QP－16型球头挂环疲劳寿命试验研究与分析*

谢占山，易 勇，李 慧，王少夫，李忠芳

(安徽科技学院机械工程学院;安徽科技学院财经学院)

0 引言

球头挂环是连接绝缘子与输电塔的关键部件，其连接的可靠程度关系到输电线路的安全;球头挂环在入网时，通过了严格的抽检试验，即入网时绝大多数的球头挂环的质量是完好的，但是，现实中运行在线路上球头挂环却发生不少起断裂的恶性事故［1－5］，如 2007 年 3 月至 2010 年12月，华北电网公司500 kV架空输电线路先后发生7次绝缘子球头挂环断裂故障，深思这些事故的原因，不是因为球头挂环不合格，而是因为球头挂环长期工作在因架空线振动带来的动态载荷下，致使其发生了疲劳破坏(如图1－5)，这种事故无先兆，发生破坏比较隐蔽，隐患在日常运行维护难以消除，而事故后果严重，对于单串绝缘子直接造成导线落地，给电网安全稳定运行带来较大威胁.因此有必要开展球头挂环的力学性能的分析以及寿命评估的研究［5］.

图1 托源三线#301塔球头挂环断裂

图2 沙昌一线#305塔球头挂环断裂

图3 沙昌二线#95塔球头挂环断裂现场情况

图4 源安一线球头挂环断裂

图5 源安二线158#塔球头挂环断裂

1 球头挂环的力学性能的分析

1.1 球头挂环的模型的建立

根据球头挂环主要尺寸，见表1，绘制QP－16的3D模型(图6－7)，同时根据制造工艺的不同，在整个结构的过渡部位，进行了适当的处理，使之尽量的平滑过渡，这与实际的工件处理相一致.

表1 QP－16球头挂环的主要尺寸

1.2 球头挂环边界条件的分析

架空线上的球头挂环的下端脚球上椭圆面跟绝缘子的帽窝部位接触连接，架空线的载荷通过线夹、绝缘子通过帽窝传递给球头挂环的脚球;而球头挂环的上部则UB挂板或者U型螺丝与塔的挂点相连接(如图8).虽然球头挂环的上部圆环可以沿顺线路防线，但是在微风横向风载的情况下，其横向的位移较小，因此在仿真的过程中将整个内环的面全部约束;导线的微风振动，导致球头挂环上下振动.在极端天气情况下，球头挂环会发生横向的位移，若球头挂环的连接部位不灵活，可能会受到球帽给予球颈的横向弯曲载荷(如图9).

图6 球头挂环实物图

图7 球头挂环3D模型

图8 线路上球头挂环连接方式及位置

图9 球脚在帽窝的中的可能位置［5］

1.3 计算载荷下静力学仿真分析

在球头挂环边界条件分析的基础上，结合QP－16球头挂环的实验数据(见表2)，运用workbenck软件进行静态承载的分析，一般QP－16球头挂环所用的材质为45#钢，其弹性模量E=210GPa及泊松比u=0.3.根据该型球头挂环在LGJ－240/30六分裂架空线上浮冰有风的载荷可达58571.42N，在脚球上表面添加该载荷.

表2 球头挂环常规力学性能［4］

由仿真的结果分析，在球头挂环脚球与脚径过渡部位应力较大，即该处的应变也较大(如图10～12)，那么在交变载荷作用下，理论上会在这个部位首先发生疲劳裂纹.然而，在运行的架空线中，脚球在架空线横向载荷以及其他动态载荷的作用下，其在帽窝中会发生倾斜，甚至脚颈受鳖与A点，那么球头挂环就会弯矩的作用，同时在A也会发生摩擦(如图9)，导致其外表面遭到破坏.故疲劳破坏可能会在脚颈出球帽的出口处(如图1～5).

图10 剖切球头挂环连应力分布

图12 球头挂环连应力分布

图12 球头挂环连应变分布

2 球头挂环疲劳试验以及寿命曲线拟合

2.1 球头挂环的疲劳试验

基于输电线路球头挂环的工况条件，华北电科院高压所线路组开发了一套型号为PWS－500液压式伺服疲劳试验机(如图13、14)，同时对QP－16型球头挂环试件施加交变载荷，直到疲劳失效［4］.

对疲劳破坏的球头挂环的试件进行分析，由图15、16试件的断口可以发现该断口具有疲劳破坏的一般特征，该断口包括疲劳源区、裂纹扩展区和瞬时失效断裂区三部分，且疲劳源区高低不平，颜色暗淡;扩展区与整个疲劳破坏的断面相比较小;瞬时失效断裂区面积较大，且有放射状扩展的形态;在电镜观察下球头挂环的杆部周向存在大量微裂纹(图17所示).

图13 电液伺服疲劳试验机

2.2 球头挂环疲劳寿命曲线

运用设计的疲劳试验机对QP－16球头挂环进行5组疲劳实验，因为疲劳实验耗费巨大，试验得出疲劳破坏的振幅与次数见表3.

