一種環(huán)鏈連接金具的摩擦磨損特性有限元仿真分析

曾萍, 劉志剛, 黃長勇, 雒方旭, 張華鵬, 蔡新景

(1. 國網(wǎng)江西省電力有限公司吉安供電分公司, 江西 吉安 343009；2. 沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110870)

0 引言

某供電公司近年在500 kV 線路工程運行維護(hù)中, 發(fā)現(xiàn)大風(fēng)埡口地區(qū)地線懸垂金具出現(xiàn)嚴(yán)重磨損情況, 其中U 型螺絲和延長環(huán)連接點處、 懸垂線夾掛板和船體掛軸連接點處尤為嚴(yán)重。 由于500 kV地線懸垂金具懸掛高度較高和磨損部位較隱蔽, 采用人工巡視方式發(fā)現(xiàn)地線懸垂金具磨損的難度較大, 一旦出現(xiàn)漏檢, 極有可能發(fā)生掉線事故, 進(jìn)而影響輸電線路的運行安全[1－3]。

電力金具磨損失效類型有: 1) 磨粒磨損[4]。磨粒磨損是指金具摩擦表面間硬質(zhì)顆粒(如砂礫)或硬質(zhì)突出物劃過摩擦副固體表面, 造成金具表層材料產(chǎn)生磨屑并流失的現(xiàn)象, 是電力金具磨損失效的主要成因。 2) 黏著磨損[5]。 黏著磨損是指金具滑動摩擦?xí)r摩擦副接觸面局部發(fā)生金屬黏著, 在隨后相對滑動過程中金屬黏著處被破壞的現(xiàn)象。 3)疲勞磨損[6]。 疲勞磨損是指金具在交變載荷長時間作用下產(chǎn)生重復(fù)變形, 導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋和金屬剝落的現(xiàn)象。 4) 腐蝕磨損[7]。 腐蝕磨損是指金具表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生腐蝕物, 伴隨機(jī)械作用引起材料損失的現(xiàn)象。 電力金具的磨損通常包括磨粒磨損、 黏著磨損、 疲勞磨損和腐蝕磨損的交叉相互作用, 研究多種因素交互作用下金具的磨損失效機(jī)理是未來電力金具設(shè)計亟待解決的難題[8－10]。

新疆大學(xué)楊現(xiàn)臣采用金具搖擺磨損試驗機(jī)進(jìn)行了不同載荷、 不同擺動次數(shù)下的電力金具磨損試驗, 利用掃描電子顯微鏡觀察了U 型環(huán)磨損后的微觀形貌, 利用金相顯微鏡得到了U 型環(huán)磨損處的鐵素體和珠光體分布, 利用顯微維氏硬度計測量了磨損處的縱向和橫向硬度, 認(rèn)為U 型環(huán)的磨損主要是黏著磨損[8]。 金具磨損試驗需要設(shè)計各種不同的試驗條件, 且試驗耗時較長, 該方法有一定的局限性。 采用有限元方法仿真金具磨損過程不僅可以獲得磨損過程中各種難以直接測量的參數(shù), 還具有成本低、 效率高的優(yōu)點, 因此有限元方法逐漸成為研究金具磨損機(jī)理的一種有效手段[11－12]。

本文采用有限元方法對一種環(huán)鏈連接金具進(jìn)行磨損過程仿真, 深入分析環(huán)鏈連接金具的應(yīng)力分布和三軸度上的應(yīng)變分布, 得到剩余尺寸隨磨損次數(shù)的變化規(guī)律, 為金具設(shè)計和運維人員提供參考。

1 有限元仿真方法

1.1 仿真模型

采用有限元軟件仿真環(huán)鏈連接金具磨損過程的主要步驟包括[13]:

1) 建立環(huán)鏈連接金具的幾何模型。 U 型螺絲直徑為20 mm, 兩腿彎曲直徑為24 mm, 直線部分長度為60 mm, 采用掃掠命令創(chuàng)建U 型螺絲的三維實體和下PH 型延長環(huán)的三維實體。

2) 定義材料本構(gòu)模型和斷裂準(zhǔn)則。 設(shè)置環(huán)鏈連接金具的楊氏模量為2.1×1011N/m2, 泊松比為0.33, 密度為7.85×103kg/m3, 熱導(dǎo)率為469 W/(m·K), 熱膨脹系數(shù)為1.06×10－5/K, 比熱容為452 J/ (kg·k)[8,14]。 Johnson-Cook (JC) 本構(gòu)關(guān)系為[14－15]:

式中,σeq為等效應(yīng)力；εeq為等效應(yīng)變；＝εeq/ε0為無量綱化等效塑性應(yīng)變率,ε0為參考應(yīng)變率；＝ (T－Tr) / (Tm－Tr) 為無量綱化溫度,T為當(dāng)前溫度,Tr＝293 K 為參考溫度,Tm＝1 795 K為熔點溫度；A為材料準(zhǔn)靜態(tài)屈服強(qiáng)度；B為材料動態(tài)加載參數(shù)。 JC 斷裂準(zhǔn)則為[16－17]:

