线路金具沙粒磨损模拟试验

叶鹏

摘要：本文以Q235材质的U型挂环为研究对象，选择粒径范围在0.1-2.0mm、流量不同的沙粒作为外界影响因素，研究了在不同沙粒影响因素的条件下线路金具U型挂环的磨损情况，分析了沙粒流量和粒径大小对线路金具磨损后显微组织和机械性能的变化情况。结果表明，当沙粒流量一定时，随着沙粒粒径的增加，线路金具U型挂环的截面剩余率先增加后减小，当沙粒粒径为1.5mm时，沙粒磨损程度最严重，另外，当沙粒粒径一定时，全程一次性落沙对U型挂环的磨损情况最严重。通过对比、分析磨损后显微组织与原始组织后发现靠近表面的组织被拉长，形成条状组织，且原始晶界已经很难分辨出来，从而推断磨损行为只发生在材料表面。

关键词：线路金具;沙粒磨损;机械性能;显微组织

0  引言

线路金具是对线路起保护作用的部件，主要应用于电力系统的线路保护。但伴随着新能源汽车的推广，传统内燃机汽车开始转型，混合电动化汽车出现，为了延长汽车电路系统的使用寿命，需要对其线路进行保护，因此线路金具逐渐被应用在汽车领域。据统计，电力系统领域中线路金具损坏尤为严重的地区集中在我国环境比较恶劣的西北地区，由于受风力、沙尘暴、寒冷天气等环境因素的影响，线路金具都遭受了不同程度的磨损，给电力正常运行带来了极大的影响[1]。

近年来，越来越多的学者开始投入相关线路金具磨损的研究。由于线路金具磨损的影响因素较多，过程较复杂。邵俊楠等人[2]研究了风力对新疆地区输电线路地线悬垂金具磨损的影响因素以及预防措施。朱弘钊等人[3]对沙漠地区的线路连接金具的磨损情况进行了研究，通过仿真模拟软件预测了承载荷对线路金具磨损的影响，并通過实验验证了其预测结果，预测结果与实验结果吻合度较高。这一研究实现了通过仿真软件模拟提前做好线路金具的设计以及磨损防护。2018年邓鹤鸣等人[4，5]相继研究了沙粒磨损对线路金具的影响，起初通过实验模拟了线路金具在风力、沙粒磨损条件下的电晕放电现象，然后基于模拟实验又探讨了具体的磨损行为以及现场与实验结果的对比。本文主要研究了在沙粒影响的条件下线路金具的磨损情况，分析了沙粒流量和粒径大小对线路金具磨损后组织形貌、机械性能的变化。

1  实验设计

1.1 实验材料

现阶段，我国新疆地区线路金具磨损相比其他地区较为严重，特别是U型挂环线路金具，本文以U型挂环为研究对象，采用Q235材质，选择沙粒物料作为外界影响因素，研究沙粒对U型挂环磨损的影响。

1.2 实验设备

线路金具磨损试验机，济南一诺世纪试验仪器有限公司;

落沙装置，自主研发。

1.3 实验条件

线路金具所施加的载荷力为6kN;金具摆动幅度为45°，摆动频率为0.5Hz;金具摆动时间为10s。具体要求根据DL/T1693-2017——《输电线路金具磨损试验方法》进行操作。

1.4 实验步骤

①选取不同粒径的石英砂，分别为1.0mm、1.5mm和2.0mm，按照实验条件进行磨损试验，根据试验结果分析、观察线路金具U型挂环的磨损情况，以及磨损后的组织与性能变化。

②选取一定量的粒径为0.1mm的石英砂，通过控制在一定时间段内分次落沙来改变沙尘的流量，分别采用不加沙、一次性落沙、间断性落沙，根据试验磨损结果分析沙粒流量对U型挂环的磨损程度变化，观察磨损后的组织和性能变化。

1.5 实验测试

①机械性能测试：根据GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》的要求对线路金具U型挂环进行拉伸性能和弯曲性能试验测试。试验所用设备为WEW1000D液压试验机，主要测试了不同条件的沙尘对U型挂环的机械性能。

②显微组织测试：为了研究U型挂环沙粒磨损过程中的组织演化规律，需要对U型挂环试样进行显微分析，通过金相显微镜观察U型挂环试样经不同条件的沙粒磨损后其截面组织的变化。

