鋼芯鋁絞導(dǎo)線的微動(dòng)疲勞及其壽命預(yù)測(cè)

陳國(guó)宏，倪滿生，劉俊建

安徽省電力科學(xué)研究院材料工程研究所，安徽合肥，230601

微動(dòng)疲勞是疲勞和微動(dòng)磨損協(xié)同作用導(dǎo)致的損傷過程。一般認(rèn)為，風(fēng)致振動(dòng)導(dǎo)致導(dǎo)線內(nèi)部股線之間、導(dǎo)線與線夾之間的微幅滑移和交變應(yīng)力，由此產(chǎn)生的微動(dòng)磨損，繼而引發(fā)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展是導(dǎo)線損傷、導(dǎo)線使用壽命降低的主要原因[1]。開展微風(fēng)振動(dòng)下架空導(dǎo)線的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估及其剩余壽命預(yù)測(cè)，有利于加強(qiáng)對(duì)架空導(dǎo)線運(yùn)行的管理，保障供電安全。

1 ACSR導(dǎo)線的微動(dòng)疲勞

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

選用LGJ150/20型鋼芯鋁絞線(ACSR)，該導(dǎo)線是由24股直徑為2.78 mm的 LY9硬鋁線和7股直徑為1.8 mm 的A級(jí)強(qiáng)度鍍鋅鋼絞線絞制而成；鋁線分兩層纏繞，外層15股、內(nèi)層9股，中心為7股鋼芯線(圖1)。自制的導(dǎo)線微動(dòng)裝置(圖2)的試驗(yàn)參數(shù)為：導(dǎo)線軸向靜載荷為51 MPa，微動(dòng)頻率為10 Hz，偏心輪的偏心距分別為0.8 mm、1.0mm、1.2 mm和1.4 mm，循環(huán)振動(dòng)周次依次為1.6×107、2.0×107和2.6×107。采用Zeiss EVO MA15型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)Al股線疲勞斷口及微動(dòng)磨損區(qū)進(jìn)行觀測(cè)。同時(shí)，在微動(dòng)Al股線的磨損區(qū)域取樣，其截面經(jīng)磨制、拋光后用10% NaOH水溶液腐蝕，在SEM下觀察截面形貌。

圖1 LGJ150/20型鋼芯鋁絞線結(jié)構(gòu)圖

1.2 ACSR導(dǎo)線微動(dòng)疲勞斷裂狀態(tài)

導(dǎo)線微動(dòng)疲勞試驗(yàn)結(jié)果可知：僅微動(dòng)振幅為1.0mm時(shí)導(dǎo)線發(fā)生線股斷裂，且導(dǎo)線經(jīng)歷1.6×107循環(huán)次數(shù)時(shí)，出現(xiàn)一根斷股。微動(dòng)振幅為0.8 mm、1.2 mm和1.4 mm的試驗(yàn)中，未發(fā)現(xiàn)斷股。

ACSR導(dǎo)線1.0 mm振幅微動(dòng)1.6×107后，Al股線斷股位置都位于導(dǎo)線與線夾最后接觸點(diǎn)處。經(jīng)歷2.6×107周數(shù)微動(dòng)，出現(xiàn)多根內(nèi)外層Al股線的斷裂。

圖2 導(dǎo)線微動(dòng)裝置及線夾系統(tǒng)

2 Al股線微動(dòng)疲勞斷口特征

內(nèi)外層Al股線的斷口分別呈現(xiàn)正斷、45°斷及“V”形斷三種不同形態(tài)特征(圖3)。但不論呈現(xiàn)何種斷口形態(tài)，內(nèi)外層Al股線都具有典型的微動(dòng)疲勞斷口，由疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)三個(gè)形貌不同的區(qū)域構(gòu)成，如圖2(a)。

2.1 疲勞源區(qū)

圖2(a)中的A區(qū)為疲勞源區(qū)。疲勞源區(qū)是疲勞裂紋的萌生區(qū)。在ACSR導(dǎo)線微動(dòng)試驗(yàn)中，微動(dòng)混合區(qū)在最后接觸點(diǎn)處是高應(yīng)力區(qū)，導(dǎo)線由于微動(dòng)磨損產(chǎn)生的表面損傷程度大，導(dǎo)致大的應(yīng)力集中，在微動(dòng)磨損表面分布大量徑向裂紋，最容易發(fā)生Al線股疲勞斷裂。

圖3(a)所示為微動(dòng)混合區(qū)磨損斑的磨損表面，依次為磨屑層、微動(dòng)暗層及塑性變形層三個(gè)亞層。大量的裂紋從暗層萌生，一些微裂紋在暗層中交匯，促使材料脫離基體，形成磨屑；另有一些較大裂紋則穿過暗層和塑性變形層，深入到Al股線的基體中，形成擴(kuò)展性裂紋，深入Al股線基體中的裂紋長(zhǎng)度約為50 μm，據(jù)此可認(rèn)為微動(dòng)疲勞裂紋已萌生[2-3]。

