某線路U型球頭連接金具破壞載荷試驗(yàn)分析

王建東，劉曉龍，張志國，劉金慧，李海龍

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006)

針對某線路U型連接金具的材質(zhì)性能和斷裂特征進(jìn)行詳細(xì)分析，針對金具破壞載荷試驗(yàn)和疲勞性能進(jìn)行測試，并分析其靜載和疲勞載荷下的安全性，發(fā)現(xiàn)該金具存在的問題。提出該連接金具應(yīng)采用的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，以此滿足連接金具線路設(shè)計(jì)要求。

1 破壞載荷試驗(yàn)

按照金具試驗(yàn)項(xiàng)目中破壞荷重試驗(yàn)要求進(jìn)行球頭掛環(huán)破壞試驗(yàn)[1]。對帶裂紋58號和57號球頭掛環(huán)進(jìn)行破壞荷重試驗(yàn)，及對無裂紋的2個球頭掛環(huán)進(jìn)行破壞荷重試驗(yàn)，破壞荷重試驗(yàn)拉伸速率比通常拉伸試驗(yàn)速率快1個數(shù)量級，各球頭掛環(huán)的破壞載荷分別為24.2 kN、23.8 kN、24.6 kN和25.4 kN。計(jì)算出各球頭掛環(huán)的抗拉強(qiáng)度分別為685.1 MPa、673.7 MPa、696.4 MPa和719 MPa。

所有破壞荷重試驗(yàn)的球頭掛環(huán)的斷裂位置在軸頸中部。其中58號根部帶裂紋的球頭掛環(huán)未在裂紋處斷裂，57號中部帶裂紋的球頭掛環(huán)在中部裂紋處斷裂?？梢?，受靜載破壞時(shí)，該球頭掛環(huán)結(jié)構(gòu)合理。

球頭掛環(huán)裂紋是在交變疲勞載荷作用下形成的，線路投運(yùn)2年多，球頭掛環(huán)出現(xiàn)斷裂并形成裂紋，說明該球頭掛環(huán)結(jié)構(gòu)不能滿足金具疲勞設(shè)計(jì)要求。

2 疲勞性能

疲勞試樣幾何尺寸如圖1所示，樣品取樣部位在球頭掛環(huán)的側(cè)板和軸上。在R=0.1(R為疲勞載荷最大值與最小值比值[2])時(shí)疲勞曲線如圖2所示。

圖1 疲勞試樣幾何尺寸

圖2 疲勞曲線(R=0.1)

由圖2可見，該球頭掛環(huán)的疲勞強(qiáng)度極限為300 MPa，圖中三角形點(diǎn)(掛環(huán)軸處試樣)的疲勞強(qiáng)度達(dá)到400 MPa，該球頭掛環(huán)的疲勞性能數(shù)據(jù)存在較大分散性，這與材料組織不均勻性有關(guān)，存在一定缺陷。

R=0.1時(shí)，這批球頭掛環(huán)的疲勞強(qiáng)度極限為300 MPa。由于實(shí)際環(huán)境中的載荷方式應(yīng)R>0.1，疲勞強(qiáng)度極限應(yīng)低于疲勞極限300 MPa。

不同條件下疲勞試樣斷口不同位置形貌如圖3所示。從斷口形貌看，裂紋萌生均在過燒組織處，見圖中裂紋源(箭頭位置)，可見該球頭掛環(huán)鍛造時(shí)，加熱溫度過高或加熱時(shí)間過長出現(xiàn)過燒。瞬斷區(qū)和擴(kuò)展區(qū)的解理面較大證明該球頭掛環(huán)鍛造時(shí)，加熱溫度過高或加熱時(shí)間過長導(dǎo)致晶粒粗大[3]，說明生產(chǎn)廠家的65Mn鋼鍛造工藝不夠精密，鍛造時(shí)溫度控制差，這是造成球頭掛環(huán)出現(xiàn)過燒缺陷的原因。

圖3 不同條件下疲勞試樣斷口不同位置的形貌

由于球頭掛環(huán)存在過燒組織缺陷，因而降低了球頭掛環(huán)的疲勞性能，使該球頭掛環(huán)在R=0.1下的疲勞強(qiáng)度降低到300 MPa，并且疲勞性能數(shù)據(jù)較分散。

