異種管件接頭防滑槽壓接性能分析與評(píng)估

陳家慧, 馮 杰, 劉 曦, 彭 倩, 王方強(qiáng), 何 鑫

(1. 國(guó)網(wǎng)四川省電力公司 電力科學(xué)研究院,成都 610041, E-mail: cjh13w@163.com;2.四川賽康智能科技股份有限公司,成都 610041)

近年來(lái),隨著航空航天、電力、建筑等領(lǐng)域?qū)芗B接提出輕量化、多功能化等新要求,鋁合金-鋼管壓接、鎂合金-鋁管壓接等異種材料管件壓接得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。異種管件壓接采用在非變形管件上開(kāi)防滑槽,通過(guò)液壓或磁脈沖壓接等方式將變形管件壓入防滑槽內(nèi)的方法,實(shí)現(xiàn)管件連接的機(jī)械鎖死[4]。防滑槽作為異種管件接頭的重要結(jié)構(gòu),是影響接頭壓接性能的主要因素,其漏壓、少壓等壓接缺陷導(dǎo)致的壓接性能劣化,會(huì)極大降低異種管件壓接的可靠性和安全性[5-6]。

目前,防滑槽的研究其一是針對(duì)防滑槽本身結(jié)構(gòu)的研究,Fan等[7]和Sachin等[8]研究了防護(hù)槽深度、寬度和凹槽邊緣半徑對(duì)管件接頭強(qiáng)度的影響,其研究結(jié)果對(duì)于提高異種管件壓接強(qiáng)度具有理論指導(dǎo)意義,但無(wú)法評(píng)估壓接缺陷對(duì)防滑槽壓接性能的影響。防滑槽的研究其二則是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量管件接頭拉斷力的方法來(lái)獲得壓接缺陷與防滑槽壓接性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系,呂占杰等[9]和程繩等[10]利用X射線成像技術(shù)測(cè)得防滑槽的實(shí)際壓接尺寸,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了壓接量對(duì)管件接頭拉斷力的影響;周立憲等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了壓接后防滑槽位置間隙對(duì)管件接頭拉斷力的影響;文獻(xiàn)[12-14]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了防滑槽壓接對(duì)導(dǎo)線握力的影響。這些研究為通過(guò)拉斷力來(lái)定性評(píng)判防滑槽的壓接性能提供了依據(jù),但缺乏定量的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),一方面導(dǎo)致壓接性能的評(píng)估成本提高,另一方面通過(guò)定性評(píng)價(jià)結(jié)果得出的報(bào)廢、復(fù)壓等處理意見(jiàn)會(huì)造成管件的浪費(fèi)[15]。

本文以電力領(lǐng)域使用的線夾管件為例,通過(guò)定量分析防滑槽壓接量對(duì)管件接頭拉斷力的影響,提出了一種防滑槽壓接性能的定量評(píng)估方法。通過(guò)受力分析得到管件接頭拉斷力的表達(dá)式,進(jìn)一步根據(jù)鋁管內(nèi)壁的壓接應(yīng)力、鋁管內(nèi)壁的剪切強(qiáng)度條件和彎曲強(qiáng)度條件,得到防滑槽凸棱摩擦力和防滑槽凹槽剪力的計(jì)算模型,在此基礎(chǔ)上建立防滑槽壓接量與管件接頭拉斷力損失率的函數(shù)關(guān)系得到防滑槽壓接性能的評(píng)估模型,最后通過(guò)管件的拉斷力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此評(píng)估模型的有效性。

1 防滑槽壓接性能分析

電力領(lǐng)域使用的線夾管件由鋼錨和鋁管兩部分組成,鋼錨主要包括防滑槽和鋼管,其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

