一种输变电线路绝缘子钢脚材料的低周疲劳性能评价方法

摘要

本发明公开了一种输变电线路绝缘子钢脚材料的低周疲劳性能评价方法，包括如下步骤：将试样在万能试验机进行拉伸试验；在设定的应力幅下对试样进行低周疲劳试验，达到设定周次后若试样未断，再对其进行拉伸试验，若试样未达到设定周次提前断裂，记录其循环周次；对循环前后钢脚材料试样的各项性能进行对比，通过试样循环过程中的位移‑循环周次点图及循环后剩余强度、延伸率与断口形貌的变化，对不同热处理状态下钢脚材料的低周疲劳性能进行评判。本发明可对不同热处理状态下钢脚材料的疲劳性能作出评判，对于输变电线路的长期安全运行具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及输变电线路金具低周疲劳评估领域，具体是一种输变电线路绝缘子钢脚材料的低周疲劳性能评价方法。

背景技术

盘形悬式绝缘子由铁帽、钢脚和瓷件组成，金具和绝缘件之间用水泥胶合，在高压架空输配电线路中起到电气绝缘和机械支撑作用。其中，钢脚是重要的连接与承载件。同时，受到风力作用，绝缘子串在导线带动下产生横向摆动，因此钢脚常会承受循环应力作用。通过有限元模拟软件对钢脚与绝缘子腕头连接结构进行静力学分析后发现钢脚球头颈部存在应力集中现象，在冰雪大风等恶劣天气下，导线出现覆冰舞动时，钢脚球头颈部的最大应力可达到对应型号钢脚材料抗拉强度的85％以上。

目前，国内市场上瓷绝缘子钢脚质量参差不齐，存在显微组织结构异常、力学性能不达标等质量问题。在上述导线覆冰舞动的条件下，若钢脚材料的疲劳性能较差，无疑会存在严重的输电安全隐患，甚至会导致掉线、掉串等事故的发生。因此，亟需提供一种输变电线路绝缘子钢脚材料的低周疲劳性能评价方法，以解决上述问题。

发明内容

为解决上述现有技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种输变电线路绝缘子钢脚材料的低周疲劳性能评价方法。

本发明为实现目的，采用如下技术方案：

一种输变电线路绝缘子钢脚材料的低周疲劳性能评价方法，其特点在于，包括如下步骤：

步骤A：根据低周疲劳试验标准，将钢脚材料加工成两组低周疲劳试样；

步骤B：使用万能试验机对第一组低周疲劳试样直接进行静态拉伸试验，直至试样断裂，获得第一组试样的屈服强度、抗拉强度、延伸率和断面收缩率，并绘制第一组试样的拉伸应力-应变曲线；

步骤C：使用万能试验机，将第二组低周疲劳试样在设定的循环应力和循环次数下进行低周疲劳测试；

若试样未达到设定的循环次数即发生断裂，对其循环次数进行记录，并计算其断面收缩率、绘制循环过程的位移-循环次数点图；

若试样达到设定的循环次数，则再对其进行静态拉伸试验，直至试样断裂，获得第二组试样的屈服强度、抗拉强度、延伸率和断面收缩率，并绘制第二组试样循环过程的位移-循环次数点图及第二组试样的拉伸应力-应变曲线；

步骤D：采用扫描电子显微镜对两组试样的断口形貌进行观察，判断两组试样的断裂类型；

步骤E：将步骤B和步骤C测得的两组试样的各项性能及步骤D获得的两组试样的断口形貌进行对比，从而评价钢脚材料的低周疲劳性能。

进一步地，步骤C中，根据输变电线路导线舞动规律，所述设定的循环应力满足：应力比0＜R＜1，且最大应力σ

进一步地，步骤B和步骤C中，试样断裂位置应位于标距内，若断裂位置在标距之外，重新进行测试。

进一步地，步骤B与步骤C中，若试样无明显屈服，测定规定非比例延伸强度R

进一步地，所述低周疲劳试样为板材。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明针对输电线路绝缘子钢脚材料低周疲劳测试时，通过选择应力比R＝0.1与不低于85％抗拉强度的应力水平，模拟冰雪大风等极端天气下导线覆冰舞动时绝缘子钢脚应力集中部位的疲劳状态，对不同热处理状态下绝缘子钢脚材料的疲劳性能进行测试，可以确定不同钢脚材料的最佳热处理状态。