式中,εf為斷裂應(yīng)變；σ*＝σH/σeq為應(yīng)力三軸度,σH為平均應(yīng)力；D1—D5為材料斷裂常數(shù)。 設(shè)置JC損傷演化類型為能量、 線性, 斷裂能為1 100 J。

3) 劃分網(wǎng)格。 采用六面體單元C3D8T 劃分網(wǎng)格。 由于電力金具表層材料在磨損過程中存在流失現(xiàn)象, 需要設(shè)置狀態(tài)變量來控制單元的刪除與否。方法為當(dāng)xs＝1 時, 單元保留, 當(dāng)xs＝0 時, 單元刪除。

1.2 邊界條件

將上U 型螺絲設(shè)置為從面, 將下PH 型延長環(huán)設(shè)置為主面； 上U 型螺絲為柔體耦合, 下PH 型延長環(huán)為剛體耦合, 下PH 型延長環(huán)與上U 型螺絲耦合于參考點； 上U 型螺絲表面設(shè)置為零位移約束,下PH 型延長環(huán)施加向下載荷, 載荷類型為壓強(qiáng)[18－19]。

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力分布

設(shè)置金具擺動頻率為2 Hz, 擺動角度為±30°(圖1 的Y方向), 加載載荷為8 000 N。 未發(fā)生磨損時U 型螺絲應(yīng)力分布如圖1 所示。 從圖1 可以看出, U 型螺絲最大應(yīng)力為692.2 MPa, 遠(yuǎn)超45 號鋼的屈服強(qiáng)度355 MPa, 表明加載后U 型螺絲接觸區(qū)域短期內(nèi)會發(fā)生塑性變形[20]。 U 型螺絲應(yīng)力主要集中在接觸區(qū)域, 向四周呈發(fā)散狀。

圖1 未發(fā)生磨損時U 型螺絲應(yīng)力分布

未發(fā)生磨損時PH 延長環(huán)應(yīng)力分布如圖2 所示。 從圖2 可以看出, PH 延長環(huán)最大應(yīng)力為200.1 MPa, 低于45 號鋼的屈服強(qiáng)度355 MPa, 表明加載后PH 延長環(huán)基本不會發(fā)生塑性變形。 PH延長環(huán)接觸區(qū)域應(yīng)力較大, 腿部最大應(yīng)力約為接觸區(qū)域最大應(yīng)力的1/2。

圖2 未發(fā)生磨損時PH 延長環(huán)應(yīng)力分布

未發(fā)生磨損時環(huán)鏈連接金具整體應(yīng)力分布如圖3 所示。 從圖3 可以看出, 環(huán)鏈連接金具整體最大應(yīng)力為654 MPa, 小于U 型螺絲單獨時的最大應(yīng)力692.2 MPa。 這是因為環(huán)鏈連接金具接觸部分的整體應(yīng)力由U 型螺絲應(yīng)力和PH 延長環(huán)應(yīng)力疊加計算, PH 延長環(huán)最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于U 型螺絲最大應(yīng)力, 所以環(huán)鏈連接金具整體最大應(yīng)力略小于U 型螺絲單獨時的最大應(yīng)力。 隨著磨損的增加, U 型螺絲和PH 延長環(huán)接觸面積增加, 環(huán)鏈連接金具的應(yīng)力逐漸減小。 若U 型螺絲和PH 延長環(huán)某些接觸區(qū)域(如靠近上沿的接觸區(qū)域) 的接觸應(yīng)力小于45號鋼的屈服強(qiáng)度, 則該接觸區(qū)域?qū)⒉辉侔l(fā)生磨損。

圖3 未發(fā)生磨損時環(huán)鏈連接金具整體應(yīng)力分布

2.2 應(yīng)變分布

磨損1 400 次后U 型螺絲Z方向應(yīng)變正視圖如圖4 所示。 從圖4 可以看出, U 型螺絲腿部Z方向應(yīng)變?yōu)?.13 mm, 原因為U 型螺絲腿部受到Z方向的垂直載荷作用。 U 型螺絲接觸區(qū)域Z方向最大應(yīng)變?yōu)椋?.10 mm, 說明接觸區(qū)域發(fā)生了磨損, 最大磨損量為2.23 mm (1.10 mm＋1.13 mm), 最大磨損部位為偏離中心軸的外側(cè)區(qū)域。 U 型螺絲外側(cè)區(qū)域應(yīng)變從－1.10 mm 逐漸過渡至1.13 mm, 相同應(yīng)變大小的區(qū)域呈橢圓形。

