風(fēng)沙區(qū)域輸電線路直角掛板組件磨損分析

羅 淞，仲昭峰，秦澔澔，程 鵬，倪 勇，鄧 健，鄧 慰

(1.國網(wǎng)新疆電力公司伊犁供電公司，新疆 伊寧 835000；2.南瑞集團公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 211106；3.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著“一帶一路”合作倡議不斷推進，我國西北地區(qū)尤其是新疆地區(qū)的經(jīng)濟文化活動日趨繁榮，電力服務(wù)覆蓋的范圍越來越廣。然而由于新疆地區(qū)獨特的地理環(huán)境，導(dǎo)致氣候、地質(zhì)條件復(fù)雜，電網(wǎng)常年遭受5級、局部7級的風(fēng)力襲擾，甚至有的風(fēng)口風(fēng)力達到8～9級，瞬間最大風(fēng)力可達12級左右。大風(fēng)伴隨沙塵給區(qū)域內(nèi)輸電線路的運行維護帶來了困難，尤其是對輸電線路連接金具的機械性能帶來了巨大的挑戰(zhàn)。連接金具在大風(fēng)的作用下會發(fā)生金具磨損或斷裂等故障，造成線路跳閘和故障停運，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全。新疆某750 kV線路中直角掛板組件出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。

有關(guān)大風(fēng)區(qū)域連接金具機械磨損以及相關(guān)性能研究工作進展緩慢，金具磨損方面僅見鄧鶴鳴[7]、蘆信[8]以及楊現(xiàn)臣[9]等相關(guān)的報道，這些研究者從實驗的角度出發(fā)，探討了金具機械性能與大風(fēng)、沙塵振動之間的關(guān)系，并對線路金具機械性能進行了研究，但線路金具磨損原因以及磨損程度與環(huán)境因素、制造工藝等有一定的聯(lián)系，相關(guān)的分析及改進方案的適用性存在一定的局限性。對于風(fēng)沙區(qū)域的輸電線路，不同金具設(shè)備由于受力點和受力方式不同，表現(xiàn)出來的磨損狀況不盡相同。在輸電線路金具中，由于直角掛板設(shè)計巧妙，連接方向互相垂直，易實現(xiàn)兩個連接方向的轉(zhuǎn)向，有較強的適應(yīng)性，在輸電線路中大規(guī)模應(yīng)用，但直角掛板組件磨損發(fā)生機理比較復(fù)雜，結(jié)合新疆風(fēng)區(qū)某750 kV線路地線直角掛板組件磨損情況，對大風(fēng)區(qū)線路直角掛板組件受力特點進行分析，然后進行了大量磨損模擬試驗；同時通過有限元方法對直角掛板的接觸應(yīng)力進行了仿真，對磨損缺陷進行檢測，通過綜合分析研究得出了直角掛板組件磨損的原因，提出了直角掛板改進措施，為大風(fēng)沙區(qū)域輸電線路直角掛板的選型以及磨損防治提供了技術(shù)支撐。

1 磨損原因分析

1.1 直角掛板組件接觸應(yīng)力仿真分析

主要針對直角掛板組件進行接觸、磨損分析，利用ANSYS大型有限元分析軟件，通過 Ansys Workbench對直角掛板組件進行建模、有限單元劃分、邊界條件設(shè)置、加載、求解、后處理顯示等，得到直角掛板組件在設(shè)計荷載作用下的接觸應(yīng)力大小、分布狀態(tài)和磨損情況。首先建立了直角掛板組件仿真模型，選擇型號ZB-12的直角掛板為研究對象，材料為結(jié)構(gòu)鋼，與直角掛板性能基本一致。圖1為直角掛板的配合形式，為簡化計算，直角掛板連接處的螺栓由圓形銷代替，圓形銷與掛板孔間的摩擦系數(shù)為0.1，對直角掛板配合施加20 kN的軸向載荷，該載荷通過上下直角掛板的螺栓處加載，與直角掛板的實際承載條件保持一致。

圖1 直角掛板組件配合形式

圖2為直角掛板的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格節(jié)點15 000余個，單元8 000余個，由于該次分析的重點為接觸應(yīng)力，因此將連接螺栓的網(wǎng)格進行局部加密處理，其余部分網(wǎng)格進行適當(dāng)放大，可在保證計算精度的同時提高計算效率。

