碗头挂板的有限元分析与改进设计＊

蔡猛昌，龚俊杰，徐有岩，丁晓亮

（1.扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127；2.江苏捷凯电力器材有限公司，江苏 扬州 225233）

0 引言

碗头挂板作为电网建设中重要的连接金具，主要用于连接悬垂线夹与绝缘子串，与其他配件配合起到连接导线和绝缘的作用［1，2］。通过对国内各大输电线路的故障分析可知，输电线路的瘫痪主要是由于电力金具存在不同程度的磨损与断裂［3，4］，因此需要对电力金具进行强度分析以及结构的改进优化。杨迎春等［5］于2008年对某一220 k V输电线路进行分析，认为挂板由于受力不均，加上运行时间较长，在导线和绝缘子重力、振动的共同作用下产生裂纹并不断扩大，导致输电线路断线。

因而，对碗头挂板的研究具有很重要的现实意义。目前国内生产的碗头挂板主要有单联W型、双联WS型两种，本文以江苏捷凯电力器材有限公司生产的WS－530FB型碗头挂板为研究对象，分析其应力分布情况，并对应力较大的部位进行改进设计。

1 碗头挂板的应力分析

1.1 模型的建立

通过Solid Works建立几何模型，导入到ABAQUS中进行分析，由于碗头挂板为对称结构，因此分析时采用1／2模型。在外套与内衬、内衬与球头拉环、螺栓与外套、螺栓与内衬4个接触区定义摩擦系数为0.15的摩擦接触，有限元计算时对接触区进行网格细化［6，7］，划分网格后生成76 323个单元和19 620个节点。碗头挂板的几何模型和有限元模型分别如图1、图2所示。

碗头挂板的内衬和外套的材料为45钢（淬火处理），球头拉环的材料为40Cr，螺栓的材料为Q345，所有材料均可看作是各向同性的线弹性体，其力学性能参数如表1所示。

图1 碗头挂板的几何模型

图2 碗头挂板的有限元模型

表1 材料的力学性能参数

1.2 约束与加载

在输电线路中，碗头挂板的主要作用是悬挂绝缘子串以及悬垂线夹。对球头拉环的上端进行全约束，并在对称面处设置对称约束。碗头挂板的标称破坏载荷为550 k N［8］，安全系数取1.2，则实际载荷为660 k N，施加在螺栓的上表面。

1.3 计算结果分析

图3、图4给出了由有限元法计算得到的在最大破坏载荷下碗头挂板外套和内衬的Mises应力云图。

图3表明，外套的最大应力为1 567 MPa，发生在螺栓孔下表面内侧的尖角处，主要是由于与螺栓的挤压而形成的应力集中，导致螺栓孔下侧尖角处局部被压溃，压溃后此处的应力集中现象将得到明显的改善，因此此处应力集中不予考虑；外套其余部位应力比较大的位置在其肩部，最大值为335 MPa。

图4表明，内衬的最大应力为2 376 MPa，发生在螺栓孔下表面内侧的尖角处，形成原因与外套相同，也不予考虑；内衬应力比较大的部位也在其肩部，最大值为1 375 MPa。

图3 外套应力分布云图

1.4 应力测试

图4 内衬应力分布云图

为验证有限元模型的正确性，在碗头挂板的外套上布置了5个测点，分别贴上双向电阻应变片，在100 t的拉力试验机上缓慢加载到66×104N，通过静态应变仪测量各点的应变以获得其应力。

各测点的应力测试结果以及对应位置的有限元计算结果如表2所示。

表2 有限元结果与测试结果对比

由表2得出，两者误差在5%之内，因此有限元模型是正确的，可以用此模型进行改进设计。

2 碗头挂板的改进设计

结合有限元分析结果，提出如下3个改进方案：

（1）将内衬与外套的肩部做R10圆角过渡处理，内衬肩部上抬10 mm，将内衬的中间腰部切去一圈，外套外侧削成平面。

（2）将内衬与外套的肩部做R10圆角过渡处理，内衬肩部上抬10 mm，外套外侧削成平面。

（3）将内衬与外套的肩部做R10圆角过渡处理，内衬肩部上抬10 mm，将内衬的中间腰部切去一圈，外套外侧削成平面（从底到顶），螺栓改为带螺帽的螺栓。

将修改好的模型重新导入到ABAQUS中进行分析，各方案的计算结果如表3所示，表3中同时给出各改进方案的总质量。

表3 各改进方案的有限元计算结果

由表3可知，外套肩部的最大应力均有明显的下降。对于方案1和方案3，内衬肩部的最大应力下降幅度不太明显，而方案2的最大应力由1 375 MPa下降到1 162 MPa，同时也使结构的质量减少了0.18 kg，因此方案2的改进效果明显。

3 结论

通过有限元分析软件ABAQUS对碗头挂板进行应力分析，并与实验数据进行对比，确定正确的有限元模型。根据分析结果提出改进方案并进行计算，在综合考虑肩部应力和质量的基础上，选择将内衬与外套的肩部做R10圆角过渡处理、内衬肩部上抬10 mm、外套外侧削成平面为最终的改进设计方案。

［1］ 魏光国.国有电力金具企业现状分析及改进建议［J］.科技传播，2011（12）：65－66.

［2］ 候仁保.电力线路金具的展望［J］.供用电，2001，18（5）：24－26.

［3］ 钱公.输变电线路金具失效原因分析［J］.华北电力技术，1997（8）：20－22.

［4］ 吴国宏.电力金具冻裂原因分析及预防措施［J］.电力建设，2007，28（2）：73－75.

［5］ 杨迎春，艾川.220k V线路直角挂板断裂原因分析［J］.云南电力技术，2008，36（6）：24－26.

［6］ 张建华，丁磊.ABAQUS基础入门与案例精通［M］.北京：电子工业出版社，2012.

［7］ 张文志，韩庆凯，刘亚忠，等.机械结构有限元分析［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006.

［8］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB／T 2315－2008电力金具标称破坏载荷系列及连接型式尺寸［S］.北京：中国标准出版社，2009：1－2.