QP－16型球頭掛環疲勞壽命試驗研究與分析*

謝占山，易 勇，李 慧，王少夫，李忠芳

(安徽科技學院機械工程學院;安徽科技學院財經學院)

0 引言

球頭掛環是連接絕緣子與輸電塔的關鍵部件，其連接的可靠程度關系到輸電線路的安全;球頭掛環在入網時，通過了嚴格的抽檢試驗，即入網時絕大多數的球頭掛環的質量是完好的，但是，現實中運行在線路上球頭掛環卻發生不少起斷裂的惡性事故［1－5］，如 2007 年 3 月至 2010 年12月，華北電網公司500 kV架空輸電線路先后發生7次絕緣子球頭掛環斷裂故障，深思這些事故的原因，不是因為球頭掛環不合格，而是因為球頭掛環長期工作在因架空線振動帶來的動態載荷下，致使其發生了疲勞破壞(如圖1－5)，這種事故無先兆，發生破壞比較隱蔽，隱患在日常運行維護難以消除，而事故后果嚴重，對于單串絕緣子直接造成導線落地，給電網安全穩定運行帶來較大威脅.因此有必要開展球頭掛環的力學性能的分析以及壽命評估的研究［5］.

圖1 托源三線#301塔球頭掛環斷裂

圖2 沙昌一線#305塔球頭掛環斷裂

圖3 沙昌二線#95塔球頭掛環斷裂現場情況

圖4 源安一線球頭掛環斷裂

圖5 源安二線158#塔球頭掛環斷裂

1 球頭掛環的力學性能的分析

1.1 球頭掛環的模型的建立

根據球頭掛環主要尺寸，見表1，繪制QP－16的3D模型(圖6－7)，同時根據制造工藝的不同，在整個結構的過渡部位，進行了適當的處理，使之盡量的平滑過渡，這與實際的工件處理相一致.

表1 QP－16球頭掛環的主要尺寸

1.2 球頭掛環邊界條件的分析

架空線上的球頭掛環的下端腳球上橢圓面跟絕緣子的帽窩部位接觸連接，架空線的載荷通過線夾、絕緣子通過帽窩傳遞給球頭掛環的腳球;而球頭掛環的上部則UB掛板或者U型螺絲與塔的掛點相連接(如圖8).雖然球頭掛環的上部圓環可以沿順線路防線，但是在微風橫向風載的情況下，其橫向的位移較小，因此在仿真的過程中將整個內環的面全部約束;導線的微風振動，導致球頭掛環上下振動.在極端天氣情況下，球頭掛環會發生橫向的位移，若球頭掛環的連接部位不靈活，可能會受到球帽給予球頸的橫向彎曲載荷(如圖9).

圖6 球頭掛環實物圖

圖7 球頭掛環3D模型

圖8 線路上球頭掛環連接方式及位置

圖9 球腳在帽窩的中的可能位置［5］

1.3 計算載荷下靜力學仿真分析

在球頭掛環邊界條件分析的基礎上，結合QP－16球頭掛環的實驗數據(見表2)，運用workbenck軟件進行靜態承載的分析，一般QP－16球頭掛環所用的材質為45#鋼，其彈性模量E=210GPa及泊松比u=0.3.根據該型球頭掛環在LGJ－240/30六分裂架空線上浮冰有風的載荷可達58571.42N，在腳球上表面添加該載荷.

表2 球頭掛環常規力學性能［4］

由仿真的結果分析，在球頭掛環腳球與腳徑過渡部位應力較大，即該處的應變也較大(如圖10～12)，那么在交變載荷作用下，理論上會在這個部位首先發生疲勞裂紋.然而，在運行的架空線中，腳球在架空線橫向載荷以及其他動態載荷的作用下，其在帽窩中會發生傾斜，甚至腳頸受鱉與A點，那么球頭掛環就會彎矩的作用，同時在A也會發生摩擦(如圖9)，導致其外表面遭到破壞.故疲勞破壞可能會在腳頸出球帽的出口處(如圖1～5).

圖10 剖切球頭掛環連應力分布

圖12 球頭掛環連應力分布

圖12 球頭掛環連應變分布

2 球頭掛環疲勞試驗以及壽命曲線擬合

2.1 球頭掛環的疲勞試驗

基于輸電線路球頭掛環的工況條件，華北電科院高壓所線路組開發了一套型號為PWS－500液壓式伺服疲勞試驗機(如圖13、14)，同時對QP－16型球頭掛環試件施加交變載荷，直到疲勞失效［4］.

對疲勞破壞的球頭掛環的試件進行分析，由圖15、16試件的斷口可以發現該斷口具有疲勞破壞的一般特征，該斷口包括疲勞源區、裂紋擴展區和瞬時失效斷裂區三部分，且疲勞源區高低不平，顏色暗淡;擴展區與整個疲勞破壞的斷面相比較小;瞬時失效斷裂區面積較大，且有放射狀擴展的形態;在電鏡觀察下球頭掛環的桿部周向存在大量微裂紋(圖17所示).

圖13 電液伺服疲勞試驗機

2.2 球頭掛環疲勞壽命曲線

運用設計的疲勞試驗機對QP－16球頭掛環進行5組疲勞實驗，因為疲勞實驗耗費巨大，試驗得出疲勞破壞的振幅與次數見表3.