圖2 直角掛板組件仿真建模

圖3為直角掛板配合在上述條件下的接觸狀態(tài)，主要接觸區(qū)域為上下兩個直角掛板的耳環(huán)與連接螺栓之間，接觸區(qū)域分布于連接螺栓的上下兩個面(見圖4)，接觸面皆呈線狀，接觸面積大幅增加。

圖3 直角掛板接觸狀態(tài)

圖4 直角掛板連接螺栓上下面接觸區(qū)域

圖5為直角掛板連接螺栓的接觸應(yīng)力分布。由圖5可見，在20 kN載荷下，兩直角掛板配合時，其接觸區(qū)域較大，其接觸應(yīng)力較低，探針指示數(shù)據(jù)顯示，螺栓表面的接觸應(yīng)力大約為235 MPa，接近螺桿材料的屈服強度。

圖5 直角掛板連接螺栓的接觸應(yīng)力分布

如圖6所示，在20 kN載荷下，由于直角掛板表面接觸應(yīng)力的大幅降低提升了改善該部位的耐磨性能，直角掛板配合的等效應(yīng)力分布均勻，整體結(jié)構(gòu)將不發(fā)生破壞，其接觸應(yīng)力最大約為170 MPa，小于螺栓的接觸應(yīng)力，且遠低于直角掛板材料的屈服強度。在現(xiàn)實運行環(huán)境中，直角掛板的連接螺栓的磨損率遠大于直角掛板本身。

圖6 上、下直角掛板的等效應(yīng)力分布

但由于連接螺栓為常見的標(biāo)準(zhǔn)件，規(guī)格型號十分齊全，可以通過更換更耐磨的連接螺栓來提高整個組件配合的耐磨性。

2 直角掛板組件的耐磨破壞性試驗

對于新疆大風(fēng)區(qū)域的輸電線路，磨損試樣選用型號為ZB-12的直角掛板(標(biāo)稱荷載120 kN)為研究對象，對直角掛板進行組裝，然后在磨損試驗機上進行磨損試驗，磨損參數(shù)為試驗頻率1 Hz，擺動幅度30°，加載荷載6 kN，摩擦次數(shù)為0～15萬次，每一萬次磨損后進行破壞荷載試驗，每次三組直角掛板組件，取三組試品破壞荷載的平均值為參考值。對比磨損前后，直角掛板的承載力變化情況，直角掛板組件磨損面存在于兩掛板和連接螺栓的接觸區(qū)域。

對比每萬次磨損試驗相同標(biāo)稱載荷的直角掛板組件的剩余強度，如圖7所示。在經(jīng)過帶載荷和多次數(shù)的搖擺磨損試驗后，直角掛板組件的剩余強度有一個明顯的減弱，15萬次磨損后剩余強度下降約40 %，在6萬次磨損后下降趨勢有一個加速過程。破壞載荷試驗后，直角掛板的失效部位為連接螺栓，因此采用直角掛板組合時，決定其耐磨性能的關(guān)鍵在于連接螺栓的耐磨性能及其強度，與仿真計算的結(jié)果相吻合。

圖7 直角掛板每萬次磨損剩余強度變化

3 直角掛板組件缺陷分析

3.1 磨損形貌分析

對磨損表面進行掃描電鏡分析，可得出金屬表面磨損微觀形貌，進一步判斷直角掛板組件磨損的機理。利用掃描電子顯微鏡對磨損試驗后直角掛板的磨損處微觀形貌進行了分析。

1.5.2 質(zhì)譜條件。離子源：電噴霧離子源 ESI；掃描方式：負(fù)離子(ESI-)掃描；檢測方式：多反應(yīng)監(jiān)測模式(MRM)；噴霧電壓：-4 500 V；離子源溫度：550 ℃；氣簾氣壓力：206.8 kPa；霧化氣壓力：379.2 kPa；輔助加熱氣壓力：379.2 kPa。碰撞氣CAD：Medium。