2、本发明将低周疲劳前后绝缘子钢脚材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率等性能进行对比，对不同热处理状态下钢脚材料的疲劳性能作出评判，对于输变电线路的长期安全运行具有重要意义。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为低周疲劳试样示意图；

图2为实施例1中正火态45钢循环过程中的位移-循环次数点图；

图3为实施例1中正火态45钢循环前后断口形貌SEM图，其中(a)为循环前、(b)为循环后；

图4为实施例2中正火态20Mn2循环过程中的位移-循环次数点图；

图5为实施例2中正火态20Mn2循环前后的拉伸应力-应变曲线；

图6为实施例2中正火态20Mn2钢循环前后断口形貌SEM图，其中(a)为循环前、(b)为循环后。

具体实施方式

下面将结合具体实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明属于输变电线路金具低周疲劳评估领域，主要涉及绝缘子钢脚材料的低周疲劳性能测试，具体涉及一种输变电线路绝缘子钢脚材料低周疲劳性能测试过程中对低周疲劳前后绝缘子钢脚材料的剩余强度及相关性能进行有效测试，从而完成绝缘子钢脚材料低周疲劳性能评定。本发明依据低周疲劳性能测试标准GB/T 15248进行试样尺寸的设计与加工。本发明根据极端天气下绝缘子钢脚随导线舞动时的应力状态，确定绝缘子钢脚材料在循环过程中的最大应力及应力比。本发明的技术原理是通过低周疲劳前后绝缘子钢脚材料相关性能的变化，完成对绝缘子钢脚材料低周疲劳性能有效及准确的评定。

根据本发明提供的一种输变电线路绝缘子钢脚材料的低周疲劳性能评价方法，包括如下步骤：

步骤A：根据低周疲劳试验标准，将钢脚材料加工成两组低周疲劳试样；

步骤B：使用万能试验机对第一组低周疲劳试样直接进行静态拉伸试验，直至试样断裂，获得第一组试样的屈服强度、抗拉强度、延伸率和断面收缩率，并绘制第一组试样的拉伸应力-应变曲线；

步骤C：使用万能试验机，将第二组低周疲劳试样在设定的循环应力和循环次数下进行低周疲劳测试；

若试样未达到设定的循环次数即发生断裂，对其循环次数进行记录，并计算其断面收缩率、绘制循环过程的位移-循环次数点图；

若试样达到设定的循环次数，则再对其进行静态拉伸试验，直至试样断裂，获得第二组试样的屈服强度、抗拉强度、延伸率和断面收缩率，并绘制第二组试样循环过程的位移-循环次数点图及第二组试样的拉伸应力-应变曲线；

步骤D：采用扫描电子显微镜对两组试样的断口形貌进行观察，判断两组试样的断裂类型；

步骤E：将步骤B和步骤C测得的两组试样的各项性能及步骤D获得的两组试样的断口形貌进行对比，从而评价钢脚材料的低周疲劳性能。

步骤C中，根据输变电线路导线舞动规律，所述设定的循环应力满足：应力比0＜R＜1，且最大应力σ

步骤B和步骤C中，试样断裂位置应位于标距内，若断裂位置在标距之外，重新进行测试。

步骤B与步骤C中，若试样无明显屈服，测定规定非比例延伸强度R

低周疲劳试样为板材。

优选地，包括如下步骤：

第一步，针对不同热处理状态下绝缘子钢脚材料，沿轴向部位取6根低周疲劳试样，如图1所示，试样为板材；选择其中3根试样作为第一组，其余3根试样作为第二组。

第二步，使用万能试验机分别对第一组的3根试样直接进行静态拉伸试验，直至试样断裂，获得第一组3根试样的屈服强度、抗拉强度、延伸率和断面收缩率并取平均值，并选择其中一根试样绘制其拉伸应力-应变曲线。

