碗頭掛板的有限元分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)＊

蔡猛昌，龔俊杰，徐有巖，丁曉亮

（1.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.江蘇捷凱電力器材有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225233）

0 引言

碗頭掛板作為電網(wǎng)建設(shè)中重要的連接金具，主要用于連接懸垂線夾與絕緣子串，與其他配件配合起到連接導(dǎo)線和絕緣的作用［1，2］。通過對國內(nèi)各大輸電線路的故障分析可知，輸電線路的癱瘓主要是由于電力金具存在不同程度的磨損與斷裂［3，4］，因此需要對電力金具進(jìn)行強(qiáng)度分析以及結(jié)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化。楊迎春等［5］于2008年對某一220 k V輸電線路進(jìn)行分析，認(rèn)為掛板由于受力不均，加上運(yùn)行時(shí)間較長，在導(dǎo)線和絕緣子重力、振動(dòng)的共同作用下產(chǎn)生裂紋并不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致輸電線路斷線。

因而，對碗頭掛板的研究具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前國內(nèi)生產(chǎn)的碗頭掛板主要有單聯(lián)W型、雙聯(lián)WS型兩種，本文以江蘇捷凱電力器材有限公司生產(chǎn)的WS－530FB型碗頭掛板為研究對象，分析其應(yīng)力分布情況，并對應(yīng)力較大的部位進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 碗頭掛板的應(yīng)力分析

1.1 模型的建立

通過Solid Works建立幾何模型，導(dǎo)入到ABAQUS中進(jìn)行分析，由于碗頭掛板為對稱結(jié)構(gòu)，因此分析時(shí)采用1／2模型。在外套與內(nèi)襯、內(nèi)襯與球頭拉環(huán)、螺栓與外套、螺栓與內(nèi)襯4個(gè)接觸區(qū)定義摩擦系數(shù)為0.15的摩擦接觸，有限元計(jì)算時(shí)對接觸區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化［6，7］，劃分網(wǎng)格后生成76 323個(gè)單元和19 620個(gè)節(jié)點(diǎn)。碗頭掛板的幾何模型和有限元模型分別如圖1、圖2所示。

碗頭掛板的內(nèi)襯和外套的材料為45鋼（淬火處理），球頭拉環(huán)的材料為40Cr，螺栓的材料為Q345，所有材料均可看作是各向同性的線彈性體，其力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

圖1 碗頭掛板的幾何模型

圖2 碗頭掛板的有限元模型

表1 材料的力學(xué)性能參數(shù)

1.2 約束與加載

在輸電線路中，碗頭掛板的主要作用是懸掛絕緣子串以及懸垂線夾。對球頭拉環(huán)的上端進(jìn)行全約束，并在對稱面處設(shè)置對稱約束。碗頭掛板的標(biāo)稱破壞載荷為550 k N［8］，安全系數(shù)取1.2，則實(shí)際載荷為660 k N，施加在螺栓的上表面。

1.3 計(jì)算結(jié)果分析

圖3、圖4給出了由有限元法計(jì)算得到的在最大破壞載荷下碗頭掛板外套和內(nèi)襯的Mises應(yīng)力云圖。

圖3表明，外套的最大應(yīng)力為1 567 MPa，發(fā)生在螺栓孔下表面內(nèi)側(cè)的尖角處，主要是由于與螺栓的擠壓而形成的應(yīng)力集中，導(dǎo)致螺栓孔下側(cè)尖角處局部被壓潰，壓潰后此處的應(yīng)力集中現(xiàn)象將得到明顯的改善，因此此處應(yīng)力集中不予考慮；外套其余部位應(yīng)力比較大的位置在其肩部，最大值為335 MPa。

圖4表明，內(nèi)襯的最大應(yīng)力為2 376 MPa，發(fā)生在螺栓孔下表面內(nèi)側(cè)的尖角處，形成原因與外套相同，也不予考慮；內(nèi)襯應(yīng)力比較大的部位也在其肩部，最大值為1 375 MPa。