▲圖1 管件結(jié)構(gòu)示意圖

管件與導(dǎo)線(通常為鋼芯鋁絞線)的壓接在三處進(jìn)行,首先在鋼芯壓接處壓接固連導(dǎo)線鋼芯與鋼管,其次在鋁絞線壓接處壓接固連導(dǎo)線鋁絞線和鋁管,最后在防滑槽壓接處壓接固連鋁管和防滑槽。壓接后管件分別在三處壓接處產(chǎn)生握力,鋼管握住導(dǎo)線鋼芯并承受鋼芯部分的拉力,鋁管握住導(dǎo)線鋁絞線承受鋁絞線部分的拉力,并通過(guò)握住鋼錨防滑槽,將這部分拉力傳遞到防滑槽上,防滑槽后端與輸電塔相連,從而實(shí)現(xiàn)將導(dǎo)線上的全部拉力通過(guò)防滑槽后端傳遞到輸電塔上。

▲圖2 防滑槽壓接缺陷

防滑槽壓接處是壓接操作過(guò)程中最容易產(chǎn)生壓接缺陷——漏壓或少壓的位置,圖2所示為兩凹槽管件的防滑槽壓接缺陷示意圖,防滑槽漏壓或少壓都表現(xiàn)為防滑槽的壓接量x小于正常值l,壓接量的變化會(huì)引起管件接頭拉斷力的變化,從而影響防滑槽的壓接性能。據(jù)此可以得到圖3所示的防滑槽壓接性能定量評(píng)估原理框圖。

如圖3所示,首先對(duì)參與防滑槽處壓接的各部分管件結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析,借此得到管件接頭拉斷力的計(jì)算公式,并從中提取防滑槽部分的貢獻(xiàn)——防滑槽凸棱的摩擦力和凹槽的剪切力,然后分別研究防滑槽壓接量與這兩種力的定量關(guān)系,進(jìn)而研究壓接量和管件接頭拉斷力的函數(shù)關(guān)系,本文通過(guò)上述原理來(lái)研究防滑槽壓接性能的定量評(píng)估方法。

▲圖3 壓接性能定量評(píng)估原理

2 防滑槽壓接性能的定量評(píng)估

2.1 管件的拉斷力分析

2.1.1 鋁管的受力分析

鋁管是將導(dǎo)線鋁絞線部分的拉力傳遞到防滑槽的媒介,圖4所示為鋁管的受力分析。

▲圖4 鋁管受力示意圖

(1)

2.1.2 鋼錨的受力分析

圖5所示為鋼錨的受力分析。

▲圖5 鋼錨受力示意圖

防滑槽后端與輸電塔連接,傳遞來(lái)自導(dǎo)線的全部拉力,其所受輸電塔的支反力為T(mén)B,方向沿x軸負(fù)方向。鋼錨前端鋼管承受導(dǎo)線鋼芯的拉力Fgg,方向沿x軸正方向。在防滑槽壓接處鋼錨受到來(lái)自鋁管內(nèi)壁的剪力和摩擦力的反力FS和Ff,其方向沿x軸正方向。

在四個(gè)力的共同作用下,鋼錨達(dá)到受力平衡,有

(2)

2.1.3 導(dǎo)線的受力分析

圖6所示為導(dǎo)線的受力分析。

▲圖6 導(dǎo)線受力示意圖

由圖6可以得到導(dǎo)線拉力的傳遞過(guò)程:導(dǎo)線上的拉力首先通過(guò)鋁管傳遞到防滑槽壓接處,當(dāng)拉力達(dá)到防滑槽承受力的最大值后,多余的拉力才會(huì)傳遞到鋼芯壓接處。當(dāng)拉力超過(guò)防滑槽壓接處承受力的最大值與導(dǎo)線鋼芯的額定拉斷力Tg之和時(shí),由于導(dǎo)線伸出了一段鋼芯與鋼管壓接,鋼管與鋼芯交界處的橫截面積最小,并且容易應(yīng)力集中,因此導(dǎo)線的這段鋼芯會(huì)首先被拉斷。拉斷時(shí)導(dǎo)線上的拉力就是管件的實(shí)際拉斷力TN,其滿足下列關(guān)系式。

(3)

綜合分析式(1)～式(3),可以得到管件接頭拉斷力TN的表達(dá)式為

TN=Ff+FS+Tg

(4)

