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(tuán)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(jìn)，我國西北地區(qū)尤其是新疆地區(qū)的經(jīng)濟(jì)文化活動(dòng)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(dú)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(jí)、局部7級(jí)的風(fēng)力襲擾，甚至有的風(fēng)口風(fēng)力達(dá)到8～9級(jí)，瞬間最大風(fēng)力可達(dá)12級(jí)左右。大風(fēng)伴隨沙塵給區(qū)域內(nèi)輸電線路的運(yùn)行維護(hù)帶來了困難，尤其是對(duì)輸電線路連接金具的機(jī)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(huì)發(fā)生金具磨損或斷裂等故障，造成線路跳閘和故障停運(yùn)，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(jī)械磨損以及相關(guān)性能研究工作進(jìn)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(bào)道，這些研究者從實(shí)驗(yàn)的角度出發(fā)，探討了金具機(jī)械性能與大風(fēng)、沙塵振動(dòng)之間的關(guān)系，并對(duì)線路金具機(jī)械性能進(jìn)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(jìn)方案的適用性存在一定的局限性。對(duì)于風(fēng)沙區(qū)域的輸電線路，不同金具設(shè)備由于受力點(diǎn)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(jì)巧妙，連接方向互相垂直，易實(shí)現(xiàn)兩個(gè)連接方向的轉(zhuǎn)向，有較強(qiáng)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(jī)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(duì)大風(fēng)區(qū)線路直角掛板組件受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，然后進(jìn)行了大量磨損模擬試驗(yàn)；同時(shí)通過有限元方法對(duì)直角掛板的接觸應(yīng)力進(jìn)行了仿真，對(duì)磨損缺陷進(jìn)行檢測(cè)，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(jìn)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(duì)直角掛板組件進(jìn)行接觸、磨損分析，利用ANSYS大型有限元分析軟件，通過 Ansys Workbench對(duì)直角掛板組件進(jìn)行建模、有限單元?jiǎng)澐帧⑦吔鐥l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(jì)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(hào)ZB-12的直角掛板為研究對(duì)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(jì)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(duì)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(shí)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(diǎn)15 000余個(gè)，單元8 000余個(gè)，由于該次分析的重點(diǎn)為接觸應(yīng)力，因此將連接螺栓的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理，其余部分網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)放大，可在保證計(jì)算精度的同時(shí)提高計(jì)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?yàn)樯舷聝蓚€(gè)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(gè)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(shí)，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(qiáng)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(yuǎn)低于直角掛板材料的屈服強(qiáng)度。在現(xiàn)實(shí)運(yùn)行環(huán)境中，直角掛板的連接螺栓的磨損率遠(yuǎn)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(hào)十分齊全，可以通過更換更耐磨的連接螺栓來提高整個(gè)組件配合的耐磨性。

2 直角掛板組件的耐磨破壞性試驗(yàn)

對(duì)于新疆大風(fēng)區(qū)域的輸電線路，磨損試樣選用型號(hào)為ZB-12的直角掛板(標(biāo)稱荷載120 kN)為研究對(duì)象，對(duì)直角掛板進(jìn)行組裝，然后在磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn)，磨損參數(shù)為試驗(yàn)頻率1 Hz，擺動(dòng)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(jìn)行破壞荷載試驗(yàn)，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(duì)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(duì)比每萬次磨損試驗(yàn)相同標(biāo)稱載荷的直角掛板組件的剩余強(qiáng)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(yàn)后，直角掛板組件的剩余強(qiáng)度有一個(gè)明顯的減弱，15萬次磨損后剩余強(qiáng)度下降約40 %，在6萬次磨損后下降趨勢(shì)有一個(gè)加速過程。破壞載荷試驗(yàn)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(shí)，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(qiáng)度，與仿真計(jì)算的結(jié)果相吻合。

圖7 直角掛板每萬次磨損剩余強(qiáng)度變化

3 直角掛板組件缺陷分析

3.1 磨損形貌分析

對(duì)磨損表面進(jìn)行掃描電鏡分析，可得出金屬表面磨損微觀形貌，進(jìn)一步判斷直角掛板組件磨損的機(jī)理。利用掃描電子顯微鏡對(duì)磨損試驗(yàn)后直角掛板的磨損處微觀形貌進(jìn)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(cè)方式：多反應(yīng)監(jiān)測(cè)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(duì)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(shí)接觸應(yīng)力集中和滑動(dòng)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(qiáng)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(cè)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(duì)運(yùn)動(dòng)，擠壓剪切作用力較強(qiáng)，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(shí)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(shí)會(huì)影響整體硬度，導(dǎo)致較螺栓有所降低。

4 磨損應(yīng)對(duì)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(duì)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(jī)械磨損主要有以下三個(gè)途徑。

(1) 提高材料的硬度。對(duì)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(duì)原碳鋼材料進(jìn)行改性，改變材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提升硬度、屈服強(qiáng)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(jì)，增加組件間的接觸面積，減少接觸應(yīng)力，從而達(dá)到減小磨損的目的。

(3) 針對(duì)已經(jīng)在運(yùn)行的直角掛板組件，通過選擇高等級(jí)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(jìn)行接觸應(yīng)力有限元仿真分析，建立了仿真模型，仿真計(jì)算了組件的接觸應(yīng)力分布，載荷應(yīng)力達(dá)到20 kN時(shí)，組件中螺栓受應(yīng)力最大，接觸區(qū)域的最大應(yīng)力達(dá)到了235 MPa。

(2) 對(duì)直角掛板組件進(jìn)行了磨損試驗(yàn)，并進(jìn)行了破壞載荷試驗(yàn)，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(jī)械性能的薄弱環(huán)節(jié)。

(3) 通過對(duì)金屬掛板磨損表面進(jìn)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(jī)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(dá)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(jī)理提出了減少直角掛板組件磨損的三個(gè)途徑，可為降低線路連接金具磨損風(fēng)險(xiǎn)提供參考。