带电作业承力工具的疲劳特性

本篇将介绍带电作业承力工具的疲劳特性的概念。通过对带电作业承力工具疲劳特性的介绍,掌握带电作业承力工具的疲劳特性,从而更为安全的使用这些作用工具。

疲劳特性的概念

承力工具主要指承受重力、荷载的带电作业工具。常用的承力工具有绝缘滑车组、绝缘拉杆装置(包括托瓶装置)、绝缘支撑工具(有紧线、吊线、收线装置等)。

承力工具一般使用金属材料和绝缘材料(玻璃钢材料)制成。用这两种材料制的工具按照静态强度设计,达到安全要求。但是由于工作应力是变化的,在这种交变 载荷长期作用下,部件仍然会发生损坏,这种现象称为疲劳破坏,据统计约有80%的部件失效均归咎于疲劳破坏。通常把材料所受交变荷载与该荷载下所能承受的循环次数之间的关系曲线称作该材料的疲劳特性。

常用带电作业承力工具材料的疲劳特性

金属材料的疲劳特性:影响金属材料疲劳特性的因素很多,除受成分、夹杂物和热处理的影响外,还有其他因素。

金属材料表面加工、尺寸和应力集中的影响:工具部件承受弯曲和扭转载荷时表面应力最大,疲劳破坏多数自表面开始。粗糙的表面状态相当于存在很多微缺口,由缺口应力集中而导致疲劳强度降低。表面越粗糙,疲劳强度降低得越严重。有圆角、油孔和螺纹键槽等缺口的部件,因应力集中导致部件疲劳强度降低。缺口越尖锐应力越集中,疲劳强度降低越严重。

部件表面镀层对其疲劳强度也有一定影响:工具表面镀层主要是铬(Cr)和镍(Ni),镀这两种金属时造成疲劳极限大为降低的主要原因是镀层中产生很大的残余拉应力。由于镀层中存在很多微细龟裂纹,它作为缺口使应力集中。如30CrMo材料未镀前的疲劳极限为72.5MPa。镀0.25mm厚的Cr后,其疲劳极限则为50.6MPa,仅为镀前的68%。

热处理对其疲劳强度的影响:通过加热、保温和冷却等步骤来调整金属内部组织,改善材料性能的技术手段,称为热处理。热处理可分为退火、亚火、回火和淬火等。退火即随炉冷却,亚火即空气冷却,淬火即用水突然冷却,回火即再加温。退火和亚火可提高机械性能,降低硬度,提高塑性和消除内应力,淬火是为了得到高硬度和高耐磨性,以得到强度与塑性的良好配合,回火是为了防止淬火引起的内应力和脆性。

如45号钢经亚火处理后疲劳极限为34.3MPa,经退火处理后为24.5MPa。经840℃淬火,420℃回火处理后为52.9MPa。由此可见45号钢经不同热处理后其机械性能有很大不同。

环氧酚醛玻璃钢的疲劳特性:玻璃钢是一种多相材料,是一种纤维重合材料,是一种脆性材料(延伸率小于5%)

  1. 玻璃钢的疲劳过程:玻璃钢的疲劳破坏过程是界面脱胶、树脂开裂和纤维断裂的综合过程。对于玻璃钢压板来说,破坏开始于与交变应力方向垂直的横向纤维束内,首先是界面个别点处的脱胶,脱胶沿着纤维方向发展,致使横向纤维束产生剥离。经过一段时间,树脂内产生裂纹,部件由半透明逐渐变为不透明,当裂纹进一步扩大时,局部纤维开始断裂,破坏区的树脂变为白色粉末,最后部件破坏。
  2. 影响玻璃钢疲劳强度的因素:玻璃钢是由无碱玻璃纤维布和合成树脂复合而成的材料,树脂种类不同时玻璃钢的疲劳强度也不同。对同类树脂来说,采用酚醛树脂或环氧树脂比采用聚酯树脂时的疲劳强度高。耐热型比普通型的疲劳强度高。若树脂强度相同,延伸率高的树脂其玻璃钢的疲劳强度也高。

应力集中对玻璃钢的疲劳强度影响也较严重,在静态载荷作用下,玻璃钢比金属有较高的缺口敏感性,金属的应力集中系数为3,玻璃钢层压板的应力集中系数 为3~9。

玻璃钢的疲劳强度对方向性是很敏感的,因为它是由非均质的各向异性材料组成,受纵横向的影响较大,它与夹角θ的大小关系密切,θ为零时疲劳强度最高,若θ加大则疲劳强度降低。

由于工具受到疲劳强度影响,长期使用后,其机械强度会降低,甚至达不到使用要求,所以规程要求每两年要做一次机械试验强度试验,以检查其机械强度是否满足使用要求。

但长时间多次数的机械试验也会对工具疲劳强度产生影响,尤其是每次试验都做到设计值荷载范围的试验,每次基本上都达到工具材料的机械强度极限值,这样可能使工具材料在试验中产生机械疲劳,甚至机械损伤,而这些疲劳、损伤又是肉眼很难发现,长期这样的疲劳、损伤记忆的积累,至使工具机械强度下降,甚至在工作中出现事故。这就要求长期的预防性机械试验要适当降低要求,以免过多的人为产生机械疲劳、损伤记忆的积累。因此在:DL/T 878—2004《带电作业用绝缘工具试验导则》3.8条中对工具机械试验规定:在型式试验中,静负荷试验应在2.5倍额定工作负荷下持续5min无变形、无损伤。动负荷试验应在1.5倍额定工作负荷下操作3次,要求机构动作灵活、无卡住现象;在预防性试验中,静负荷试验应在1.2倍额定工作负荷下持续1分钟无变形、无损伤。动负荷试验应在1.0倍额定工作负荷下操作3次,要求机构动作灵活、无卡住现象。

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