3 可靠性分析

從選材角度，通常65Mn鋼多采用調(diào)質(zhì)處理工藝，可體現(xiàn)出65Mn鋼屈強(qiáng)比高的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)金具設(shè)計(jì)和DL/T5092—1999《110～500 kV架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中的要求，金具的安全系數(shù)不小于最大使用載荷情況的2.5倍[4]。某線路上球頭掛環(huán)承受實(shí)際最大載荷為7.7 kN，該球頭掛環(huán)選型的破壞載荷為21 kN，實(shí)際測量破壞載荷大于24 kN。可見，該球頭掛環(huán)的金具設(shè)計(jì)安全系數(shù)為2.73。根據(jù)金具及線路相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，該球頭掛環(huán)符合金具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

對于結(jié)構(gòu)鋼的軋件和鍛件，以屈服極限為基準(zhǔn)的安全系數(shù)推薦值為[n]s=1.2～2.2，鑄鋼件為[n]s=1.6～2.5。以強(qiáng)度極限為基準(zhǔn)的安全系數(shù)，鋼件[n]b=2.0～3.5，鑄鐵[n]b=4.0[5]。

以65Mn鋼的退火狀態(tài)為依據(jù)，屈服強(qiáng)度最小為392 MPa，斷裂強(qiáng)度最小為736 MPa，從機(jī)械零部件設(shè)計(jì)角度考慮，以屈服極限為準(zhǔn)則時(shí)，采用目前球頭掛環(huán)尺寸直徑為21 mm，計(jì)算得到球頭掛環(huán)的設(shè)計(jì)承受載荷應(yīng)為13.86 kN。而目前該球頭掛環(huán)從金具設(shè)計(jì)上使用載荷為21 kN和24 kN，顯然兩方面設(shè)計(jì)存在較大差異。

而實(shí)際測量的球頭掛環(huán)的屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度最小值分別為370 MPa和650 MPa。從機(jī)械零部件設(shè)計(jì)角度考慮，以屈服極限為準(zhǔn)則時(shí)，采用目前球頭掛環(huán)尺寸直徑為21 mm，計(jì)算得到球頭掛環(huán)的設(shè)計(jì)承受載荷應(yīng)為13.09 kN。正常情況下線路上實(shí)際最大載荷達(dá)到7.7 kN，按照材料屈服強(qiáng)度最小值為392 MPa，計(jì)算得到球頭掛環(huán)能承受最小載荷為13.57 kN。目前球頭掛環(huán)的正常設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.8，而實(shí)際安全系數(shù)為1.7，安全系數(shù)在推薦值范圍內(nèi)，小于金具設(shè)計(jì)要求。

考慮以強(qiáng)度極限為準(zhǔn)則時(shí)，安全系數(shù)取最小值2.0時(shí)，采用目前球頭尺寸直徑為21 mm，計(jì)算得到設(shè)計(jì)承受載荷應(yīng)為13 kN。而目前該球頭掛環(huán)從金具設(shè)計(jì)上使用載荷為21 kN和24 kN。顯然兩方面設(shè)計(jì)存在較大差異。