防滑槽漏壓或少壓時(shí),會(huì)導(dǎo)致防滑槽能承受的力(Ff+FS)減小,由式(4)可知,(Ff+FS)減小會(huì)導(dǎo)致管件的實(shí)際拉斷力減小,因此需要對(duì)防滑槽壓接量產(chǎn)生的影響進(jìn)行定量分析。

2.2 防滑槽力學(xué)模型的建立

2.2.1 防滑槽凸棱的摩擦力計(jì)算

防滑槽由凸棱和凹槽兩部分組成,壓接后鋁管內(nèi)壁會(huì)同時(shí)在與凹槽和凸棱的接觸面之間產(chǎn)生摩擦力,但由于鋁管壓入凹槽的部分產(chǎn)生的壓接應(yīng)力變化較大,因此在計(jì)算摩擦力時(shí)忽略這部分摩擦力,這樣最終的計(jì)算結(jié)果是偏于安全的。

如圖7所示,凹槽的寬度為a,外徑為dg;凸棱的寬度為b,外徑為Dg。

▲圖7 防滑槽受力示意圖

設(shè)防滑槽的壓接量為x,其正方向?yàn)樗较蛴?則鋁管內(nèi)壁和凸棱之間的摩擦力表達(dá)式為

(5)

式中:μgA為鋼和鋁之間的靜摩擦系數(shù),取0.17;PA為壓接鋁管時(shí)的壓接應(yīng)力。

管接頭拉斷試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 管件接頭拉斷力實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)

以表1所示的管件為例(本節(jié)分析圖線的參數(shù)均參照表1),利用式(5)得到凸棱摩擦力隨防滑槽壓接量的變化曲線,如圖8所示,凸棱的摩擦力隨防滑槽壓接量的增加而呈周期性增加,這一特性符合防滑槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

▲圖8 凸棱摩擦力變化曲線

2.2.2 防滑槽的剪力計(jì)算

鋁管壓入防滑槽的部分會(huì)在防滑槽處產(chǎn)生剪力FS,使鋁管內(nèi)壁發(fā)生剪切或彎曲破壞,鋁管與防滑槽之間的最大剪力可分別用壓入凹槽的鋁管的剪切和彎曲強(qiáng)度條件去衡量,設(shè)防滑槽的壓接量為x,則有

(6)

(7)

式中:τ為鋁管的抗剪強(qiáng)度,一般取62 MPa;σbA為鋁管的彎曲應(yīng)力,一般取76 MPa;h為防滑槽的肩高,其值為(Dg-dg)/2。

聯(lián)立式(6)和式(7)得

(8)

(9)

由式(9)繪出凹槽剪力隨防滑槽壓接量的變化曲線,如圖9所示,防滑槽壓接量在曲線段時(shí),鋁管內(nèi)壁將發(fā)生彎曲破壞,壓接量在斜線段和直線段時(shí),鋁管內(nèi)壁只會(huì)發(fā)生剪切破壞。凹槽的剪力隨防滑槽壓接量的增加也呈周期性增加,這一特性同樣符合防滑槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

▲圖9 凹槽剪力變化曲線

2.3 防滑槽壓接性能的定量評(píng)估模型

當(dāng)管件正常壓接時(shí),理論上管件的拉斷力等于導(dǎo)線的額定拉斷力TD,當(dāng)管件的防滑槽漏壓或少壓時(shí),管件的拉斷力可用式(4)表達(dá),因此使用管件的拉斷力損失率η來(lái)評(píng)判防滑槽壓接量x的影響,也即防滑槽壓接性能的評(píng)估模型。

(10)

由于導(dǎo)線的額定拉斷力TD等于導(dǎo)線鋼芯的額定拉斷力Tg與導(dǎo)線鋁絞線的額定拉斷力TA之和,聯(lián)立式(4)、式(5)、式(9)和式(10)可得

(11)

