摘要：以ＬＧＪ１５０／２５型钢芯铝绞线为试验导线，在自制试验装置上模拟了在干燥和酸性条件下导线的微风振动，采用扫描电子显微镜和能谱仪观察试验导线磨痕微观形貌与成分，建立了相同工况下内外层线股接触区有限元模型，分析有限元模型的计算结果与磨痕形貌。分析结果表明：２种条件下内层铝线股接触区的磨痕形状与应力分布均为椭圆形，其长轴与线轴中心呈一定夹角；铝线股接触区磨损特性与接触应力分布相关，接触区中心区接触应力明显高于其他区域，高应力使表面产生塑性变形与大量磨损微粒；磨损边缘区发生了弹性变形，受中心区特别是过渡区突变应力挤压作用，产生了表层组织的塑性流动和堆积现象；在中心区与边缘区的过渡区域存在应力集中，法向压应力和剪应力发生突变，滋生了疲劳裂纹。
关键词：电气化铁路；钢芯铝绞线；磨损特性；有限元；表面形貌；接触应力
１微风振动模拟试验微风振动模拟试验中选用３５ｋＶ输电线路中常用的ＬＧＪ１５０／２５型钢芯铝绞线，由２６根ＬＹ９型铝绞线和７根Ａ级强度镀锌钢绞线分３层绞制而成，其中最内层为钢绞线。铝绞线和钢绞线的标称截面分别为１５０ｍｍ２和２５ｍｍ２；铝绞线每根直径为２．７ｍｍ，钢绞线每根直径为２．１ｍｍ；内层钢线、内层铝线、外层铝线绕制层节圆半径分别为２．１、４．５、７．２ｍｍ，内层钢线、内层铝线、外层铝线平均节径比分别为２０、１３、１２；计算截面为１７３．１１ｍｍ２；外径为１７．１ｍｍ；计 算 拉 断 力 为５４ １１０ Ｎ；计 算 质 量 为６０１ｋｇ·ｋｍ－１；铝线中铝成分不小于９９．７％，杂质（硅、铁、铜）含量不大于０．３％。
试验装置Ｆｉｇ．１ Ｔｅｓｔ ｒｉｇ采用图１的自制导线微振动磨损试验装置模拟导线在风载作用下的微振动，通过加载螺栓控制导线两端的悬挂张力，激振器施加给导线的振动为正弦振动。干燥条件为实验室常规大气环境，酸性条件为向导线表面喷洒稀硫酸溶液，其酸性ｐＨ值参照试验地区近年来酸雨ｐＨ值，取４．０。２种条件下试验等：电气化铁路输电导线线股接触区磨损特性参数相同，试验导线张力为２．５ｋＮ，档距为５ｍ，中心激振振幅为２ｍｍ，频率为２０Ｈｚ，振动周次为１０７次。试验导线解股后用丙酮溶液清洗内层线股表面磨损区，选取两悬垂线夹之间的一段导线的内层铝线与外层铝线接触处的内层外表面磨痕，在Ｓ－５７０型扫 描 电 子 显 微 镜 （Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＳＥＭ）下进行微观形貌和成分分析。采用ＣＭＴ５３０５微机控制电子万能试验机拉伸试验获得铝线股材料的应力－应变关系。试验前将试样线股置于ｐＨ值为４．０的酸性溶液中浸泡１５０ｈ。２种条件下测得的铝线股应力－应变关系曲线。
2试验结果分析２．１磨损区表面形貌分析为干燥条件下导线内层铝线外表面接触区磨痕的典型微观形貌，将磨损区划分为边缘区、中心区与过渡区３个区域，对应各区域典型局部放大形貌分别内层铝线外表面磨损区呈现为椭圆形，其长轴沿线轴中心线小角度方向分布；边缘区内有明显的铝组织塑性流动和磨屑堆积现象，流动方向从中心区指向边缘；磨损中心区域表面具有明显的凹凸不平形貌，表面吸附有大量的磨屑微粒，其粒径约为５μｍ；磨损过渡区域存在大量明晰深层龟裂纹，且裂纹相互连通。虚线为单股铝线中心线，点Ａ、Ｂ、Ｃ分别为干燥条件下磨痕边缘区、中心区与过渡区内的３个测点，下文同。
为酸性条件下获得的该段导线内层铝线股外表面接触区磨痕的典型微观形貌。与干燥条件一样，将磨损区划分为边缘区、中心区与过渡区３个区域。中各区域典型局部放大形貌分别在，内层铝线外表面磨损区同样呈现为椭圆形，且其长轴沿线轴中心线小角度方向分布，但长短轴尺寸比干燥条件下大；磨损边缘区域同样存在明显的铝组织塑性流动和磨屑堆积现象，流动方向与干燥条件下相似；磨损中心区域表面同样附着有大量的磨屑微粒，其粒径在４μｍ左右，表面存在凹凸不平现象，但与干燥条件相比，其凹凸度有所降低，磨损表面也相对光滑，同时，该区域内出现了局部大尺寸龟裂；磨损过渡区域存在浅层细织龟裂纹，裂纹互相连通。图４中点Ａ１、Ｂ１、Ｃ１分别为在酸性条件下磨痕边缘区、中心区与过渡区内的３个测点，下文同。