圖3 外套應(yīng)力分布云圖

1.4 應(yīng)力測試

圖4 內(nèi)襯應(yīng)力分布云圖

為驗(yàn)證有限元模型的正確性，在碗頭掛板的外套上布置了5個(gè)測點(diǎn)，分別貼上雙向電阻應(yīng)變片，在100 t的拉力試驗(yàn)機(jī)上緩慢加載到66×104N，通過靜態(tài)應(yīng)變儀測量各點(diǎn)的應(yīng)變以獲得其應(yīng)力。

各測點(diǎn)的應(yīng)力測試結(jié)果以及對應(yīng)位置的有限元計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 有限元結(jié)果與測試結(jié)果對比

由表2得出，兩者誤差在5%之內(nèi)，因此有限元模型是正確的，可以用此模型進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2 碗頭掛板的改進(jìn)設(shè)計(jì)

結(jié)合有限元分析結(jié)果，提出如下3個(gè)改進(jìn)方案：

（1）將內(nèi)襯與外套的肩部做R10圓角過渡處理，內(nèi)襯肩部上抬10 mm，將內(nèi)襯的中間腰部切去一圈，外套外側(cè)削成平面。

（2）將內(nèi)襯與外套的肩部做R10圓角過渡處理，內(nèi)襯肩部上抬10 mm，外套外側(cè)削成平面。

（3）將內(nèi)襯與外套的肩部做R10圓角過渡處理，內(nèi)襯肩部上抬10 mm，將內(nèi)襯的中間腰部切去一圈，外套外側(cè)削成平面（從底到頂），螺栓改為帶螺帽的螺栓。

將修改好的模型重新導(dǎo)入到ABAQUS中進(jìn)行分析，各方案的計(jì)算結(jié)果如表3所示，表3中同時(shí)給出各改進(jìn)方案的總質(zhì)量。

表3 各改進(jìn)方案的有限元計(jì)算結(jié)果

由表3可知，外套肩部的最大應(yīng)力均有明顯的下降。對于方案1和方案3，內(nèi)襯肩部的最大應(yīng)力下降幅度不太明顯，而方案2的最大應(yīng)力由1 375 MPa下降到1 162 MPa，同時(shí)也使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量減少了0.18 kg，因此方案2的改進(jìn)效果明顯。

3 結(jié)論

通過有限元分析軟件ABAQUS對碗頭掛板進(jìn)行應(yīng)力分析，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，確定正確的有限元模型。根據(jù)分析結(jié)果提出改進(jìn)方案并進(jìn)行計(jì)算，在綜合考慮肩部應(yīng)力和質(zhì)量的基礎(chǔ)上，選擇將內(nèi)襯與外套的肩部做R10圓角過渡處理、內(nèi)襯肩部上抬10 mm、外套外側(cè)削成平面為最終的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

［1］ 魏光國.國有電力金具企業(yè)現(xiàn)狀分析及改進(jìn)建議［J］.科技傳播，2011（12）：65－66.

［2］ 候仁保.電力線路金具的展望［J］.供用電，2001，18（5）：24－26.

［3］ 錢公.輸變電線路金具失效原因分析［J］.華北電力技術(shù)，1997（8）：20－22.

［4］ 吳國宏.電力金具凍裂原因分析及預(yù)防措施［J］.電力建設(shè)，2007，28（2）：73－75.

［5］ 楊迎春，艾川.220k V線路直角掛板斷裂原因分析［J］.云南電力技術(shù)，2008，36（6）：24－26.

［6］ 張建華，丁磊.ABAQUS基礎(chǔ)入門與案例精通［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

［7］ 張文志，韓慶凱，劉亞忠，等.機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

［8］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB／T 2315－2008電力金具標(biāo)稱破壞載荷系列及連接型式尺寸［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009：1－2.