钢芯铝绞线同层线股间接触有限元分析

赵新泽 周 权 高 伟

(三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌 443002)

钢芯铝绞线作为输电线路上的重要载体,在实际工作过程中,由于风载等的影响,张紧的导线将产生振动现象.导线在振动过程中股线之间将会发生微动滑移,这种滑移将引起导线间的磨损[1].由于钢芯铝绞线的结构较为复杂,因此各层股线间的磨损情况也是不同的.为了研究同层股线间的磨损,本文利用有限元软件ABAQUS分析了受载条件下钢芯铝绞线同层线股间的接触问题.

1 钢芯铝绞线的力学模型

钢芯铝绞线是由铝股和钢芯捻制而成的,一般都是最外层铝导线向右捻制,然后向内逐层左右交替.在放线的过程中,整根导线将承受沿导线方向上放线张力T的作用,钢芯和铝股所受力分别为 TG和 TL,其计算式为[2]:

式中,EG为钢芯的弹性模量(MPa);EL为铝股的弹性模量(MPa);AG为钢芯的总截面积(mm2);AL为铝股的总截面积(mm2).

对于钢芯铝绞线中的同层绞线,如果忽略捻制角度的变化,那么同层每一根绞线所受的张拉力是相等的,其受力如图1所示.

图1 同层股线受力示意图

单根股线受到的张力可以分解为沿股线轴线的力Pi和垂直股线轴线方向的挤压力Ni,由图1可知其表达式分别为:

式中,Ti为第i层单根股线所受张力;αi为第i层股线的螺旋角,αi=arctan(mi/π);mi为第i层股线的节径比.当钢芯铝绞线产生振动时,张紧的导线股线之间会产生微小的相对滑移,从而导致导线的磨损.

2 同层股线间接触力学模型

以LGJ-150/25(GB1179-83)为算例,其截面结构示意图如图2所示,中心为一根钢丝,钢芯层和铝股层依次由内向外捻制.各结构参数列于表1～2.

图2 LGJ-150/25(GB1179-83)截面结构示意图

表1 LGJ-150/25(GB1179-83)结构参数

表2 LGJ-150/25(GB1179-83)基本结构尺寸

考虑到整根导线的弹性性能,以10%UTS张力对各层股线进行计算,股层的节径比mi取中间值,钢芯和铝股的弹性模量分别为136 500 MPa和59 000 MPa.则由式(1)～(4)可得各层股线单根所受挤压力、轴向分力以及螺旋角,计算结果列于表3中.

表3 10%UTS下各层股线受力分量

取外层一个节距长度为对象,各层股线展开结构如图3所示.

图3 股线展开结构示意图

图中li为各层股线的节距,αi为螺旋角,Di为节圆直径.则单位长度上的挤压力为

式中,Li为第i层股线长度;计算得各同层股线之间的单位长度挤压应力大小见表4.

表4 单位长度上股线受挤压应力

对于第i层股线的两相邻线股,由于受到股线挤压力分量的作用,两股线将紧密接触.在挤压力的作用下,当接触面产生相对滑移或有相对滑移的趋势时,接触面将产生摩擦磨损.而摩擦磨损与接触面上的应力分布是密切相关的.

同一股层相邻两股线的接触模型为圆柱面与圆柱面的接触形式,运用有限元分析软件ABAQUS建立二维接触模型并进行接触分析.由于结构的对称性,只建立1/4模型,以便加快计算速度.对于外层和次外层的同层铝股,半径均为2.7mm,弹性模量和泊松比分别为59 000 MPa和0.3;内层的钢芯半径为2.1mm,弹性模量和泊松比分别为136 500 MPa和0.28;添加完材料属性和接触属性后,施加载荷以及边界条件,进行接触求解(如图4所示).有限元计算结果与Hertz求解[3]结果列于表5.

图4 同层股线线股间的接触模型

表5 有限元计算与Hertz解的结果比较

由表5可知,有限元解与Hertz解得的最大接触应力与接触半宽结果基本相符,随着从外层铝股到内层钢芯挤压应力的变小,铝股层的最大接触应力有所降低,而内层钢芯的最大接触应力为最大;外层铝线的接触区域半宽度比第2层铝股线的接触半宽大,第1层钢芯的接触半宽最小.同种材料下,接触半宽和最大接触应力与挤压应力成正比.不同股层接触区域应力分布如图5～7所示.

3 结果分析

表5的结果显示,钢芯铝绞线由外层铝股到内层钢芯挤压力减小,接触区域单位长度上的挤压应力也随之减小.铝股层同层股线之间的最大接触应力与挤压应力成正比关系,且接触半宽随着挤压应力的增大而增大.由于第1层钢芯的弹性模量较大,挤压应力引起的接触半宽最小,而接触区域的最大接触应力值为最大.钢芯的硬度较铝股的大,且抗磨损性较好,一般在同层股线中,严重的磨损大部分发生在铝股层上[4],且外层铝股较内层的磨损程度大.由图5～7中接触区域的应力分布曲线可知,在接触中心接触应力达到最大值,并沿着接触边缘逐渐减小到零.因此,当导线内部产生同层股线间的微动滑移时,在接触中心区域,接触应力较大,接触面上无滑移,主要产生粘着磨损和塑性变形;在接触边缘区域,接触应力逐渐减小,接触面上开始出现滑移,主要产生滑动磨损.

4 结 语

(1)钢芯铝绞线同层线股间的挤压力由外层铝股到内层钢芯逐渐减小,股线的轴向分力逐渐变大,且大小都与股线的螺旋角有关.

(2)随着挤压应力的增大,外层铝股间的最大接触应力比第2层铝股间的最大接触应力大,接触区半宽从外层铝股向内逐层减小,因此外层铝股的磨损会比内层铝股严重.而钢芯的最大接触应力又比铝股层的最大接触应力大.

(3)同层股线间的接触应力分布由接触中心向接触边缘逐渐变小,中心区域主要发生粘着磨损和塑性变形,接触边缘区域主要发生滑动磨损.

[1] 赵新泽,劳海军,高 伟.钢芯铝绞线绞线间接触与磨损分析[J].润滑与密封,2009,34(11):48-52.

[2] 王 中.钢芯铝绞线的捻劲与节径比[J].电力建设, 2003(6):29-32.

[3] Johnson K L.接触力学[M].徐秉业,译.北京:高等教育出版社,1992.

[4] 陈浩宾.高压输电导线微动损伤及微动疲劳寿命预测[D].武汉:华中科技大学,2008.