罗 淞，仲昭峰，秦澔澔，程 鹏，倪 勇，邓 健，邓 慰

(1.国网新疆电力公司伊犁供电公司，新疆 伊宁 835000；2.南瑞集团公司(国网电力科学研究院)，江苏 南京 211106；3.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北 武汉 430074)

0 引言

随着“一带一路”合作倡议不断推进，我国西北地区尤其是新疆地区的经济文化活动日趋繁荣，电力服务覆盖的范围越来越广。然而由于新疆地区独特的地理环境，导致气候、地质条件复杂，电网常年遭受5级、局部7级的风力袭扰，甚至有的风口风力达到8～9级，瞬间最大风力可达12级左右。大风伴随沙尘给区域内输电线路的运行维护带来了困难，尤其是对输电线路连接金具的机械性能带来了巨大的挑战。连接金具在大风的作用下会发生金具磨损或断裂等故障，造成线路跳闸和故障停运，严重影响电网安全。新疆某750 kV线路中直角挂板组件出现严重磨损。

有关大风区域连接金具机械磨损以及相关性能研究工作进展缓慢，金具磨损方面仅见邓鹤鸣[7]、芦信[8]以及杨现臣[9]等相关的报道，这些研究者从实验的角度出发，探讨了金具机械性能与大风、沙尘振动之间的关系，并对线路金具机械性能进行了研究，但线路金具磨损原因以及磨损程度与环境因素、制造工艺等有一定的联系，相关的分析及改进方案的适用性存在一定的局限性。对于风沙区域的输电线路，不同金具设备由于受力点和受力方式不同，表现出来的磨损状况不尽相同。在输电线路金具中，由于直角挂板设计巧妙，连接方向互相垂直，易实现两个连接方向的转向，有较强的适应性，在输电线路中大规模应用，但直角挂板组件磨损发生机理比较复杂，结合新疆风区某750 kV线路地线直角挂板组件磨损情况，对大风区线路直角挂板组件受力特点进行分析，然后进行了大量磨损模拟试验；同时通过有限元方法对直角挂板的接触应力进行了仿真，对磨损缺陷进行检测，通过综合分析研究得出了直角挂板组件磨损的原因，提出了直角挂板改进措施，为大风沙区域输电线路直角挂板的选型以及磨损防治提供了技术支撑。

1 磨损原因分析

1.1 直角挂板组件接触应力仿真分析

主要针对直角挂板组件进行接触、磨损分析，利用ANSYS大型有限元分析软件，通过 Ansys Workbench对直角挂板组件进行建模、有限单元划分、边界条件设置、加载、求解、后处理显示等，得到直角挂板组件在设计荷载作用下的接触应力大小、分布状态和磨损情况。首先建立了直角挂板组件仿真模型，选择型号ZB-12的直角挂板为研究对象，材料为结构钢，与直角挂板性能基本一致。图1为直角挂板的配合形式，为简化计算，直角挂板连接处的螺栓由圆形销代替，圆形销与挂板孔间的摩擦系数为0.1，对直角挂板配合施加20 kN的轴向载荷，该载荷通过上下直角挂板的螺栓处加载，与直角挂板的实际承载条件保持一致。

图1 直角挂板组件配合形式

图2为直角挂板的网格划分，网格节点15 000余个，单元8 000余个，由于该次分析的重点为接触应力，因此将连接螺栓的网格进行局部加密处理，其余部分网格进行适当放大，可在保证计算精度的同时提高计算效率。

图2 直角挂板组件仿真建模

图3为直角挂板配合在上述条件下的接触状态，主要接触区域为上下两个直角挂板的耳环与连接螺栓之间，接触区域分布于连接螺栓的上下两个面(见图4)，接触面皆呈线状，接触面积大幅增加。

图3 直角挂板接触状态

图4 直角挂板连接螺栓上下面接触区域

图5为直角挂板连接螺栓的接触应力分布。由图5可见，在20 kN载荷下，两直角挂板配合时，其接触区域较大，其接触应力较低，探针指示数据显示，螺栓表面的接触应力大约为235 MPa，接近螺杆材料的屈服强度。

图5 直角挂板连接螺栓的接触应力分布

如图6所示，在20 kN载荷下，由于直角挂板表面接触应力的大幅降低提升了改善该部位的耐磨性能，直角挂板配合的等效应力分布均匀，整体结构将不发生破坏，其接触应力最大约为170 MPa，小于螺栓的接触应力，且远低于直角挂板材料的屈服强度。在现实运行环境中，直角挂板的连接螺栓的磨损率远大于直角挂板本身。

图6 上、下直角挂板的等效应力分布

但由于连接螺栓为常见的标准件，规格型号十分齐全，可以通过更换更耐磨的连接螺栓来提高整个组件配合的耐磨性。

2 直角挂板组件的耐磨破坏性试验

对于新疆大风区域的输电线路，磨损试样选用型号为ZB-12的直角挂板(标称荷载120 kN)为研究对象，对直角挂板进行组装，然后在磨损试验机上进行磨损试验，磨损参数为试验频率1 Hz，摆动幅度30°，加载荷载6 kN，摩擦次数为0～15万次，每一万次磨损后进行破坏荷载试验，每次三组直角挂板组件，取三组试品破坏荷载的平均值为参考值。对比磨损前后，直角挂板的承载力变化情况，直角挂板组件磨损面存在于两挂板和连接螺栓的接触区域。