式中:TD、TA和Tg都可由導(dǎo)線的參數(shù)手冊(cè)查得。

式(11)是防滑槽壓接量x的函數(shù),依據(jù)表1數(shù)據(jù)可以得到其拉斷力損失率隨防滑槽壓接量x的變化曲線,如圖10所示。

▲圖10 管件接頭拉斷力損失率變化曲線

由圖10可知,當(dāng)防滑槽壓接量為0時(shí),管件接頭拉斷力的損失率為52.05%,此時(shí)管件只能承受等于導(dǎo)線鋼芯拉斷力的拉力;當(dāng)防滑槽壓接量為正常壓接量(防滑槽全部壓接)的一半時(shí),管件的拉斷力損失率為9.755%;當(dāng)防滑槽壓接量為17.07 mm時(shí),管件的拉斷力損失率為0,這表示理論上防滑槽壓接量不小于17.07 mm時(shí),管件的拉斷力將等于導(dǎo)線的額定拉斷力。

式(11)建立了防滑槽壓接性能的定量評(píng)估模型,實(shí)際應(yīng)用中,在檢測(cè)得到管件防滑槽處的壓接情況后,可以定量得到拉斷力的損失率情況,以此來(lái)判斷處理方法是報(bào)廢、復(fù)壓或是繼續(xù)使用,由此可以提高管件的制造和使用效率。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

為驗(yàn)證建立的防滑槽壓接性能定量評(píng)估模型的有效性,進(jìn)行了管件接頭拉斷力的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中采用的管件型號(hào)為NY-300/40,鋼芯鋁絞線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-300/40,其基本參數(shù)見(jiàn)表1。

3.1 管件接頭拉斷力實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)制作了30個(gè)正常壓接(壓接量為28 mm)的管件、10個(gè)防滑槽壓接1/2(壓接量為14 mm)的管件和10個(gè)防滑槽不壓接(壓接量為0)的管件,用以驗(yàn)證評(píng)價(jià)模型的正確性。所有管件的壓接過(guò)程均為同一批人員操作同一大噸位分體式液壓機(jī)進(jìn)行壓接,嚴(yán)格按照鋁管70 MPa和鋼管265 MPa來(lái)控制壓接應(yīng)力。壓接完成后利用X射線成像對(duì)管件的壓接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),得到的典型圖譜如圖11所示,圖11(a)為正常壓接的管件,圖11(b)為防滑槽壓接1/2的管件,圖11(c)為防滑槽不壓接的管件。

▲圖11 典型壓接的X射線圖譜

實(shí)驗(yàn)中采用的鋼芯鋁絞線的長(zhǎng)度為4 m(去除管件長(zhǎng)度),型號(hào)為L(zhǎng)GJ-300/40,標(biāo)定的額定拉斷力為92.22 kN,因此實(shí)驗(yàn)時(shí)拉力儀器的拉力值從0 kN逐漸增加到100 kN,一直到線纜或者管件拉斷,否則達(dá)到100 kN后停止。導(dǎo)線的兩端先都用管件正常壓接,進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn),以其拉斷力的均值作為本批次正常壓接的管件的拉斷力。再進(jìn)行10組對(duì)照實(shí)驗(yàn),導(dǎo)線一端用管件正常壓接,另一端管件防滑槽壓接1/2,記錄本批次缺陷壓接的拉斷力。最后進(jìn)行10組對(duì)照實(shí)驗(yàn),導(dǎo)線一端用管件正常壓接,另一端防滑槽不壓接,記錄缺陷壓接的拉斷力。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖12所示。

▲圖12 拉斷力實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

3.2 管件接頭拉斷力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

正常壓接的5組拉斷力實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2,防滑槽壓接1/2的10組拉斷力實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3,防滑槽不壓接的10組拉斷力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表2 正常壓接的拉斷力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 壓接1/2的拉斷力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 不壓接的拉斷力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后分別對(duì)正常壓接、防滑槽壓接1/2、防滑槽不壓接的管件進(jìn)行X射線成像檢測(cè),結(jié)果如圖13所示,正常壓接、防滑槽壓接1/2、防滑槽不壓接三種情況均在這一位置附近斷裂。

