葉鵬

摘要：本文以Q235材質(zhì)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(jī)械性能的變化情況。結(jié)果表明，當(dāng)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(dāng)沙粒粒徑為1.5mm時，沙粒磨損程度最嚴(yán)重，另外，當(dāng)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(yán)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(guān)鍵詞：線路金具;沙粒磨損;機(jī)械性能;顯微組織

0 ?引言

線路金具是對線路起保護(hù)作用的部件，主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)的線路保護(hù)。但伴隨著新能源汽車的推廣，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車開始轉(zhuǎn)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(jìn)行保護(hù)，因此線路金具逐漸被應(yīng)用在汽車領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，電力系統(tǒng)領(lǐng)域中線路金具損壞尤為嚴(yán)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(fēng)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(yùn)行帶來了極大的影響[1]。

近年來，越來越多的學(xué)者開始投入相關(guān)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(fù)雜。邵俊楠等人[2]研究了風(fēng)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(yù)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(jìn)行了研究，通過仿真模擬軟件預(yù)測了承載荷對線路金具磨損的影響，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其預(yù)測結(jié)果，預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。這一研究實(shí)現(xiàn)了通過仿真軟件模擬提前做好線路金具的設(shè)計以及磨損防護(hù)。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(shí)驗(yàn)?zāi)M了線路金具在風(fēng)力、沙粒磨損條件下的電暈放電現(xiàn)象，然后基于模擬實(shí)驗(yàn)又探討了具體的磨損行為以及現(xiàn)場與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jī)械性能的變化。

1 ?實(shí)驗(yàn)設(shè)計

1.1 實(shí)驗(yàn)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(yán)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(zhì)，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(shí)驗(yàn)設(shè)備

線路金具磨損試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南一諾世紀(jì)試驗(yàn)儀器有限公司;

落沙裝置，自主研發(fā)。

1.3 實(shí)驗(yàn)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(yàn)方法》進(jìn)行操作。

1.4 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行磨損試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)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(nèi)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(yàn)?zāi)p結(jié)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(shí)驗(yàn)測試

①機(jī)械性能測試：根據(jù)GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》的要求對線路金具U型掛環(huán)進(jìn)行拉伸性能和彎曲性能試驗(yàn)測試。試驗(yàn)所用設(shè)備為WEW1000D液壓試驗(yàn)機(jī)，主要測試了不同條件的沙塵對U型掛環(huán)的機(jī)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(jìn)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(dāng)沙粒流量一定時，在粒徑為1.5-2.0mm范圍內(nèi)， 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(dāng)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(yán)重，這是因?yàn)樯沉５男螤畛什灰?guī)則狀，當(dāng)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(qiáng)，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(dāng)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(dāng)沙粒粒徑一定時，通過調(diào)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(yán)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(nèi)，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(yán)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(jī)理，進(jìn)一步對U型掛環(huán)磨損樣品進(jìn)行了微觀組織以及機(jī)械性能分析。

取沙粒磨損后彎折處的試樣進(jìn)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(dāng)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(jié)晶，產(chǎn)生再結(jié)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(jī)械性能變化分析

利用拉力試驗(yàn)機(jī)對U型掛環(huán)原始狀態(tài)和經(jīng)磨損后彎折處的試樣進(jìn)行載荷測試，以承載載荷作為標(biāo)準(zhǔn)來衡量U型掛環(huán)磨損前后的機(jī)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(dāng)沙粒為1.5mm時，載荷力最小，此時U型掛環(huán)磨損最嚴(yán)重的。

3 ?結(jié)語

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

②在一定時間內(nèi)，當(dāng)全程一次性落沙時對U型掛環(huán)的影響最為嚴(yán)重，此時截面剩余率最小，磨損情況最嚴(yán)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(xiàn)：

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

[2]邵俊楠，張洪濤，李軼，等.新疆大風(fēng)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(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)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(yàn)及磨損趨勢預(yù)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(yàn)：試驗(yàn)設(shè)置與電暈分析[J].高電壓技術(shù)，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(yàn)：機(jī)械性能與微觀分析[J].高電壓技術(shù)，2018，44（12）：3920-3928.