圖14 球頭掛環試樣安裝位置圖

圖15 球頭掛環的疲勞試驗的破壞的宏觀形態

圖16 球頭掛環的疲勞試驗的破壞的裂紋

圖17 球頭掛環的疲勞試驗的破壞的裂紋

表3 QP－16球頭掛環疲勞實驗數據［4］

根據疲勞實驗的經驗，對表實驗數據進行冪函數的擬合，得出的球頭掛環的疲勞壽命曲線如圖18所示，同時得出該型號的球頭掛環的壽命具體表達式.

其中y為振動幅度;x為振動次數.

圖18 QP－16球頭掛環的疲勞壽命曲線

從擬合的曲線進行分析，振幅大，試件發生疲勞破壞時的次數就少，即壽命較短;隨著振幅的減少，試件發生疲勞破壞時的次數就相應的增加，即壽命延長;這說明實驗的數據相對可靠，再個在從文獻［1、3、4］中對試件的微觀與宏觀的分析，與線路上發生疲勞破壞的球頭掛環的疲勞破壞的特征相一致，也進一步的佐證了該實驗數據的正確性.

3 球頭掛環的壽命評估

3.1 架空線微風振動數據的處理

架空線通過線夾與絕緣子相連，球頭掛環通過復合絕緣子的球碗相連，U型螺絲或者UB掛板通過QP掛環相連，導線振動載荷將通過連接處傳遞，由于平均檔距為500 m的架空線，4－6分裂的架空線其重量可達2～4 t左右，一般風載作用下的導線的振動產生的振幅，與其導線自重相比較小;倘若在15 m/s風速情況，風載可達到其自重的載荷［6］.

架空線在工況下發生微風振動時間占其在線工作時間居多，然而此時產生的振幅，不會使絕緣子或者球頭掛環處于壓縮狀態，它們仍舊處于被拉伸的狀態，只不過使拉伸載荷產生了一個變化的范圍.

由文獻［7］計算的架空線LGJ－400/35微風振動次數如表4所示，以及文獻［6］所用的復合絕緣子為FXBW－500/300，結合平均檔距為500 m四分裂架空線自重為52449.62 N，參照FXBW－500/300芯棒與芯棒外絕緣套的半徑(芯棒半徑20 mm，外絕緣套厚度為5 mm)以及QP－16球頭掛環的球頭與復合絕緣子的接觸面積(這里的接觸面積占整個腳球上表面面積的60%)等情況，運用擬合的公式(1)，進行了計算以及數據處理，處理的數據見表4、5所示.

3.2 QP－16球頭掛環的壽命評估

由于球頭掛環是架空線的一個重要的連接部件，加之球頭掛環的疲勞破壞屢次發生，且其疲勞破壞較為隱蔽，所有有必要對其進行壽命評估，本節在上一節的基礎上，運用Miner理論進行評估，這是因為架空線由于振動產生的載荷，對球頭掛環的沖擊較小.其疲勞使用系數見表6、7 所示.

表4 球頭掛環的振動次數與振動幅值［6－7］

表5 球頭掛環的振動次數與振動幅值

表6 球頭掛環疲勞使用系數

表7 球頭掛環疲勞使用系數

經計算所得疲勞使用系數的和∑ =0.374705，而1/∑ =2.668769，近似為3年;實際球頭掛環工作在一個變化的拉伸載荷下，而非一個交變載荷，故可將球頭掛環的壽命延長至6年;鑒于此在架空線上的QP－16球頭掛環需要6年進行抽檢或者更換，對于那些工作在風口處的球頭掛環，宜三年進行抽檢，特別是進行靜載拉力試驗.若其破壞載荷低于70% －65%SLM，應及時更換.

4 結束語

在計算分析的基礎上，完成了QP－16球頭掛環的建模與仿真工作，給出了靜態載荷下球頭掛環的受力數值仿真，為使用軟件研究球頭掛環的動態特性奠定了基礎，也為生產廠家了解壓接部位受力分布以及生產工藝改進具有一定的意義;同時基于疲勞實驗數據，運用擬合方法，得出了球頭掛環的壽命函數的表達式，將計算的架空線動態載荷，代入了壽命計算公式，完成了球頭掛環的壽命評估，并給出了球頭掛環的檢修時間，為球頭掛環定期抽檢提供了參考.

［1］ 代建國，鄭宇清.雙串絕緣子球頭掛環斷裂分析及反措［J］.華北電力技術，2009，11(2):43 －46.

［2］ 王甸文.輸電線路球頭掛環的疲勞性能［J］.貴州電力技術，1997，21(4):33 －35.

［3］ 張宏志，等.500 kV輸電線路球頭掛環斷裂原因分析及對策研究［J］.東北電力技術，2013(9)43－46.

［4］ 王安妮.輸電線路連接金具檢測方法的研究［D］.北京:華北電力大學，2013.

［5］ 朱文發.500 kV大房二回線路—球頭掛環斷裂淺析［J］.電力金具，1989(1):28－33.

［6］ 謝占山.500 kV“V”串復合絕緣子機械疲勞試驗研究［D］.保定:華北電力大學，2012.

［7］ 肖琦.微風振動下復合絕緣子的疲勞分析［J］.水電能源科學，2011，29(1):155 －157，177.