第三步，使用万能试验机，将第二组的3根试样分别在设定的循环应力和循环次数下进行低周疲劳测试；

若3根试样未达到设定的循环次数即发生断裂，对其循环次数进行记录，计算其断面收缩率，并选择其中一根试样绘制其循环过程的位移-循环次数点图；

若3根试样达到设定的循环次数，则再对其进行静态拉伸试验，直至试样断裂，获得第二组3根试样的屈服强度、抗拉强度、延伸率和断面收缩率并取平均值，并选择其中一根试样绘制其循环过程的位移-循环次数点图及其拉伸应力-应变曲线。

基本不存在3根试样中部分未达到设定的循环次数即发生断裂、部分达到的情况。若出现该情况，选择其中状况相同的两根按上述方案进行分析，舍弃另一根。例如：若2根未达到设定的循环次数即发生断裂、1根达到，则舍弃这一根，对未达到的2根的循环次数进行记录，计算其断面收缩率，并选择其中一根试样绘制其循环过程的位移-循环次数点图。

第四步：采用扫描电子显微镜对两组试样中所选的各一根试样的断口形貌进行观察，判断两组试样的断裂类型；

第五步：将第二步和第三步测得的两组试样的各项性能及第四步获得的两组试样的断口形貌进行对比，从而评价钢脚材料的低周疲劳性能。

实施例1

第一步，针对正火状态下的45钢钢棒，沿钢棒轴向部位取6根低周疲劳试样，试样为板材；选择其中3根试样作为第一组，其余3根低周疲劳试样作为第二组。

第二步，使用万能试验机分别对第一组的3根试样直接进行静态拉伸试验，直至试样断裂，获得第一组3根试样的屈服强度、抗拉强度、延伸率和断面收缩率并取平均值，结果如表1所示，并选择其中一根试样绘制其拉伸应力-应变曲线。

第三步，使用万能试验机，将第二组的3根试样分别在设定的循环应力(应力比R＝0.1及最大应力σ

试样未达到设定的循环次数即发生断裂，记录平均循环次数为4630次，计算其平均断面收缩率为54.2％。选择其中一根试样绘制其循环过程的位移-循环次数点图，如图2所示。

第四步：采用扫描电子显微镜对两组试样中所选的各一根试样的断口形貌进行观察，如图3所示，判断两组试样的断裂类型。

第五步：将第二步和第三步测得的两组试样的各项性能及第四步获得的两组试样的断口形貌进行对比，从而评价正火态下45钢的低周疲劳性能，试验结果表明：正火态下45钢未循环断口呈韧窝状，循环后韧窝明显变得浅而小，对应循环过程中位错的缠结对晶粒协调变形的阻碍。

表1

实施例2

第一步，针对正火状态下20Mn2钢棒，沿轴向部位取6根低周疲劳试样，试样为板材；选择其中3根试样作为第一组，其余3根低周疲劳试样作为第二组。

第二步，使用万能试验机分别对第一组的3根试样直接进行静态拉伸试验，直至试样断裂，获得第一组3根试样的屈服强度、抗拉强度、延伸率和断面收缩率并取平均值，结果如表2所示，并选择其中一根试样绘制其拉伸应力-应变曲线，如图5所示。

第三步，使用万能试验机，将第二组的3根试样分别在设定的循环应力(应力比R＝0.1及最大应力σ

循环5000次后，对3根试样分别进行静态拉伸试验，直至试样断裂，获得第二组3根试样的屈服强度、抗拉强度、延伸率和断面收缩率并取平均值，如表2所示。选择其中一根试样绘制其循环过程的位移-循环次数点图(如图4所示)及其拉伸应力-应变曲线(如图5所示)。

第四步：采用扫描电子显微镜对两组试样中所选的各一根试样的断口形貌进行观察，如图6所示，判断两组试样的断裂类型。

第五步：将第二步和第三步测得的两组试样的各项性能及第四步获得的两组试样的断口形貌进行对比，从而正火态下20Mn2钢的低周疲劳性能，试验结果表明：正火态下20Mn2钢在5000次循环后处于循环硬化状态，位错的缠结导致试样屈服强度大幅增加，抗拉强度提高了9.9％，延伸率降低了24％，相对于拉伸试样，循环后可见断口形貌中韧窝变得浅而小，说明材料的塑性明显下降。

表2

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。