２．２磨损区表面成分分析采用扫描电子显微镜自带的能谱仪 （ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，ＥＤＳ）对磨痕表面进行成分分析。由表１中Ｋ线系元素含量可知，磨痕表面主要由Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ三种元素组成，说明磨损表面发生了严重的氧化现象。测点Ａ１、Ｂ１、Ｃ１处均含有Ｓ元素，说明在酸性条件下钢芯铝绞线在微动过程中还发生了腐蚀磨损。
３接触区有限元接触模型以该段导线内层铝线外表面一个接触区为研究对象，利用ＡＢＡＱＵＳ有限元软件建立磨损区接触模型，为提高计算效率，线股长度取６ｍｍ，各股线均取用一半进行建模，采用Ｃ３Ｄ８Ｒ型单元对接触物理模型进行网格划分，取接触磨损区沿椭圆长轴方向为路径ａ，短轴方向为路径ｂ，沿路径ａ和路径ｂ提取的各节点处法向压应力和剪应力分布曲线路径ａ的０点对应图５椭圆形接触区长轴的左端点中路径ｂ的０点对应图５椭圆形接触区短轴的上端点。接触区的压应力沿路径ａ、ｂ的分布曲线类似抛物线，在接触的中心区域，干燥条件下的应力值要比酸性腐蚀条件下小２０ＭＰａ左右；沿路径ａ方向，在接触区的边缘区域出现比中心区域大的应力集中，表明中心区域开始出现材料的塑性变形，而弹性变形则发生在接触区的边缘，从而导致接触区的应力重新分布；沿路径ｂ方向，接触区法向压应力峰值出现在接触中心区域，并由中心区向边缘区递减，在中心和边缘的过渡区域，法向压应力发生突变。２种条件下的剪应力峰值变化不大，沿线股绕制的法线方向，接触区的剪应力值呈反对称形式分布，在接触区的中心区域，剪应力值几乎为０，从中心区域向边缘区域移动时呈现先增后减变化趋势，其峰值出现在中心区和边缘区的弹、塑性变形交界处。
４结果与讨论（１）接触区产生的磨痕形状与其应力分布形状相似，均为椭圆形，其长轴与线轴中心呈一定夹角。
（２）在２种试验条件下，接触区中心区域接触应力明显高于其他区域，高应力一方面使该区域表层铝组织发生较大的塑性变形，部分表面压溃，线股间的相对运动形成磨屑，同时，此区域内酸性条件下接触应力高于干燥条件，导致酸性条件下该区域产生了局部深层龟裂。
（３）在接触区由中心区向边缘区过渡时，其法向压应力和剪应力的突变导致线股表面铝组织被挤向边缘区域，使边缘区域产生了铝组织的塑性流动和磨屑堆积现象。过渡区的过应力变化，加之线股间接触面反复的微幅弯曲振动，致使该区域材料疲劳程度加剧，进而产生龟裂纹。在酸性条件下，由于酸性溶液的腐蚀作用，过渡区域的龟裂纹比干燥条件下的纹理细小些，观察为浅层裂纹，表面相对光滑。
５结语试验表明接触区产生的磨痕形状和大小与接触区的接触应力有关，并且酸性条件下的接触应力大于干燥条件下的，会产生局部深层龟裂，因此，可通过改进导线设计来减少局部接触应力，并且可通过加防护层或改进材料等方法避免腐蚀磨损，这也是需要进一步研究的内容。
参 考 文 献 ：
Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ：
［１］侯卫良，何欢，孙徐龙．现代电气化铁路供电方案研究［Ｊ］．供用电，２０１２，２９（２）：
２８－３０，５８．ＨＯＵ Ｗｅｉ－ｌｉａｎｇ，ＨＥ Ｈｕａｎ，ＳＵＮ Ｘｕ－ｌｏｎｇ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｒａｉｌｗａｙ［Ｊ］．Ｄｉｓｔｒｉｂｕ－ｔｉｏｎ ａｎｄ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，２０１２，２９（２）：
２８－３０，５８．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
［２］那广宇，王�B．电 气化 铁 路供 电 系统及 其对电 力系统 的影响［Ｊ］．东北电力技术，２０１１（１１）：
１３－１８．ＮＡ Ｇｕａｎｇ－ｙｕ，ＷＡＮＧ Ｊｕｎ．Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆｅｌｅｃｔｒｉｆｉｅｄ ｒａｉｌｗａｙ ａｎｄ ｉｔｓ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．