在表面摩擦力(切向載荷)和外加載荷(正向載荷)共同作用下，Ⅰ型裂紋沿45°方向向深度擴(kuò)展，擴(kuò)展深度達(dá)到40 μm。因摩擦力隨深度增加逐漸衰減，并在某一深度衰減為零，此后，在外加載荷單獨(dú)作用下該裂紋偏轉(zhuǎn)，促使Ⅱ型裂紋的形成[4]。

2.2 裂紋擴(kuò)展區(qū)

在ACSR導(dǎo)線微動(dòng)過程中，Al股線經(jīng)歷高周次的應(yīng)力循環(huán)，疲勞裂紋經(jīng)過反復(fù)的閉合與張開，緩慢地向?qū)Ь€內(nèi)部擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展區(qū)(圖3(a)中的B區(qū))是Al股線斷口上最重要的特征區(qū)域，占據(jù)了斷口的大部分。該區(qū)域斷口形貌的典型特征是貝紋線和疲勞輝紋。

貝紋線是疲勞斷口的主要宏觀特征。本文中ACSR導(dǎo)線的微動(dòng)疲勞試驗(yàn)是由固定在電動(dòng)機(jī)軸上的偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)懸垂線夾做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)導(dǎo)線與線夾運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)，導(dǎo)線所受載荷最大；相反，當(dāng)導(dǎo)線與線夾運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)，導(dǎo)線所受載荷最小(即為外加載荷)，造成微動(dòng)過程中ACSR導(dǎo)線中Al股線所受載荷發(fā)生周期性的變化，強(qiáng)度隨微動(dòng)振幅的增加而增大，導(dǎo)致在Al股線微動(dòng)疲勞斷口上出現(xiàn)貝紋線。

疲勞輝紋是疲勞斷口的主要微觀特征。Al股線微動(dòng)疲勞斷口上的疲勞輝紋是一系列彎曲呈波浪形并基本相互平行的條紋，其彎曲凸面指向裂紋擴(kuò)展方向。

圖3 Al股線斷口SEM形貌像

2.3 瞬時(shí)破斷區(qū)

瞬時(shí)破斷區(qū)(圖3(a)中C區(qū))是微動(dòng)疲勞試驗(yàn)中Al股線最后斷裂的區(qū)域，是疲勞裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展后形成的塑性斷口，呈現(xiàn)大量的韌窩結(jié)構(gòu)。在ACSR導(dǎo)線的微動(dòng)疲勞試驗(yàn)中，隨著疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，當(dāng)裂紋達(dá)到臨界尺寸時(shí)，Al股線的有效截面減小，當(dāng)外加應(yīng)力超出Al股線的斷裂強(qiáng)度時(shí)，疲勞裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，Al股線快速斷裂。

3 ACSR導(dǎo)線微動(dòng)磨損疲勞壽命預(yù)測(cè)

一般認(rèn)為，構(gòu)件微動(dòng)壽命是由微動(dòng)磨損壽命、 微動(dòng)疲勞裂紋萌生壽命和微動(dòng)疲勞裂紋擴(kuò)展壽命三部分組成[4-5]。對(duì)Al股線，研究發(fā)現(xiàn)其微動(dòng)磨損斑表面分布大量徑向裂紋，這些徑向裂紋在外加交變載荷下向線股內(nèi)部擴(kuò)展，如圖3所示，最終導(dǎo)致線股疲勞斷裂。據(jù)此可認(rèn)為，線股微動(dòng)磨損與疲勞裂紋萌生同時(shí)進(jìn)行或是同一過程，因此，對(duì)Al股線進(jìn)行斷裂壽命估算時(shí)可只計(jì)算微動(dòng)磨損壽命和疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。

3.1 ACSR導(dǎo)線微動(dòng)疲勞壽命預(yù)測(cè)模型

(1)

式中C、m為常數(shù)，與材料的微觀組織結(jié)構(gòu)、循環(huán)加載頻率和波形、環(huán)境、溫度及載荷比R相關(guān)；a0為構(gòu)件中裂紋初始尺寸(一般認(rèn)為，當(dāng)裂紋尺寸達(dá)到材料晶粒尺寸數(shù)量級(jí)時(shí)，裂紋已萌生)[7]，以構(gòu)件中可觀測(cè)到的最小裂紋尺寸計(jì)算，ac為構(gòu)件斷裂時(shí)裂紋的臨界尺寸；ΔK為應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍：

ΔK=Kmax-Kmin

(2)

式中Kmax、Kmin分別為一個(gè)疲勞應(yīng)力循環(huán)中的應(yīng)力強(qiáng)度因子的最大值和最小值：

(3)

式中Y是形狀因子，大小取決于裂紋長(zhǎng)度a與試樣寬度W的比值，即Y=a/W；σmax、σmin分別為疲勞循環(huán)應(yīng)力的最大值和最小值，Δσ為應(yīng)力變程。

由以上各式可得：

(4)

對(duì)(4)式進(jìn)行積分運(yùn)算：

(5)

