線路金具沙粒磨損模擬試驗

葉鵬

摘要：本文以Q235材質的U型掛環(huán)為研究對象，選擇粒徑范圍在0.1-2.0mm、流量不同的沙粒作為外界影響因素，研究了在不同沙粒影響因素的條件下線路金具U型掛環(huán)的磨損情況，分析了沙粒流量和粒徑大小對線路金具磨損后顯微組織和機械性能的變化情況。結果表明，當沙粒流量一定時，隨著沙粒粒徑的增加，線路金具U型掛環(huán)的截面剩余率先增加后減小，當沙粒粒徑為1.5mm時，沙粒磨損程度最嚴重，另外，當沙粒粒徑一定時，全程一次性落沙對U型掛環(huán)的磨損情況最嚴重。通過對比、分析磨損后顯微組織與原始組織后發(fā)現(xiàn)靠近表面的組織被拉長，形成條狀組織，且原始晶界已經(jīng)很難分辨出來，從而推斷磨損行為只發(fā)生在材料表面。

關鍵詞：線路金具;沙粒磨損;機械性能;顯微組織

0 ?引言

線路金具是對線路起保護作用的部件，主要應用于電力系統(tǒng)的線路保護。但伴隨著新能源汽車的推廣，傳統(tǒng)內燃機汽車開始轉型，混合電動化汽車出現(xiàn)，為了延長汽車電路系統(tǒng)的使用壽命，需要對其線路進行保護，因此線路金具逐漸被應用在汽車領域。據(jù)統(tǒng)計，電力系統(tǒng)領域中線路金具損壞尤為嚴重的地區(qū)集中在我國環(huán)境比較惡劣的西北地區(qū)，由于受風力、沙塵暴、寒冷天氣等環(huán)境因素的影響，線路金具都遭受了不同程度的磨損，給電力正常運行帶來了極大的影響[1]。

近年來，越來越多的學者開始投入相關線路金具磨損的研究。由于線路金具磨損的影響因素較多，過程較復雜。邵俊楠等人[2]研究了風力對新疆地區(qū)輸電線路地線懸垂金具磨損的影響因素以及預防措施。朱弘釗等人[3]對沙漠地區(qū)的線路連接金具的磨損情況進行了研究，通過仿真模擬軟件預測了承載荷對線路金具磨損的影響，并通過實驗驗證了其預測結果，預測結果與實驗結果吻合度較高。這一研究實現(xiàn)了通過仿真軟件模擬提前做好線路金具的設計以及磨損防護。2018年鄧鶴鳴等人[4，5]相繼研究了沙粒磨損對線路金具的影響，起初通過實驗模擬了線路金具在風力、沙粒磨損條件下的電暈放電現(xiàn)象，然后基于模擬實驗又探討了具體的磨損行為以及現(xiàn)場與實驗結果的對比。本文主要研究了在沙粒影響的條件下線路金具的磨損情況，分析了沙粒流量和粒徑大小對線路金具磨損后組織形貌、機械性能的變化。

1 ?實驗設計

1.1 實驗材料

現(xiàn)階段，我國新疆地區(qū)線路金具磨損相比其他地區(qū)較為嚴重，特別是U型掛環(huán)線路金具，本文以U型掛環(huán)為研究對象，采用Q235材質，選擇沙粒物料作為外界影響因素，研究沙粒對U型掛環(huán)磨損的影響。

1.2 實驗設備

線路金具磨損試驗機，濟南一諾世紀試驗儀器有限公司;

落沙裝置，自主研發(fā)。

1.3 實驗條件

線路金具所施加的載荷力為6kN;金具擺動幅度為45°，擺動頻率為0.5Hz;金具擺動時間為10s。具體要求根據(jù)DL/T1693-2017——《輸電線路金具磨損試驗方法》進行操作。

1.4 實驗步驟

①選取不同粒徑的石英砂，分別為1.0mm、1.5mm和2.0mm，按照實驗條件進行磨損試驗，根據(jù)試驗結果分析、觀察線路金具U型掛環(huán)的磨損情況，以及磨損后的組織與性能變化。

②選取一定量的粒徑為0.1mm的石英砂，通過控制在一定時間段內分次落沙來改變沙塵的流量，分別采用不加沙、一次性落沙、間斷性落沙，根據(jù)試驗磨損結果分析沙粒流量對U型掛環(huán)的磨損程度變化，觀察磨損后的組織和性能變化。

1.5 實驗測試

①機械性能測試：根據(jù)GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》的要求對線路金具U型掛環(huán)進行拉伸性能和彎曲性能試驗測試。試驗所用設備為WEW1000D液壓試驗機，主要測試了不同條件的沙塵對U型掛環(huán)的機械性能。

②顯微組織測試：為了研究U型掛環(huán)沙粒磨損過程中的組織演化規(guī)律，需要對U型掛環(huán)試樣進行顯微分析，通過金相顯微鏡觀察U型掛環(huán)試樣經(jīng)不同條件的沙粒磨損后其截面組織的變化。