图14 球头挂环试样安装位置图

图15 球头挂环的疲劳试验的破坏的宏观形态

图16 球头挂环的疲劳试验的破坏的裂纹

图17 球头挂环的疲劳试验的破坏的裂纹

表3 QP－16球头挂环疲劳实验数据［4］

根据疲劳实验的经验，对表实验数据进行幂函数的拟合，得出的球头挂环的疲劳寿命曲线如图18所示，同时得出该型号的球头挂环的寿命具体表达式.

其中y为振动幅度;x为振动次数.

图18 QP－16球头挂环的疲劳寿命曲线

从拟合的曲线进行分析，振幅大，试件发生疲劳破坏时的次数就少，即寿命较短;随着振幅的减少，试件发生疲劳破坏时的次数就相应的增加，即寿命延长;这说明实验的数据相对可靠，再个在从文献［1、3、4］中对试件的微观与宏观的分析，与线路上发生疲劳破坏的球头挂环的疲劳破坏的特征相一致，也进一步的佐证了该实验数据的正确性.

3 球头挂环的寿命评估

3.1 架空线微风振动数据的处理

架空线通过线夹与绝缘子相连，球头挂环通过复合绝缘子的球碗相连，U型螺丝或者UB挂板通过QP挂环相连，导线振动载荷将通过连接处传递，由于平均档距为500 m的架空线，4－6分裂的架空线其重量可达2～4 t左右，一般风载作用下的导线的振动产生的振幅，与其导线自重相比较小;倘若在15 m/s风速情况，风载可达到其自重的载荷［6］.

架空线在工况下发生微风振动时间占其在线工作时间居多，然而此时产生的振幅，不会使绝缘子或者球头挂环处于压缩状态，它们仍旧处于被拉伸的状态，只不过使拉伸载荷产生了一个变化的范围.

由文献［7］计算的架空线LGJ－400/35微风振动次数如表4所示，以及文献［6］所用的复合绝缘子为FXBW－500/300，结合平均档距为500 m四分裂架空线自重为52449.62 N，参照FXBW－500/300芯棒与芯棒外绝缘套的半径(芯棒半径20 mm，外绝缘套厚度为5 mm)以及QP－16球头挂环的球头与复合绝缘子的接触面积(这里的接触面积占整个脚球上表面面积的60%)等情况，运用拟合的公式(1)，进行了计算以及数据处理，处理的数据见表4、5所示.

3.2 QP－16球头挂环的寿命评估

由于球头挂环是架空线的一个重要的连接部件，加之球头挂环的疲劳破坏屡次发生，且其疲劳破坏较为隐蔽，所有有必要对其进行寿命评估，本节在上一节的基础上，运用Miner理论进行评估，这是因为架空线由于振动产生的载荷，对球头挂环的冲击较小.其疲劳使用系数见表6、7 所示.

表4 球头挂环的振动次数与振动幅值［6－7］

表5 球头挂环的振动次数与振动幅值

表6 球头挂环疲劳使用系数

表7 球头挂环疲劳使用系数

经计算所得疲劳使用系数的和∑ =0.374705，而1/∑ =2.668769，近似为3年;实际球头挂环工作在一个变化的拉伸载荷下，而非一个交变载荷，故可将球头挂环的寿命延长至6年;鉴于此在架空线上的QP－16球头挂环需要6年进行抽检或者更换，对于那些工作在风口处的球头挂环，宜三年进行抽检，特别是进行静载拉力试验.若其破坏载荷低于70% －65%SLM，应及时更换.

4 结束语

在计算分析的基础上，完成了QP－16球头挂环的建模与仿真工作，给出了静态载荷下球头挂环的受力数值仿真，为使用软件研究球头挂环的动态特性奠定了基础，也为生产厂家了解压接部位受力分布以及生产工艺改进具有一定的意义;同时基于疲劳实验数据，运用拟合方法，得出了球头挂环的寿命函数的表达式，将计算的架空线动态载荷，代入了寿命计算公式，完成了球头挂环的寿命评估，并给出了球头挂环的检修时间，为球头挂环定期抽检提供了参考.

［1］ 代建国，郑宇清.双串绝缘子球头挂环断裂分析及反措［J］.华北电力技术，2009，11(2):43 －46.

［2］ 王甸文.输电线路球头挂环的疲劳性能［J］.贵州电力技术，1997，21(4):33 －35.

［3］ 张宏志，等.500 kV输电线路球头挂环断裂原因分析及对策研究［J］.东北电力技术，2013(9)43－46.

［4］ 王安妮.输电线路连接金具检测方法的研究［D］.北京:华北电力大学，2013.

［5］ 朱文发.500 kV大房二回线路—球头挂环断裂浅析［J］.电力金具，1989(1):28－33.

［6］ 谢占山.500 kV“V”串复合绝缘子机械疲劳试验研究［D］.保定:华北电力大学，2012.

［7］ 肖琦.微风振动下复合绝缘子的疲劳分析［J］.水电能源科学，2011，29(1):155 －157，177.