▲圖13 拉斷力實(shí)驗(yàn)后X射線圖譜

3.3 拉斷力實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性分析

實(shí)驗(yàn)中的鋼芯鋁絞線額定拉力為92.22 kN,而實(shí)驗(yàn)中正常壓接管件的拉斷力均值為90.98 kN,且拉斷力全部小于額定拉力。這一結(jié)果一方面是由于管件壓接時(shí),壓接力控制不均勻,可能會(huì)使鋼芯破損或疲勞等,導(dǎo)致拉伸時(shí)比未壓接的鋼芯鋁絞線更容易斷裂[14];另一方面國(guó)標(biāo)中規(guī)定該類型鋼芯鋁絞線的額定拉力為92.22 kN,但實(shí)際其能夠承受的拉力極限可能會(huì)有一定的變化。此外,正常壓接的拉斷力均值符合國(guó)標(biāo)規(guī)定的不小于額定拉斷力的95%,因此,正常壓接的拉斷力數(shù)據(jù)是有效的。

本次實(shí)驗(yàn)中的管件均為相同工程人員、同一液壓機(jī)的相同力值壓接,可以認(rèn)為本次實(shí)驗(yàn)中的管件壓接程度相同,因此,本實(shí)驗(yàn)得到的防滑槽壓接1/2、防滑槽不壓接的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也是有效的。

3.3.2 對(duì)管件接頭拉斷力影響評(píng)價(jià)模型的驗(yàn)證

2.1.3節(jié)通過(guò)受力分析得出,無(wú)論是正常壓接,還是防滑槽漏壓或少壓,管件最終的斷裂位置都是導(dǎo)線鋼芯與鋼錨前端鋼管的交界處,這與實(shí)驗(yàn)中的導(dǎo)線的斷裂位置相符。

2.3節(jié)的拉斷力損失率數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)防滑槽不壓接時(shí),管件接頭拉斷力的損失率為52.05%,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,防滑槽不壓接與正常壓接相比,拉斷力損失率在51.05%～52.77%之間浮動(dòng),理論損失率和試驗(yàn)損失率的誤差小于1%,這一結(jié)果是因?yàn)閴航雍髮?dǎo)線的鋁絞線部分和鋼芯部分的均有不同程度的拉斷力損失。

當(dāng)防滑槽壓接1/2時(shí),管件接頭拉斷力的損失率是9.755%,而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,防滑槽壓接1/2與正常壓接相比,拉斷力損失率在8.76%～9.32%之間浮動(dòng),理論損失率和實(shí)驗(yàn)損失率的誤差小于1%,且理論損失率都大于試驗(yàn)損失率,造成這一結(jié)果的原因可能是壓接后鋁管內(nèi)壁與防滑槽之間產(chǎn)生了摩擦力,或是防滑槽壓接時(shí)在后端多壓接了一段距離,導(dǎo)致拉斷力的損失率降低,這也說(shuō)明壓接性能評(píng)估模型的評(píng)估結(jié)果相對(duì)保守且安全的。

綜上所述,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文建立的防滑槽壓接性能定量評(píng)估模型是正確且有效的。

4 結(jié)論

(1) 以電力領(lǐng)域使用的線夾管件為例,通過(guò)受力分析,分別建立了防滑槽凸棱摩擦力和防滑槽凹槽剪力的計(jì)算模型,在此基礎(chǔ)上建立了防滑槽壓接性能的定量評(píng)估模型,該模型可以定量分析防滑槽壓接量變化時(shí),管件接頭拉斷力的損失率變化情況,為異種材料管件接頭防滑槽壓接缺陷檢測(cè)后管件的處理方法提供了理論依據(jù)。

(2) 通過(guò)拉斷力實(shí)驗(yàn)對(duì)建立的定量評(píng)估模型進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,管件的斷裂位置與理論分析一致,并且管件接頭拉斷力的理論損失率與實(shí)驗(yàn)損失率的差距小于1%,因此,可以認(rèn)為防滑槽壓接性能的定量評(píng)估模型是正確且有效的。