引言
隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,大氣污染越來越嚴重,空氣中充滿了多種類型的固體微粒。在重力作用下,固體顆粒沉積在輸電線路瓷式絕緣子上,長時間積累容易影響絕緣性能?？焖偾宄墒浇^緣子表面固體污穢對保障電網(wǎng)安全可靠運行至關重要。脈沖激光清洗技術具有清洗效果佳、運行成本低、可控性好等優(yōu)點,能快速清除表面污穢,目前已開始應用于陶瓷絕緣子表面的污穢清除。
脈沖激光清洗瓷式絕緣子表面污穢時會引起表面溫升。脈沖能量密度太大,瓷式絕緣子表面溫度達到其氣化溫度,會造成瓷絕緣子的損傷;能量密度過小,不能有效去除污穢顆粒。研究不同能量密度的脈沖激光清洗瓷式絕緣子表面的溫度場和應力場特征,對脈沖激光清洗技術在瓷式絕緣子表面污穢清洗領域的廣泛應用至關重要。
1理論分析
計算瓷式絕緣子表面用脈沖激光輻射后應力場分布物理方程如下:
式中,口x和口y分別為x和y方向上的正應力;E為楊氏模量;L為泊松比;sx和sy分別為x和y方向上的正應變;a為線性膨脹系數(shù);A7為溫差;Txy為剪應力;yxy為剪應變。
考慮到污穢與陶瓷基底之間的粘黏力受到多種因素的影響,污穢顆粒與瓷式絕緣子之間粘附力的計算等效為兩個平行平面之間粘黏力的計算。兩平面之間單位面積的粘附力為:
式中,Z為相互接觸兩個平面之間的距離,Z=4×10-10m;h12為基底材料接觸的相關量。
式中,A12為瓷式絕緣子與其表面污穢相互接觸的Hamaker系數(shù)。
其函數(shù)關系式為:
式中,A11為污穢的Hamaker常數(shù);A22為瓷式絕緣子的Hamaker常數(shù);A33為空氣的Hamaker常數(shù)。三種參數(shù)具體值為6.6×10-20J、15.2×10-20J、1.94×10-20J。
由此可以計算出單位面積的污穢顆粒層與瓷式絕緣子之間的粘黏力約為2.5×107N/m2。
2模型建立
為便于研究應力對瓷式絕緣子表面清污效果的影響,本文建立瓷式絕緣子片(0.5mm×0.5mm×0.075mm)模型。瓷式絕緣子采用氧化鋁瓷材料,污穢采用二氧化硅代替?？紤]室溫的影響,取瓷式絕緣子及其表面污穢的初始溫度為25℃。
在應力分析的過程中需要的材料屬性列于表1。瓷式絕緣子邊長為ó,考慮脈沖激光掃描速度為b,脈沖能量密度為F,則脈沖激光光點來回經(jīng)過污穢面中心點的時間為ó/b。
保持脈沖激光的掃描速度為1000mm/s不變,根據(jù)脈沖能量密度不同,重點仿真了三種情況(工況),如表2所示。
仿真時,將離散化的熱流密度加載到瓷式絕緣子表面污穢的有限元模型上,模型采用solid70單元,其為三維實體熱單元,具有三個方向的熱傳導能力。該單元有8個節(jié)點,每個節(jié)點上只有一個溫度自由度,非常適合用于瞬態(tài)熱應力分析。
脈沖頻率為135kHz,選取瓷式絕緣子中心為參考點,脈沖激光光斑半徑為0.1mm。脈沖激光掃描一次污穢瓷式絕緣子時,在選取的點上施加載荷,載荷施加的范圍為光斑直徑。通過高斯面熱源模型將熱流加載到瓷式絕緣子表面,模擬脈沖激光作用于污穢絕緣子上去污的過程。
3應力場仿真結果分析
分析不同時刻絕緣子表面橫向應力分布圖可知,模型表面第一主應力分布呈圓環(huán)狀。圓環(huán)圓心周圍的應力為負值,表現(xiàn)為壓應力。同時在光斑中心處,壓應力值最大。在脈沖激光光斑外的區(qū)域,表面應力表現(xiàn)為拉應力。在光斑邊緣處,拉應力達到最大值。因此可以判斷,污穢首先從激光光斑的邊緣處開始脫離基底表面。
