一種環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. 沈陽工業大學電氣工程學院, 遼寧 沈陽 110870)

0 引言

某供電公司近年在500 kV 線路工程運行維護中, 發現大風埡口地區地線懸垂金具出現嚴重磨損情況, 其中U 型螺絲和延長環連接點處、 懸垂線夾掛板和船體掛軸連接點處尤為嚴重。 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現地線懸垂金具磨損的難度較大, 一旦出現漏檢, 極有可能發生掉線事故, 進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顆粒(如砂礫)或硬質突出物劃過摩擦副固體表面, 造成金具表層材料產生磨屑并流失的現象, 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時摩擦副接觸面局部發生金屬黏著, 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生重復變形, 導致產生裂紋和金屬剝落的現象。 4) 腐蝕磨損[7]。 腐蝕磨損是指金具表面與周圍介質發生化學或電化學反應產生腐蝕物, 伴隨機械作用引起材料損失的現象。 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理是未來電力金具設計亟待解決的難題[8－10]。

新疆大學楊現臣采用金具搖擺磨損試驗機進行了不同載荷、 不同擺動次數下的電力金具磨損試驗, 利用掃描電子顯微鏡觀察了U 型環磨損后的微觀形貌, 利用金相顯微鏡得到了U 型環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, 認為U 型環的磨損主要是黏著磨損[8]。 金具磨損試驗需要設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, 還具有成本低、 效率高的優點, 因此有限元方法逐漸成為研究金具磨損機理的一種有效手段[11－12]。

本文采用有限元方法對一種環鏈連接金具進行磨損過程仿真, 深入分析環鏈連接金具的應力分布和三軸度上的應變分布, 得到剩余尺寸隨磨損次數的變化規律, 為金具設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鏈連接金具磨損過程的主要步驟包括[13]:

1) 建立環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, 采用掃掠命令創建U 型螺絲的三維實體和下PH 型延長環的三維實體。

2) 定義材料本構模型和斷裂準則。 設置環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, 熱導率為469 W/(m·K), 熱膨脹系數為1.06×10－5/K, 比熱容為452 J/ (kg·k)[8,14]。 Johnson-Cook (JC) 本構關系為[14－15]:

式中,σeq為等效應力；εeq為等效應變；＝εeq/ε0為無量綱化等效塑性應變率,ε0為參考應變率；＝ (T－Tr) / (Tm－Tr) 為無量綱化溫度,T為當前溫度,Tr＝293 K 為參考溫度,Tm＝1 795 K為熔點溫度；A為材料準靜態屈服強度；B為材料動態加載參數。 JC 斷裂準則為[16－17]:

式中,εf為斷裂應變；σ*＝σH/σeq為應力三軸度,σH為平均應力；D1—D5為材料斷裂常數。 設置JC損傷演化類型為能量、 線性, 斷裂能為1 100 J。

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

1.2 邊界條件

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

2 結果與討論

2.1 應力分布

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

圖1 未發生磨損時U 型螺絲應力分布

未發生磨損時PH 延長環應力分布如圖2 所示。 從圖2 可以看出, PH 延長環最大應力為200.1 MPa, 低于45 號鋼的屈服強度355 MPa, 表明加載后PH 延長環基本不會發生塑性變形。 PH延長環接觸區域應力較大, 腿部最大應力約為接觸區域最大應力的1/2。

圖2 未發生磨損時PH 延長環應力分布

未發生磨損時環鏈連接金具整體應力分布如圖3 所示。 從圖3 可以看出, 環鏈連接金具整體最大應力為654 MPa, 小于U 型螺絲單獨時的最大應力692.2 MPa。 這是因為環鏈連接金具接觸部分的整體應力由U 型螺絲應力和PH 延長環應力疊加計算, PH 延長環最大應力遠小于U 型螺絲最大應力, 所以環鏈連接金具整體最大應力略小于U 型螺絲單獨時的最大應力。 隨著磨損的增加, U 型螺絲和PH 延長環接觸面積增加, 環鏈連接金具的應力逐漸減小。 若U 型螺絲和PH 延長環某些接觸區域(如靠近上沿的接觸區域) 的接觸應力小于45號鋼的屈服強度, 則該接觸區域將不再發生磨損。

圖3 未發生磨損時環鏈連接金具整體應力分布

2.2 應變分布

磨損1 400 次后U 型螺絲Z方向應變正視圖如圖4 所示。 從圖4 可以看出, U 型螺絲腿部Z方向應變為1.13 mm, 原因為U 型螺絲腿部受到Z方向的垂直載荷作用。 U 型螺絲接觸區域Z方向最大應變為－1.10 mm, 說明接觸區域發生了磨損, 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區域。 U 型螺絲外側區域應變從－1.10 mm 逐漸過渡至1.13 mm, 相同應變大小的區域呈橢圓形。

圖4 磨損1 400 次后U 型螺絲Z 方向應變正視圖

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

圖5 磨損1 400 次后U 型螺絲Z 方向應變俯視圖

磨損1 400 次后U 型螺絲X方向應變分布如圖6 所示。 從圖6 可以看出, 右邊接觸區域最大位移為0.89 mm, 說明右邊接觸區域向X軸正方向最大位移 0.89 mm； 左邊接觸區域最大位移為－0.93 mm, 說明左邊接觸區域向X軸負方向最大位移為－0.93 mm。 U 型螺絲在X方向有向外發生塑性變形的趨勢, 且右邊接觸區域最大位移與左邊接觸區域基本相等, 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 方向應變分布

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

圖7 磨損1 400 次后U 型螺絲Y 方向應變分布

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

2.3 剩余尺寸

在后續處理步驟中, 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, 最大磨損量發生在偏離中心軸的外側區域, 剩余尺寸為測量中心軸處的尺寸, 最大磨損量區域的剩余截面應略小于剩余尺寸。

U 型螺絲剩余尺寸隨磨損次數變化曲線如圖8所示, 可以看出, 剩余尺寸隨磨損次數呈非線性關系。

圖8 U 型螺絲剩余尺寸隨磨損次數變化曲線

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。

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

3 結論

1) 未發生磨損時U 型螺絲最大應力為692.2 MPa, 遠超過45 號鋼的屈服強度, 因此加載時U 型螺絲接觸區域會發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Z軸正方向應變, 接觸區域出現Z軸負方向應變, 在X方向和Y方向均有向外發生塑性變形的趨勢, 應變仿真結果與實際磨損形貌相符。

3) 在剛開始發生磨損時, 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次的周而復始變動趨勢。