铝及铝合金标准试棒高温承载性能试验系统研发

高义波，金燮飞，钱科，钱苗

（国家电力器材产品安全性能质量监督检验中心，浙江 杭州 310015）

铝及铝合金标准试棒高温承载性能试验系统研发

高义波，金燮飞，钱科，钱苗

（国家电力器材产品安全性能质量监督检验中心，浙江 杭州 310015）

本文针对电力金具铝及铝合金标准拉伸试棒的力学性能特点，研发了一套“20kN+300℃+1000h”铝及铝合金标准试棒高温承载性能试验系统，用于测试铝及铝合金类材料在“机械负载+恒定高温+长时间”条件下的强度损失，获得高温承载性能；为考核电力金具高温承载性能提供理论依据和技术支撑，为提高架空输电线路安全可靠的运行提供了有效技术手段。

耐热；电力金具；铝及铝合金；标准拉伸试棒；高温；试验系统

为研究输电线路电力金具的高温承载性能，有意识地开始研究并制定金具高温承载性能试验研究的构想，依据电力金具的实际工作状态和原材料特点，自主研发了一套用于研究铝及铝合金标准试棒高温承载性能的智能试验系统，得到金具材料在不同高温环境下的强度变化情况。

1 试验系统的结构设计

依据GB/T 228-2002《金属材料 室温拉伸试验方法》、GB/T 4338-2006《金属材料 高温拉伸试验方法》和GB/T 2039-1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》的相关技术要求，设计了铝及铝合金标准试棒高温承载性能试验系统，用于测试输电线路悬垂线夹及耐张线夹类材料在 “机械负载+恒定高温+长时间”条件下的强度损失，获得高温承载性能。高温箱位于上下夹头之间，高温箱的上下两面开有φ50mm的通孔，便于上下拉杆通过。试样通过螺纹联接的方式与上下拉杆配合，载荷通过上拉杆施加。

2 试验系统的结构改进

2.1 载荷无法保持稳定

高温承载性能的测试必须保证整个试验过程中试样承受的载荷稳定可靠，由于试验需要长时间地将试样稳定保持在一定的载荷，所以要求控制系统对载荷的控制能力较高。特别对于升温阶段，控制系统能对试验系统的综合热膨胀做出迅捷、准确的补偿动作，在短时间内保证载荷恢复到试验要求水平。这就需要根据试验所需的加载速度和保持载荷，对控制器的PID参数进行精确地调整。

无论在载荷提升阶段还是在载荷保持阶段，实际载荷都围绕着目标值进行大幅波动，波动最大时偏离目标值约有20%。若采用此套PID参数，则试验机无法稳定地保持试验载荷。

结合试验中的典型加载速度和载荷保持值，在试验过程中对试验机的PID参数进行了反复调整和匹配，最终得到了平稳的加载曲线和载荷保持曲线，达到了试验要求。在调整到理想PID参数时的调试曲线，试验机的实际载荷约在达到目标值的15s之后与目标值完全保持一致，其载荷波动小于10N。调试结果表明，测试系统采用了与其相适应的载荷动态保持系统后，可以获得最为稳定的载荷保持效果，满足对标准拉伸试棒的高温承载性能试验要求。

2.2 负荷传感器工作温度过高

本试验系统的负荷传感器采用S型拉力传感器，传感器作为测量负荷最为关键的器件，传感器最高使用温度为60℃。而为使结构紧凑，将传感器的位置设置在试验机的中横梁上（上拉头），由此造成传感器距离高温箱的通孔较接近，直接受到高温的影响，从而影响传感器的工作精度和可靠性。

如图1（a）所示，当高温箱内温度为200℃时，通过红外成像测温仪的测试，传感器的温度达到了92℃（此时环境温度仅为20℃），远远超过了其最高使用温度。温度过高原因主要有两点：一是夹具与高温箱上方的通孔之间有一定的间隙，热量通过对流的方式传递至传感器造成其温度的升高；二是由于传感器与夹具直接相连，而夹具下端又完全伸入高温箱内，所以热量通过热传导的方式传递至传感器处造成其温度的升高。针对上述两个原因，采取了以下两个措施。

（1）在夹具与高温箱上方的通孔之间填塞了耐高温棉，阻断了热对流的通道，通过红外成像测温仪的测试，此时传感器部分的温度已降到57℃（如图1（b）所示，环境温度为20℃，高温箱内温度为200℃）。

图1 拉力传感器的红外成像照片

（2）设计了一种液冷散热装置，将此液冷散热装置安装在传感器与夹具之间，利用液体循环进行散热，有效地降低了通过传导方式传递至传感器的热量。

在同时采取上述两种措施后，通过红外成像测温仪的测试，传感器的温度降为15℃，此温度已经远低于传感器的最高使用温度。若将高温箱的温度升至280℃（环境温度仍为15℃），并保持此温度5h之后，液冷装置的温度为16.0℃，而传感器部分的温度仅为15.2℃，仍保持一个较低的温度。说明在加装了液冷散热装置后，保证了由其采集的力值具有较高的准确性和可靠性。

同时借助了有限元分析软件对散热器的散热效率进行了评估，根据试验所用极限温度，设计了散热器的液体流道，估算了液体的流动速度，优化了散热器的结构。最终在结构定型后，其仿真分析的基本参数设定为：散热器材质为不锈钢；环境温度为22℃；高温箱内温度为200℃；周围空气为静止；流道壁与冷却液体对流换热系数为2000W/（m2·℃），即冷却液为较缓地流动。

在散热器底部，温度高达193℃，接近高温箱内部温度，而在散热器顶部，即与传感器相连接部分的温度仅为25℃，散热器的降温效果非常理想。

3 试验系统的运行

通过反复调试和改进，成功研制了一套“机械负载+恒定高温+长时间”综合智能试验系统（WD/ G-20），由电子伺服万能试验机、热风循环高温箱、传感器液冷散热装置、控制计算机及配套程序和铝合金拉伸试棒专用夹具组成。

试验系统的基本性能参数如下。

表1给出了WD/G-20高温承载性能试验系统的基本性能参数。

表1 高温承载性能试验系统的基本性能参数表

4 结语

研制的“20kN+300℃+400h”铝及铝合金标准试棒高温承载性能试验系统，具有精确的载荷动态保持系统和液体冷却的传感器散热装置，保证在长时间的高温承载试验过程中能够安全稳定地工作，基本上覆盖了所有类型铝及铝合金电力器材的高温承载性能测试，获得了输电线路用铝及铝合金金具关于工作温度、运行时间及机械载荷三者之间的连续对应关系。由此关系所建立的关于铝及铝合金电力金具在高温下的承载性能和预计寿命数据库，为电力部门提供了输电线路电力金具的高温运行设计参数，为生产企业提供了输电线路电力金具的高温试验场所和试验装置。不仅提高了电网运行的安全性和可靠性，而且带动了企业相关产业的发展，提升了相关产品的质量和产业层次。

[1]GB 50545-2010. 110～750kV架空输电线路设计规范[S].中华人民共和国住房和城乡建设部、中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.中国计划出版社，2010.

[2]GB/T 228.1-2010，金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法[S].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.中国标准出版社，2010.

[3]GB/T 2317.1-2008 电力金具试验方法 第1部分：机械试验[S].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.中国计划出版社，2010.

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1671-0711（2016）12（上）-0091-02