則有疲勞壽命：

(6)

3.2 ACSR導(dǎo)線微動(dòng)疲勞壽命預(yù)測(cè)模型參數(shù)選擇

(6)式中a0應(yīng)選取疲勞源區(qū)裂紋縱深較小值，ac應(yīng)選取疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)長(zhǎng)度較大值，這樣就可以把導(dǎo)線表面微動(dòng)磨損以及疲勞裂紋萌生所需的循環(huán)周次共同算入疲勞裂紋擴(kuò)展所需循環(huán)周次，從而提高估算精度。

由以上分析，這里取a0=40 μm，ac=2 mm，對(duì)于Al股線，根據(jù)文獻(xiàn)[8]，C、m取值分別為：C=3×10-7，m=3.1。

由于疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力是接觸表面間的摩擦力，因此應(yīng)力變程Δσ=2μPtanθ，其中μ為線股間摩擦系數(shù)，取μ=0．2[9]；P為導(dǎo)線軸向應(yīng)力，θ為導(dǎo)線與水平方向夾角，均為試驗(yàn)參數(shù)：P=51 MPa，θ=10°；考慮微動(dòng)過程中導(dǎo)線的應(yīng)力變化，應(yīng)加上導(dǎo)線在偏心輪達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)的微應(yīng)變?chǔ)潘鶎?duì)應(yīng)的應(yīng)力ΔP。其中：

b為偏心輪的偏心距，試驗(yàn)中分別用到0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm和1.4 mm偏心輪的偏心距。

鋼芯鋁絞線的彈性模量：

式中，Eg、El分別是鋼芯的彈性模量(136 500 MPa)和鋁線股的彈性模量(59 000 MPa)，Sg、Sl分別是鋼芯的橫截面積和(20 mm2)鋁線股的橫截面積(150 mm2)，則微應(yīng)變?chǔ)潘鶎?duì)應(yīng)的應(yīng)力：

ΔP=E0ε

總的應(yīng)力變程：

Δσ=2μ(P+ΔP)tanθ

3.3 ACSR導(dǎo)線微動(dòng)疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果

分別計(jì)算不同振幅所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力變程和疲勞壽命，如表1所示。

表1 導(dǎo)線微動(dòng)疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果

振幅1.0 mm的微動(dòng)導(dǎo)線，以1.6×107次為發(fā)生斷裂的循環(huán)次數(shù)，則本研究所得模型預(yù)測(cè)壽命的估算誤差為13.31%，通過計(jì)算得出的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差低于20%，因此，可以認(rèn)為本文選取的預(yù)測(cè)方法以及對(duì)參數(shù)的選擇基本準(zhǔn)確。

微動(dòng)振幅為0.8 mm、1.2 mm和1.4 mm的試驗(yàn)中未發(fā)生斷股，表明：隨微動(dòng)振幅增加，導(dǎo)線的疲勞壽命顯著降低(表1)，并在某一特定微動(dòng)振幅(1.0 mm)達(dá)到最低點(diǎn)，其后隨微動(dòng)振幅增加，總的疲勞壽命回升。這是因?yàn)椋阂环矫娲蟮恼穹沟貌牧系哪p加劇，疲勞裂紋交匯，形成磨屑，材料的疲勞反而降低[10]；另一方面裂紋的萌生與擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力是微動(dòng)摩擦力和外加載荷，小振幅時(shí)，微動(dòng)摩擦力與外載荷同相位，接觸表面應(yīng)力疊加會(huì)使裂紋擴(kuò)展加??；相反，大的振幅時(shí)，微動(dòng)摩擦力與外載荷不同相位，二者相消，使得材料疲勞壽命增加[4]。與文獻(xiàn)[7]所述材料的疲勞對(duì)于微動(dòng)振幅存在閾值吻合。

4 結(jié) 論

(1)ACSR導(dǎo)線微動(dòng)疲勞過程中，內(nèi)外層Al股線的斷股都發(fā)生在高應(yīng)力區(qū)，即導(dǎo)線與線夾的最后接觸點(diǎn)處，該處Al股線嚴(yán)重的微動(dòng)磨損易促使疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致Al股線斷裂。

(2)導(dǎo)線斷口呈現(xiàn)正斷口、45°斷口和“V”形斷口三種形態(tài)，斷口由疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)三個(gè)不同形貌特征區(qū)域構(gòu)成。

(3)基于導(dǎo)線微動(dòng)疲勞斷裂機(jī)制，建立斷裂力學(xué)壽命預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差僅為13.31%，準(zhǔn)確度較高，可以用以預(yù)測(cè)ACSR導(dǎo)線線股的微動(dòng)疲勞試驗(yàn)壽命。

(4)斷裂力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：隨微動(dòng)振幅增加，導(dǎo)線疲勞壽命顯著降低，并在一閾值振幅(1.0 mm)處達(dá)到最低；其后隨微動(dòng)振幅增加，導(dǎo)線疲勞壽命回升。

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