圖4 磨損1 400 次后U 型螺絲Z 方向應(yīng)變正視圖

磨損1 400 次后U 型螺絲Z方向應(yīng)變俯視圖如圖5 所示。 從圖5 可以看出, U 型螺絲Z方向應(yīng)變圍繞中心軸呈對稱分布, 原因為PH 延長環(huán)擺動幅度對稱, 中心軸兩邊接觸區(qū)域所受到的Z方向應(yīng)力相同, 磨損量也相同。

圖5 磨損1 400 次后U 型螺絲Z 方向應(yīng)變俯視圖

磨損1 400 次后U 型螺絲X方向應(yīng)變分布如圖6 所示。 從圖6 可以看出, 右邊接觸區(qū)域最大位移為0.89 mm, 說明右邊接觸區(qū)域向X軸正方向最大位移 0.89 mm； 左邊接觸區(qū)域最大位移為－0.93 mm, 說明左邊接觸區(qū)域向X軸負(fù)方向最大位移為－0.93 mm。 U 型螺絲在X方向有向外發(fā)生塑性變形的趨勢, 且右邊接觸區(qū)域最大位移與左邊接觸區(qū)域基本相等, 與U 型螺絲磨損試驗和自然磨損形貌相符[8,21]。

圖6 磨損1 400 次后U 型螺絲X 方向應(yīng)變分布

磨損1 400 次后U 型螺絲Y方向應(yīng)變分布如圖7 所示。 從圖7 可以看出, 上邊接觸區(qū)域最大位移為0.88 mm, 說明上邊接觸區(qū)域向Y軸正方向最大位移為0.88 mm； 下邊接觸區(qū)域最大位移為－1.28 mm, 說明下邊接觸區(qū)域向Y軸負(fù)方向最大位移為－1.28 mm。

圖7 磨損1 400 次后U 型螺絲Y 方向應(yīng)變分布

U 型螺絲在Y方向也有向外發(fā)生塑性變形的趨勢, 與U 型螺絲實際磨損形貌相符[8]。 但下邊接觸區(qū)域最大位移大于上邊接觸區(qū)域, 原因為PH 延長環(huán)第一次擺動方向為Y軸正方向, 導(dǎo)致U 型螺絲下邊接觸區(qū)域磨損量略大于上邊接觸區(qū)域。

2.3 剩余尺寸

在后續(xù)處理步驟中, 將U 型螺絲模型沿中心軸切開, 測量剖切面處的尺寸為剩余尺寸。 值得一提的是, 最大磨損量發(fā)生在偏離中心軸的外側(cè)區(qū)域, 剩余尺寸為測量中心軸處的尺寸, 最大磨損量區(qū)域的剩余截面應(yīng)略小于剩余尺寸。

U 型螺絲剩余尺寸隨磨損次數(shù)變化曲線如圖8所示, 可以看出, 剩余尺寸隨磨損次數(shù)呈非線性關(guān)系。

圖8 U 型螺絲剩余尺寸隨磨損次數(shù)變化曲線

在 0—400 次磨損時, 磨損速率約為0.155 mm/百次； 在400—800 次磨損時, 磨損速率約為0.08 mm/百次； 在800—1 200 次磨損時,磨損速率約為0.153 mm/百次； 在1 200—1 400 次磨損時, 磨損速率約為0.06 mm/百次。

在剛開始發(fā)生磨損時, 由于接觸區(qū)域較小, U型螺絲受到的應(yīng)力較大, 導(dǎo)致發(fā)生磨損的速率較大； 隨著磨損量的增加, U 型螺絲接觸區(qū)域增大,受到的應(yīng)力減小, 導(dǎo)致磨損速率較?。?當(dāng)U 型螺絲磨損至一定量時, 接觸區(qū)域形貌和剛發(fā)生磨損時相似, 其磨損速率又呈增大趨勢, 具有周而復(fù)始波動趨勢, 磨損周期為800 次。

3 結(jié)論

1) 未發(fā)生磨損時U 型螺絲最大應(yīng)力為692.2 MPa, 遠(yuǎn)超過45 號鋼的屈服強(qiáng)度, 因此加載時U 型螺絲接觸區(qū)域會發(fā)生塑性變形和快速磨損。

2) 磨損1 400 次后U 型螺絲腿部出現(xiàn)Z軸正方向應(yīng)變, 接觸區(qū)域出現(xiàn)Z軸負(fù)方向應(yīng)變, 在X方向和Y方向均有向外發(fā)生塑性變形的趨勢, 應(yīng)變仿真結(jié)果與實際磨損形貌相符。

3) 在剛開始發(fā)生磨損時, U 型螺絲磨損速率較大。 隨著磨損量的增加, U 型螺絲磨損速率較減小。 磨損速率具有從大到小再從小到大、 周期800次的周而復(fù)始變動趨勢。