2 ?分析與討論

2.1 不同粒徑及流量的沙塵對U型掛環(huán)的磨損情況

圖1表示為在不同粒徑及不同流量下沙粒對U型掛環(huán)的磨損情況。由圖1可知，當沙粒流量一定時，在粒徑為1.5-2.0mm范圍內， U型掛環(huán)磨損后的截面剩余率隨沙粒粒徑的增加先迅速下降之后緩慢上升，當粒徑為1.5mm時， U型掛環(huán)的截面剩余率最小，說明此時U型掛環(huán)的磨損最嚴重，這是因為沙粒的形狀呈不規(guī)則狀，當施加一定載荷力時，隨著粒徑增大其沙粒尖銳度增大，沙粒對U型掛環(huán)的磨損程度增強，從而使U型掛環(huán)的截面剩余率下降。但隨著粒徑增加，沙粒與U型掛環(huán)界面的接觸量減少，另外，沙粒對金具磨損的同時沙粒也會被摩擦成小粒徑的沙粒，因此，當粒徑大于1.5mm時，隨著粒徑的增加，U型掛環(huán)的磨損程度反而會出現(xiàn)緩慢上升的情況。

另外，從圖1中可知，當沙粒粒徑一定時，通過調整不同的沙粒流量來研究U型掛環(huán)的磨損情況，三種不同沙量的沙粒對U型掛環(huán)都有不同程度的磨損，在落沙磨損初期，沙量對U型掛環(huán)的磨損影響程度較小，隨著落沙時間的延長，無落沙磨損程度較小，基本屬于U型掛環(huán)與空氣的摩擦;兩次平均落沙的磨損要大于無落沙磨損，一次性落沙的磨損程度要比分兩次平均落沙嚴重。主要原因是落沙量越大，沙粒與U型掛環(huán)的接觸越密，接觸面越大，其磨損程度越大。由此可知，在一定的時間內，沙粒的流量對U型掛環(huán)的磨損影響較大，一次性落沙時U型掛環(huán)的截面剩余率最小，磨損情況最嚴重。

2.2 U型掛環(huán)磨損后的組織變化分析

便于更加直觀地了解分析U型掛環(huán)磨損產(chǎn)生的原因以及機理，進一步對U型掛環(huán)磨損樣品進行了微觀組織以及機械性能分析。

取沙粒磨損后彎折處的試樣進行顯微組織觀察樣的處理制備并分析磨損后顯微組織變化。圖2所示為經(jīng)沙粒磨損后截面邊緣以及中心顯微組織。由圖2可知，截面中心組織晶粒分布較均勻，晶界清晰，靠近邊緣處的組織明顯被拉長，晶界很難分辨出來。由此可知，當U型掛環(huán)被沙粒磨損時，其磨損行為主要發(fā)生在表面，磨損過程中產(chǎn)生熱使晶粒發(fā)生動態(tài)再結晶，產(chǎn)生再結晶晶粒，晶粒沿著變形方向被拉長，形成了纖維狀的條紋組織。

2.3 U型掛環(huán)磨損前后的機械性能變化分析

利用拉力試驗機對U型掛環(huán)原始狀態(tài)和經(jīng)磨損后彎折處的試樣進行載荷測試，以承載載荷作為標準來衡量U型掛環(huán)磨損前后的機械性能變化。圖3所示為原始狀態(tài)下和經(jīng)不同粒徑沙粒磨損后U型掛環(huán)的承載力的變化情況。從圖3中可知，U型掛環(huán)被磨損后其承載力隨沙粒粒徑的增大先增加后減小，當沙粒為1.5mm時，載荷力最小，此時U型掛環(huán)磨損最嚴重的。

3 ?結語

①當沙粒粒徑為1.5mm時，磨損截面剩余率達到最小值，此時沙粒磨損最嚴重， U型掛環(huán)的承載力最小。

②在一定時間內，當全程一次性落沙時對U型掛環(huán)的影響最為嚴重，此時截面剩余率最小，磨損情況最嚴重。

③通過分析沙粒磨損后顯微組織變化，發(fā)現(xiàn)磨損行為只發(fā)生在表面，沿磨損方向產(chǎn)生纖維狀條紋組織。

參考文獻：

[1]楊現(xiàn)臣.新疆大風區(qū)輸電線路金具磨損行為研究[D].新疆大學，2017.

[2]邵俊楠，張洪濤，李軼，等.新疆大風區(qū)輸電線路地線懸垂金具磨損分析與治理[J].河南工程學院學報（自然科學版），2018，30（03）：40-43.

[3]朱弘釗，李勇杰，王建，等.沙漠區(qū)域輸電線路連接金具磨損性能試驗及磨損趨勢預測[J].電瓷避雷器，2017（04）：152-156.

[4]趙建平，鄧鶴鳴，張偉，等.線路金具沙粒磨損模擬試驗：試驗設置與電暈分析[J].高電壓技術，2018，44（09）：2904-2910.

[5]鄧鶴鳴，蔡煒，張偉，等.線路金具沙粒磨損模擬試驗：機械性能與微觀分析[J].高電壓技術，2018，44（12）：3920-3928.