從機(jī)械零部件設(shè)計(jì)角度考慮，以強(qiáng)度極限為準(zhǔn)則時(shí)，采用目前球頭掛環(huán)尺寸直徑為21 mm，計(jì)算得到設(shè)計(jì)承受載荷應(yīng)為22.95 kN。正常情況下線路上實(shí)際最大載荷為7.7 kN，按照材料斷裂強(qiáng)度最小值為736 MPa，計(jì)算得到球頭掛環(huán)能承受最小載荷為26.18 kN，目前球頭掛環(huán)的正常設(shè)計(jì)安全系數(shù)為3.4，而實(shí)際安全系數(shù)為2.98。安全系數(shù)在推薦值范圍內(nèi)，滿足金具設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以65 Mn鋼的正火狀態(tài)為依據(jù)，屈服強(qiáng)度最小為431 MPa，斷裂強(qiáng)度最小為735 MPa，從機(jī)械零部件設(shè)計(jì)角度考慮，以屈服極限為準(zhǔn)則時(shí)，對球頭掛環(huán)尺寸直徑為21 mm，計(jì)算得到設(shè)計(jì)承受載荷應(yīng)為15.24 kN。正常情況下線路上實(shí)際最大載荷為7.7 kN，正常設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.98?？紤]以強(qiáng)度極限為準(zhǔn)則時(shí)，對球頭掛環(huán)尺寸直徑為21 mm，計(jì)算得到設(shè)計(jì)承受載荷應(yīng)為26.0 kN。正常情況下，線路上實(shí)際最大載荷為7.7 kN，設(shè)計(jì)安全系數(shù)為3.38。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以65Mn鋼的調(diào)質(zhì)處理狀態(tài)為依據(jù)，屈服強(qiáng)度最小為784 MPa，斷裂強(qiáng)度最小為980 MPa，從機(jī)械零部件設(shè)計(jì)角度考慮，以屈服極限為準(zhǔn)則時(shí)，對球頭掛環(huán)尺寸直徑為21 mm，計(jì)算得到設(shè)計(jì)承受載荷應(yīng)為27.72 kN。正常情況下，線路上實(shí)際最大載荷為7.7 kN，設(shè)計(jì)安全系數(shù)為3.6。考慮以強(qiáng)度極限為準(zhǔn)則時(shí)，對球頭掛環(huán)尺寸直徑為21 mm，計(jì)算得到設(shè)計(jì)承受載荷應(yīng)為34.6 kN。正常情況下線路上實(shí)際最大載荷為7.7 kN，設(shè)計(jì)安全系數(shù)為4.5。屈服極限和強(qiáng)度極限準(zhǔn)則，安全系數(shù)均能滿足金具設(shè)計(jì)要求。

按照通常承受靜載構(gòu)件，考慮到金具可以以屈服變形為失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。通過對不同熱處理制度下65Mn鋼的安全系數(shù)分析，當(dāng)采用正火或退火處理工藝時(shí)，不能滿足線路設(shè)計(jì)要求。當(dāng)采用調(diào)質(zhì)處理時(shí)，能滿足實(shí)際安全運(yùn)行要求。

在疲勞強(qiáng)度計(jì)算中的許用安全值中，軋件及鍛鋼件一般取以疲勞極限為基準(zhǔn)的許用安全值[n]-1=1.5～2.5；鑄鋼件[n]-1=1.8～2.8。當(dāng)材料均勻載荷應(yīng)力計(jì)算準(zhǔn)確時(shí)，許用安全系數(shù)可降低到[n]-1=1.3及1.3以下[1]。該球頭掛環(huán)R=0.1下的疲勞極限為300 MPa，材料的疲勞極限隨R增大而降低。R=-1下許用值最小為1.5，得到疲勞設(shè)計(jì)應(yīng)力為200 MPa。通過計(jì)算該球頭掛環(huán)最大疲勞載荷為218 MPa。可見，從疲勞極限角度考慮，該球頭掛環(huán)疲勞性能存在一定不足，有待提高。

從材料力學(xué)方面經(jīng)驗(yàn)公式得到：σ-1=0.5σb，調(diào)質(zhì)處理工藝下，65Mn鋼σ-1下疲勞極限為392 MPa，正火處理和退火處理下65Mn鋼的疲勞極限分別為216 MPa和196 MPa。可見，只有調(diào)質(zhì)處理的65Mn鋼能滿足球頭掛環(huán)疲勞設(shè)計(jì)要求。

對采用65Mn鋼的球頭掛環(huán)應(yīng)使用調(diào)質(zhì)熱處理工藝，從疲勞強(qiáng)度和強(qiáng)度設(shè)計(jì)上能滿足線路設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也滿足金具設(shè)計(jì)要求，能保證在線路上安全運(yùn)行。

4 結(jié)束語

通過以上分析，該球頭掛環(huán)滿足金具破壞載荷設(shè)計(jì)要求，但沒有滿足材料強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。該球頭掛環(huán)材料采用退火和正火處理不能達(dá)到強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，采用調(diào)質(zhì)處理能滿足強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。建議該掛環(huán)生產(chǎn)熱處理工藝采用調(diào)質(zhì)處理。