2  分析与讨论

2.1 不同粒径及流量的沙尘对U型挂环的磨损情况

图1表示为在不同粒径及不同流量下沙粒对U型挂环的磨损情况。由图1可知，当沙粒流量一定时，在粒径为1.5-2.0mm范围内， U型挂环磨损后的截面剩余率随沙粒粒径的增加先迅速下降之后缓慢上升，当粒径为1.5mm时， U型挂环的截面剩余率最小，说明此时U型挂环的磨损最严重，这是因为沙粒的形状呈不规则状，当施加一定载荷力时，随着粒径增大其沙粒尖锐度增大，沙粒对U型挂环的磨损程度增强，从而使U型挂环的截面剩余率下降。但随着粒径增加，沙粒与U型挂环界面的接触量减少，另外，沙粒对金具磨损的同时沙粒也会被摩擦成小粒径的沙粒，因此，当粒径大于1.5mm时，随着粒径的增加，U型挂环的磨损程度反而会出现缓慢上升的情况。

另外，从图1中可知，当沙粒粒径一定时，通过调整不同的沙粒流量来研究U型挂环的磨损情况，三种不同沙量的沙粒对U型挂环都有不同程度的磨损，在落沙磨损初期，沙量对U型挂环的磨损影响程度较小，随着落沙时间的延长，无落沙磨损程度较小，基本属于U型挂环与空气的摩擦;两次平均落沙的磨损要大于无落沙磨损，一次性落沙的磨损程度要比分两次平均落沙严重。主要原因是落沙量越大，沙粒与U型挂环的接触越密，接触面越大，其磨损程度越大。由此可知，在一定的时间内，沙粒的流量对U型挂环的磨损影响较大，一次性落沙时U型挂环的截面剩余率最小，磨损情况最严重。

2.2 U型挂环磨损后的组织变化分析

便于更加直观地了解分析U型挂环磨损产生的原因以及机理，进一步对U型挂环磨损样品进行了微观组织以及机械性能分析。

取沙粒磨损后弯折处的试样进行显微组织观察样的处理制备并分析磨损后显微组织变化。图2所示为经沙粒磨损后截面边缘以及中心显微组织。由图2可知，截面中心组织晶粒分布较均匀，晶界清晰，靠近边缘处的组织明显被拉长，晶界很难分辨出来。由此可知，当U型挂环被沙粒磨损时，其磨损行为主要发生在表面，磨损过程中产生热使晶粒发生动态再结晶，产生再结晶晶粒，晶粒沿着变形方向被拉长，形成了纤维状的条纹组织。

2.3 U型挂环磨损前后的机械性能变化分析

利用拉力试验机对U型挂环原始状态和经磨损后弯折处的试样进行载荷测试，以承载载荷作为标准来衡量U型挂环磨损前后的机械性能变化。图3所示为原始状态下和经不同粒径沙粒磨损后U型挂环的承载力的变化情况。从图3中可知，U型挂环被磨损后其承载力随沙粒粒径的增大先增加后减小，当沙粒为1.5mm时，载荷力最小，此时U型挂环磨损最严重的。

3  结语

①当沙粒粒径为1.5mm时，磨损截面剩余率达到最小值，此时沙粒磨损最严重， U型挂环的承载力最小。

②在一定时间内，当全程一次性落沙时对U型挂环的影响最为严重，此时截面剩余率最小，磨损情况最严重。

③通过分析沙粒磨损后显微组织变化，发现磨损行为只发生在表面，沿磨损方向产生纤维状条纹组织。

参考文献：

[1]杨现臣.新疆大风区输电线路金具磨损行为研究[D].新疆大学，2017.

[2]邵俊楠，张洪涛，李轶，等.新疆大风区输电线路地线悬垂金具磨损分析与治理[J].河南工程学院学报（自然科学版），2018，30（03）：40-43.

[3]朱弘钊，李勇杰，王建，等.沙漠区域输电线路连接金具磨损性能试验及磨损趋势预测[J].电瓷避雷器，2017（04）：152-156.

[4]赵建平，邓鹤鸣，张伟，等.线路金具沙粒磨损模拟试验：试验设置与电晕分析[J].高电压技术，2018，44（09）：2904-2910.

[5]邓鹤鸣，蔡炜，张伟，等.线路金具沙粒磨损模拟试验：机械性能与微观分析[J].高电压技术，2018，44（12）：3920-3928.