼芯的彈性模量(MPa);EL為鋁股的彈性模量(MPa);AG為鋼芯的總截面積(mm2);AL為鋁股的總截面積(mm2).

對(duì)于鋼芯鋁絞線中的同層絞線,如果忽略捻制角度的變化,那么同層每一根絞線所受的張拉力是相等的,其受力如圖1所示.

圖1 同層股線受力示意圖

單根股線受到的張力可以分解為沿股線軸線的力Pi和垂直股線軸線方向的擠壓力Ni,由圖1可知其表達(dá)式分別為:

式中,Ti為第i層單根股線所受張力;αi為第i層股線的螺旋角,αi=arctan(mi/π);mi為第i層股線的節(jié)徑比.當(dāng)鋼芯鋁絞線產(chǎn)生振動(dòng)時(shí),張緊的導(dǎo)線股線之間會(huì)產(chǎn)生微小的相對(duì)滑移,從而導(dǎo)致導(dǎo)線的磨損.

2 同層股線間接觸力學(xué)模型

以LGJ-150/25(GB1179-83)為算例,其截面結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,中心為一根鋼絲,鋼芯層和鋁股層依次由內(nèi)向外捻制.各結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表1～2.

圖2 LGJ-150/25(GB1179-83)截面結(jié)構(gòu)示意圖

表1 LGJ-150/25(GB1179-83)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 LGJ-150/25(GB1179-83)基本結(jié)構(gòu)尺寸

考慮到整根導(dǎo)線的彈性性能,以10%UTS張力對(duì)各層股線進(jìn)行計(jì)算,股層的節(jié)徑比mi取中間值,鋼芯和鋁股的彈性模量分別為136 500 MPa和59 000 MPa.則由式(1)～(4)可得各層股線單根所受擠壓力、軸向分力以及螺旋角,計(jì)算結(jié)果列于表3中.

表3 10%UTS下各層股線受力分量

取外層一個(gè)節(jié)距長(zhǎng)度為對(duì)象,各層股線展開(kāi)結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 股線展開(kāi)結(jié)構(gòu)示意圖

圖中l(wèi)i為各層股線的節(jié)距,αi為螺旋角,Di為節(jié)圓直徑.則單位長(zhǎng)度上的擠壓力為

式中,Li為第i層股線長(zhǎng)度;計(jì)算得各同層股線之間的單位長(zhǎng)度擠壓應(yīng)力大小見(jiàn)表4.

表4 單位長(zhǎng)度上股線受擠壓應(yīng)力

對(duì)于第i層股線的兩相鄰線股,由于受到股線擠壓力分量的作用,兩股線將緊密接觸.在擠壓力的作用下,當(dāng)接觸面產(chǎn)生相對(duì)滑移或有相對(duì)滑移的趨勢(shì)時(shí),接觸面將產(chǎn)生摩擦磨損.而摩擦磨損與接觸面上的應(yīng)力分布是密切相關(guān)的.

同一股層相鄰兩股線的接觸模型為圓柱面與圓柱面的接觸形式,運(yùn)用有限元分析軟件ABAQUS建立二維接觸模型并進(jìn)行接觸分析.由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,只建立1/4模型,以便加快計(jì)算速度.對(duì)于外層和次外層的同層鋁股,半徑均為2.7mm,彈性模量和泊松比分別為59 000 MPa和0.3;內(nèi)層的鋼芯半徑為2.1mm,彈性模量和泊松比分別為136 500 MPa和0.28;添加完材料屬性和接觸屬性后,施加載荷以及邊界條件,進(jìn)行接觸求解(如圖4所示).有限元計(jì)算結(jié)果與Hertz求解[3]結(jié)果列于表5.

圖4 同層股線線股間的接觸模型

表5 有限元計(jì)算與Hertz解的結(jié)果比較

由表5可知,有限元解與Hertz解得的最大接觸應(yīng)力與接觸半寬結(jié)果基本相符,隨著從外層鋁股到內(nèi)層鋼芯擠壓應(yīng)力的變小,鋁股層的最大接觸應(yīng)力有所降低,而內(nèi)層鋼芯的最大接觸應(yīng)力為最大;外層鋁線的接觸區(qū)域半寬度比第2層鋁股線的接觸半寬大,第1層鋼芯的接觸半寬最小.同種材料下,接觸半寬和最大接觸應(yīng)力與擠壓應(yīng)力成正比.不同股層接觸區(qū)域應(yīng)力分布如圖5～7所示.

3 結(jié)果分析

表5的結(jié)果顯示,鋼芯鋁絞線由外層鋁股到內(nèi)層鋼芯擠壓力減小,接觸區(qū)域單位長(zhǎng)度上的擠壓應(yīng)力也隨之減小.鋁股層同層股線之間的最大接觸應(yīng)力與擠壓應(yīng)力成正比關(guān)系,且接觸半寬隨著擠壓應(yīng)力的增大而增大.由于第1層鋼芯的彈性模量較大,擠壓應(yīng)力引起的接觸半寬最小,而接觸區(qū)域的最大接觸應(yīng)力值為最大.鋼芯的硬度較鋁股的大,且抗磨損性較好,一般在同層股線中,嚴(yán)重的磨損大部分發(fā)生在鋁股層上[4],且外層鋁股較內(nèi)層的磨損程度大.由圖5～7中接觸區(qū)域的應(yīng)力分布曲線可知,在接觸中心接觸應(yīng)力達(dá)到最大值,并沿著接觸邊緣逐漸減小到零.因此,當(dāng)導(dǎo)線內(nèi)部產(chǎn)生同層股線間的微動(dòng)滑移時(shí),在接觸中心區(qū)域,接觸應(yīng)力較大,接觸面上無(wú)滑移,主要產(chǎn)生粘著磨損和塑性變形;在接觸邊緣區(qū)域,接觸應(yīng)力逐漸減小,接觸面上開(kāi)始出現(xiàn)滑移,主要產(chǎn)生滑動(dòng)磨損.

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)鋼芯鋁絞線同層線股間的擠壓力由外層鋁股到內(nèi)層鋼芯逐漸減小,股線的軸向分力逐漸變大,且大小都與股線的螺旋角有關(guān).

(2)隨著擠壓應(yīng)力的增大,外層鋁股間的最大接觸應(yīng)力比第2層鋁股間的最大接觸應(yīng)力大,接觸區(qū)半寬從外層鋁股向內(nèi)逐層減小,因此外層鋁股的磨損會(huì)比內(nèi)層鋁股嚴(yán)重.而鋼芯的最大接觸應(yīng)力又比鋁股層的最大接觸應(yīng)力大.

(3)同層股線間的接觸應(yīng)力分布由接觸中心向接觸邊緣逐漸變小,中心區(qū)域主要發(fā)生粘著磨損和塑性變形,接觸邊緣區(qū)域主要發(fā)生滑動(dòng)磨損.

[1] 趙新澤,勞海軍,高 偉.鋼芯鋁絞線絞線間接觸與磨損分析[J].潤(rùn)滑與密封,2009,34(11):48-52.

[2] 王 中.鋼芯鋁絞線的捻勁與節(jié)徑比[J].電力建設(shè), 2003(6):29-32.

[3] Johnson K L.接觸力學(xué)[M].徐秉業(yè),譯.北京:高等教育出版社,1992.

[4] 陳浩賓.高壓輸電導(dǎo)線微動(dòng)損傷及微動(dòng)疲勞壽命預(yù)測(cè)[D].武漢:華中科技大學(xué),2008.