根據(jù)磨損形貌可以發(fā)現(xiàn)明顯的片狀粘著磨損特征以及部分犁溝、槽溝等磨料磨損的特征。磨損是直角掛板組件之間相對摩擦的結(jié)果，引起摩擦表面有微小顆粒分離出來，使接觸表面不斷發(fā)生尺寸變化，以及重量損失。由于直角掛板組件主要為碳素鋼，屬于互熔性材料，相互受力摩擦?xí)r主要發(fā)生片狀粘著磨損，同時接觸應(yīng)力集中和滑動速度過快加速了粘著磨損的速率，材料中的不同性質(zhì)的雜質(zhì)析出導(dǎo)致了其他磨料磨損形式的出現(xiàn)，加速了組件磨損損耗，降低了其剩余強度。

所以提高材料的硬度或表面硬度可減少粘著磨損。在相同載荷下，加大接觸面積，即可減少接觸應(yīng)力，也可減少粘著磨損。

3.2 截面硬度分析

由于材料表面硬度一定程度上影響著材料的耐磨性能，利用顯微維氏硬度儀測量15萬次磨損后直角掛板組件截面表層到芯部的硬度值，獲得其硬度隨深度變化的梯度分布規(guī)律。

如圖8所示，直角掛板組件主要磨損處距表面1～4mm硬度值均有明顯下降，但內(nèi)部硬度值沒有明顯變化。

圖8 直角掛板組件磨損處截面硬度

在磨損過程中組件相對運動，擠壓剪切作用力較強，中擠壓區(qū)域因方向不斷變化形成的凸起與褶皺，導(dǎo)致材料表面硬度在一定范圍呈梯度降低，但芯部區(qū)域受影響較小，硬度得以保持。

螺栓磨損處表面由于長期磨損且受力集中，硬度下降到110 HV左右，同時較芯部位置降低了90 HV左右。上下直角掛板由于受力較為分散，表面硬度下降較螺栓較少，但由于直角掛板制造工藝較螺栓復(fù)雜，在熱成型及熱鍍鋅時會影響整體硬度，導(dǎo)致較螺栓有所降低。

4 磨損應(yīng)對措施分析

新疆區(qū)域大風(fēng)天氣較多且空氣中沙塵含量較大，粘著磨損與其他磨損的交互作用加速了直角掛板組件的磨損。通過對直角掛板的接觸應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)，其關(guān)鍵接觸面和接觸應(yīng)力最大值主要集中在連接螺栓上，該連接螺栓的耐磨性能將直接影響直角掛板的整體耐磨性能。減少直角掛板組件機械磨損主要有以下三個途徑。

(1) 提高材料的硬度。對原來的鍍鋅鋼，在生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)采用表面處理(如表面冷處理、高硬度金屬覆膜等手段)或者對原碳鋼材料進行改性，改變材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提升硬度、屈服強度和組件的耐磨性。

(2) 在現(xiàn)有的材料條件下，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，增加組件間的接觸面積，減少接觸應(yīng)力，從而達到減小磨損的目的。

(3) 針對已經(jīng)在運行的直角掛板組件，通過選擇高等級的直角掛板連接螺栓或者定制專用耐磨損連接螺栓替換現(xiàn)有連接螺栓，延長組件的使用壽命。

5 結(jié)論

(1) 選用輸電線路常見的連接金具直角掛板組件進行接觸應(yīng)力有限元仿真分析，建立了仿真模型，仿真計算了組件的接觸應(yīng)力分布，載荷應(yīng)力達到20 kN時，組件中螺栓受應(yīng)力最大，接觸區(qū)域的最大應(yīng)力達到了235 MPa。

(2) 對直角掛板組件進行了磨損試驗，并進行了破壞載荷試驗，直角掛板組件剩余荷載隨著磨損次數(shù)及負(fù)荷增加而減小。直角掛板連接螺栓的磨損率大于直角掛板本身，為組件機械性能的薄弱環(huán)節(jié)。

(3) 通過對金屬掛板磨損表面進行微觀形貌掃描分析，闡述了其磨損特征，分析了組件產(chǎn)生磨損的機理，建議通過加大接觸面積、提高材料的硬度或表面硬度的方式達到減少粘著磨損的目的。

(4) 通過研究直角掛板組件的磨損情況，可知連接螺栓的耐磨性能將直接影響到直角掛板的整體耐磨性能。依據(jù)組件的磨損機理提出了減少直角掛板組件磨損的三個途徑，可為降低線路連接金具磨損風(fēng)險提供參考。