基于有限元模型的U型环磨损分析与实验

基于有限元模型的 U 型环磨损分析与实验

熊峰 甄世明

国网新疆电力有限公司昌吉供电公司 新疆昌吉 831100

摘要：对金具组件在现实受力下的应力分布情况进行研究，并找到危险点，加以强化防护，将有利于维护输电线路的正常运行，提高电力系统的安全运行保障能力。因此本文基于有限元模型的U型环磨损进行了分析与实验。

关键词：U型环；调整环；有限元模型

1案例介绍

本文以某输电线路为例，介绍输电线路用于悬挂导线所用到的几种金具，并列出各金具的材料属性，用于后期有限元分析使用。其中U型挂环型号包括U-42140与U-32115，调整环型号为DT-21。

2磨损模型

本文为了模拟金具之间的磨损情况，采用Archard磨损模型，磨损率是局部接触压力和滑移率的线性函数，即：

(1)

q为体积磨损量；k为磨损系数；H为材料硬度；P为接触压力；A为接触面积；y为接触滑移率。

3有限元力学

3.1整体受力

U型挂环(U-42140)和调整环(DT-21)的装配体有限元模型按照实际尺寸通过ANSYSAPDL编程完成。模型中共设置9个接触对，有限元模型划分的单元由六面体单元和四面体单元组合而成，接触部位用规则的六面体，不规则且不允许用六面体单元的位置用四面体单元代替，该装配体较简单，形貌特征明显，共划分单元数量为26206个。对模型进行求解计算，对调整环下部，穿过圆柱孔的销轴施加荷载F=210KN，设置时间步长为1，加载方式为斜坡加载(KBC=I)，即将210KN的力逐渐施加到销轴两侧，能够得到装配体整体的应力分布以及接触部位的应力分布。

3.2单个零件及接触部位应力分析

通过选择时间步长为0.1及时间步长为0.6两个计算结果来说明装配体中的单个零件的应力分布情况。整个装配体在任意时间步内，有四处出现比较明显的应力集中现象，四处位置的相应节点的最大应力见表2。从上而下依次为：1)最上端孔柱配合处；2)两个挂环连接处；3)调整环T形台部位；4)最下端孔柱两己合处。

表2中整个装配体最大应力出现在两个挂环连接处，最大应力达到355MPa；最上端孔柱配合处，孔的最大应力为232MPa，出现在孔两侧边缘处，而螺栓挂杆的最大应力则为107MPa，两者出现偏差，基本符合实际情况，原因为孔的两侧边缘比较锋利，如果做一倒角，效果会明显改善。同样，最下端的孔柱配合处也出现类似情况，孔内侧边缘最大应力为317MPa，而螺栓挂杆的最大应力则为159MPa；调整环T型台部位的最大应力为174MPa，比他几处接触部位的应力要小很多，但比两处挂杆的最大应力要大，所以此处也应该是重点考虑部位。表3中整个装配体最大应力出现位置不再是两个挂环连接处，两个挂环出的最大应力为494MPa；最上端孔柱配合处，孔的最大应力为557MPa，出现在孔两侧边缘处，而螺栓挂杆的最大应力则为370MPa，两者出现偏差。同样，最下端的孔柱配合处，孔内侧边缘最大应力为559MPa，而螺栓挂杆的最大应力则为564MPa，两者较为接近；调整环T型台部位的最大应力为624MPa，比其他几处接触部位的应力要大很多，此处的应力变化比较大，应该重点考虑其强度问题。

4金具组件摩擦及疲劳损伤

4.1建立磨损有限元模型

分别对U型挂环U-32115和U42140进行孔销磨损计算。考虑圣维南原理，即分布于弹性体上一小块面积内的荷载所引起的物体中的应力，在离荷载作用区稍远的地方，基本上只同荷载的合力和合力矩有关；荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布。销孔配合间隙按0.3mm进行计算，划分六面体实体网格数量为18724。

4.2迭代计算过程

将子步步长设定为起始值0.01，最小自动步长为1E-5。计算过程中对每一子步软件进行大步长迭代，当出现不收敛状况时自动进行步长缩减，当收敛时下一步长会自动延长，以达到最小用时的目的。该运算过程在工作站中运行时间为11小时。

4.3提取结果

可以得知应力最大位置为孔的顶部母线两端处，最大值为656MPa，此处也是磨损部位，当然此处为压应力状态。磨损是从销孔上部母线的两端向中间扩展。环体积由57563mm³减小为57521mm³，体积减少42mm³。磨损最严重区域中心节点磨损后位置变化0.015mm。U型挂环U42140的销孔与销轴的磨损分析过程与U32115类似，加载为6吨，摩擦运动为绕轴往复旋转±50。磨损过程中顶部母线处最大接触应力为914MPa。体积从76926mm3磨损76880mm³，体积减少46mm³。

4.4U型挂环与调整环之间的磨损

将U型挂环的上部断面进行固定约束，在调整环下部断面施加6吨静载荷，采用斜坡加载方式。摩擦运动为调整环绕其自身轴线往复旋转±100，以正弦方式加载往复摩擦。磨损区域从两环的接触点开始向四周扩散，U型挂环侧接触点为8656号节点，其初始z坐标为57.5mm，当载荷加入后产生局部弹塑性变形，Z坐标达到57.92mm，磨损后的z坐标达到58.06mm，磨损深度为0.14mm。

5仿真模拟实验

实验时将角度分别设置为：5，10，15度，磨损时间为1500min，作用力为60KN，型号为U42140，其中金具磨损中的磨损系数计算如下：

q_总表示U型环与调整环互相磨损的体积总量；q_U表示U型环磨损体积量；q_调表示调整环体积磨损量；k表示磨损系数；A_U表示U型环磨损面积；L_U表示U型环磨损位移长度；P表示对其施加拉力；H_U表示U型环的硬度；A_调表示调整环磨损面积；L_调表示调整环磨损位移长度；H_调表示调整环的硬度。

在角度为五度时的体积磨损量相比磨损角度十五度时的磨损量要小得多，其磨损表面积和磨损位移差距不大，这表明在同样条件下尽可能保证电力金具小角度偏转磨损时对金具的损伤更小。

可以将悬吊金具系统中U形螺丝与U形挂环其接触方式为点接触。当其悬挂的地线在风力的作用下，反复切割，形如摩擦磨损理论中的犁沟就会在接触部位产生。

因此，需要在U形挂环上多焊接2个U形环，使原有的单点接触形式改变为多点接触方式，改善接触部位的应力状态，削弱金具的磨损强度，从而达到降低电力金具的磨损量的目的。

6结束语

本文对U型环和调整环的有限元模型进行建模分析，得到其应力分布和不同角度的磨损情况，并通过仿真实验，得出现场实际维护金具磨损的指导建议和防护措施。

参考文献

[1]文淄博.ANSYS软件使用的几点建议[J].山东工业技术，2019，0(12):236-237.

[2]逯平平.电力金具U型环磨损后的组织与性能[J].热加工工艺，2019(24):46-49，55.