分析不同能量密度時仿真模型表面第一主應力橫向分布圖發(fā)現(xiàn),隨著能量密度的增大,絕緣子表面應力變化趨勢逐漸增強。橫向應力曲線關于絕緣子表面中心點對稱0~0.15mm之間,橫向第一主應力表現(xiàn)為拉應力,此時應力值為正值,應力曲線變化呈上升趨勢。在光斑內(nèi)的區(qū)域(0.15~0.35mm),橫向應力曲線在光斑中心點呈V型對稱分布。光斑邊緣到中心點處的應力由拉應力逐漸轉化為壓應力,呈下降趨勢。
氧化鋁瓷屬于脆性材料,抗壓不抗拉,其抗壓強度為1400Mpa,抗拉強度為160Mpa,而能量密度為2.01J/cm2的應力曲線在光斑中心處(D=0.25mm)的壓應力為3760Mpa,遠大于氧化鋁瓷材料的抗壓強度1400Mpa,會損傷瓷絕緣子。能量密度為1.41J/cm2時,最大壓應力為1223Mpa,小于氧化鋁瓷的抗壓強度1400Mpa。選擇落在氧化鋁瓷的抗壓強度和抗拉強度圍成區(qū)域s內(nèi)的脈沖激光能量密度進行去污時,能保證陶瓷基底不會受到損傷。能量密度為1.41J/cm2時,應力變化曲線在區(qū)域s內(nèi)包絡的面積最大,脈沖激光清洗瓷絕緣子的效果最好。因此,在不損傷瓷式絕緣子的前提下,能量密度為1.41J/cm2的脈沖激光清污效率最佳。
分析不同能量密度的第一主應力縱向分布圖可知,模型縱深方向應力值隨著能量密度的增加而變大。D=0mm為光斑的中心處,此時的應力表現(xiàn)為壓應力,且壓應力值最大。隨著深度的增加,模型縱向應力逐漸由壓應力轉化為拉應力直至為0。由能量密度為2.01J/cm2的應力曲線可知,脈沖激光清洗瓷絕緣子時,模型在光斑中心以下D=0.009mm處的拉應力最大為1010Mpa。此處拉應力先達到氧化鋁瓷的抗拉強度,隨著清洗過程的進行,應力不斷增大而產(chǎn)生裂紋,最終造成瓷絕緣子破裂。能量密度為1.41J/cm2時,在污穢層與瓷式絕緣子接觸面(D=0.025mm)的第一主應力表現(xiàn)為拉應力,拉應力值為110Mpa,小于氧化鋁瓷材料的抗拉強度160Mpa。在光斑中心以下D=0.009mm處,拉應力達到最大值,此處污穢最先被清除。激光能量密度為1.18J/cm2時,污穢與絕緣子接觸面(D=0.025mm)之間的拉應力為81.6Mpa。此應力值大于污穢層與瓷式絕緣子之間的粘黏力25Mpa,則能量密度為1.18~1.41J/cm2的脈沖激光可以有效去除瓷式絕緣子表面污穢。
4脈沖激光去污實驗
實驗主要設備為激光器,還有用于攝影的相機一部。所采用的激光器為脈沖光纖激光器,波長為1064nm,脈寬為200ns。實驗樣品為涂有si02粉末(1.5mg/cm2)的瓷絕緣子片(50mm×50mmx4mm)。
開啟相機的攝影功能,設置激光器頻率為135kHz。調(diào)節(jié)脈沖激光能量密度分別為1.41J/cm2和2.01J/cm2,分別對涂有si02粉末的瓷絕緣子片表面來回掃描3次。
觀察不同能量密度清洗的結果圖可知,能量密度為2.01J/cm2時,陶瓷基底表面分布有不均勻的小孔,此時基底材料已經(jīng)損壞。能量密度為1.41J/cm2的脈沖激光掃描時,瓷式絕緣子片表面去污效果明顯。掃描后的基底呈白色,沒有明顯的損傷。
5結論
(1)由橫向溫度分布圖可知,光斑內(nèi)中心溫度高,邊緣溫度低,形成較大的溫度梯度,從而產(chǎn)生熱應力使得污穢脫離基體表面。
(2)由橫向和縱向應力分布規(guī)律可知,光斑邊緣和光斑中心以下(D=0.009mm)處的拉應力最大。表面污穢首先從激光的光斑邊緣和光斑中心下方(D=0.009mm)處開始被清除。
(3)模型縱深方向應力值隨著能量密度的增加而變大。能量密度為1.18~1.41J/cm2的脈沖激光可以有效去除瓷式絕緣子表面污穢。
(4)由橫向應力分布圖可知,能量密度為1.41J/cm2時,應力變化曲線在區(qū)域s內(nèi)包絡的面積最大,脈沖激光清洗瓷絕緣子的效率最高。
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