对比每万次磨损试验相同标称载荷的直角挂板组件的剩余强度，如图7所示。在经过带载荷和多次数的摇摆磨损试验后，直角挂板组件的剩余强度有一个明显的减弱，15万次磨损后剩余强度下降约40 %，在6万次磨损后下降趋势有一个加速过程。破坏载荷试验后，直角挂板的失效部位为连接螺栓，因此采用直角挂板组合时，决定其耐磨性能的关键在于连接螺栓的耐磨性能及其强度，与仿真计算的结果相吻合。

图7 直角挂板每万次磨损剩余强度变化

3 直角挂板组件缺陷分析

3.1 磨损形貌分析

对磨损表面进行扫描电镜分析，可得出金属表面磨损微观形貌，进一步判断直角挂板组件磨损的机理。利用扫描电子显微镜对磨损试验后直角挂板的磨损处微观形貌进行了分析。

1.5.2 质谱条件。离子源：电喷雾离子源 ESI；扫描方式：负离子(ESI-)扫描；检测方式：多反应监测模式(MRM)；喷雾电压：-4 500 V；离子源温度：550 ℃；气帘气压力：206.8 kPa；雾化气压力：379.2 kPa；辅助加热气压力：379.2 kPa。碰撞气CAD：Medium。

根据磨损形貌可以发现明显的片状粘着磨损特征以及部分犁沟、槽沟等磨料磨损的特征。磨损是直角挂板组件之间相对摩擦的结果，引起摩擦表面有微小颗粒分离出来，使接触表面不断发生尺寸变化，以及重量损失。由于直角挂板组件主要为碳素钢，属于互熔性材料，相互受力摩擦时主要发生片状粘着磨损，同时接触应力集中和滑动速度过快加速了粘着磨损的速率，材料中的不同性质的杂质析出导致了其他磨料磨损形式的出现，加速了组件磨损损耗，降低了其剩余强度。

所以提高材料的硬度或表面硬度可减少粘着磨损。在相同载荷下，加大接触面积，即可减少接触应力，也可减少粘着磨损。

3.2 截面硬度分析

由于材料表面硬度一定程度上影响着材料的耐磨性能，利用显微维氏硬度仪测量15万次磨损后直角挂板组件截面表层到芯部的硬度值，获得其硬度随深度变化的梯度分布规律。

如图8所示，直角挂板组件主要磨损处距表面1～4mm硬度值均有明显下降，但内部硬度值没有明显变化。

图8 直角挂板组件磨损处截面硬度

在磨损过程中组件相对运动，挤压剪切作用力较强，中挤压区域因方向不断变化形成的凸起与褶皱，导致材料表面硬度在一定范围呈梯度降低，但芯部区域受影响较小，硬度得以保持。

螺栓磨损处表面由于长期磨损且受力集中，硬度下降到110 HV左右，同时较芯部位置降低了90 HV左右。上下直角挂板由于受力较为分散，表面硬度下降较螺栓较少，但由于直角挂板制造工艺较螺栓复杂，在热成型及热镀锌时会影响整体硬度，导致较螺栓有所降低。

4 磨损应对措施分析

新疆区域大风天气较多且空气中沙尘含量较大，粘着磨损与其他磨损的交互作用加速了直角挂板组件的磨损。通过对直角挂板的接触应力分析发现，其关键接触面和接触应力最大值主要集中在连接螺栓上，该连接螺栓的耐磨性能将直接影响直角挂板的整体耐磨性能。减少直角挂板组件机械磨损主要有以下三个途径。

(1) 提高材料的硬度。对原来的镀锌钢，在生产工艺环节采用表面处理(如表面冷处理、高硬度金属覆膜等手段)或者对原碳钢材料进行改性，改变材料的内部结构，提升硬度、屈服强度和组件的耐磨性。

(2) 在现有的材料条件下，通过结构的优化设计，增加组件间的接触面积，减少接触应力，从而达到减小磨损的目的。

(3) 针对已经在运行的直角挂板组件，通过选择高等级的直角挂板连接螺栓或者定制专用耐磨损连接螺栓替换现有连接螺栓，延长组件的使用寿命。

5 结论

(1) 选用输电线路常见的连接金具直角挂板组件进行接触应力有限元仿真分析，建立了仿真模型，仿真计算了组件的接触应力分布，载荷应力达到20 kN时，组件中螺栓受应力最大，接触区域的最大应力达到了235 MPa。

(2) 对直角挂板组件进行了磨损试验，并进行了破坏载荷试验，直角挂板组件剩余荷载随着磨损次数及负荷增加而减小。直角挂板连接螺栓的磨损率大于直角挂板本身，为组件机械性能的薄弱环节。

(3) 通过对金属挂板磨损表面进行微观形貌扫描分析，阐述了其磨损特征，分析了组件产生磨损的机理，建议通过加大接触面积、提高材料的硬度或表面硬度的方式达到减少粘着磨损的目的。

(4) 通过研究直角挂板组件的磨损情况，可知连接螺栓的耐磨性能将直接影响到直角挂板的整体耐磨性能。依据组件的磨损机理提出了减少直角挂板组件磨损的三个途径，可为降低线路连接金具磨损风险提供参考。