引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,大氣污染越來越嚴(yán)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(shí)間積累容易影響絕緣性能。快速清除瓷式絕緣子表面固體污穢對(duì)保障電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。脈沖激光清洗技術(shù)具有清洗效果佳、運(yùn)行成本低、可控性好等優(yōu)點(diǎn),能快速清除表面污穢,目前已開始應(yīng)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(shí)會(huì)引起表面溫升。脈沖能量密度太大,瓷式絕緣子表面溫度達(dá)到其氣化溫度,會(huì)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(yīng)力場特征,對(duì)脈沖激光清洗技術(shù)在瓷式絕緣子表面污穢清洗領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用至關(guān)重要。

1理論分析

計(jì)算瓷式絕緣子表面用脈沖激光輻射后應(yīng)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(yīng)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(yīng)變;a為線性膨脹系數(shù);A7為溫差;Txy為剪應(yīng)力;yxy為剪應(yīng)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(jì)算等效為兩個(gè)平行平面之間粘黏力的計(jì)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(gè)平面之間的距離,Z=4×10-10m;h12為基底材料接觸的相關(guān)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(guān)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(jì)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(yīng)力對(duì)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(yīng)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(diǎn)來回經(jīng)過污穢面中心點(diǎn)的時(shí)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(diǎn)仿真了三種情況(工況),如表2所示。

仿真時(shí),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(shí)體熱單元,具有三個(gè)方向的熱傳導(dǎo)能力。該單元有8個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)上只有一個(gè)溫度自由度,非常適合用于瞬態(tài)熱應(yīng)力分析。

脈沖頻率為135kHz,選取瓷式絕緣子中心為參考點(diǎn),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(shí),在選取的點(diǎn)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(yīng)力場仿真結(jié)果分析

分析不同時(shí)刻絕緣子表面橫向應(yīng)力分布圖可知,模型表面第一主應(yīng)力分布呈圓環(huán)狀。圓環(huán)圓心周圍的應(yīng)力為負(fù)值,表現(xiàn)為壓應(yīng)力。同時(shí)在光斑中心處,壓應(yīng)力值最大。在脈沖激光光斑外的區(qū)域,表面應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力。在光斑邊緣處,拉應(yīng)力達(dá)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(shí)仿真模型表面第一主應(yīng)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(yīng)力變化趨勢逐漸增強(qiáng)。橫向應(yīng)力曲線關(guān)于絕緣子表面中心點(diǎn)對(duì)稱0~0.15mm之間,橫向第一主應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力,此時(shí)應(yīng)力值為正值,應(yīng)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(yīng)力曲線在光斑中心點(diǎn)呈V型對(duì)稱分布。光斑邊緣到中心點(diǎn)處的應(yīng)力由拉應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)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(qiáng)度為1400Mpa,抗拉強(qiáng)度為160Mpa,而能量密度為2.01J/cm2的應(yīng)力曲線在光斑中心處(D=0.25mm)的壓應(yīng)力為3760Mpa,遠(yuǎn)大于氧化鋁瓷材料的抗壓強(qiáng)度1400Mpa,會(huì)損傷瓷絕緣子。能量密度為1.41J/cm2時(shí),最大壓應(yīng)力為1223Mpa,小于氧化鋁瓷的抗壓強(qiáng)度1400Mpa。選擇落在氧化鋁瓷的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度圍成區(qū)域s內(nèi)的脈沖激光能量密度進(jìn)行去污時(shí),能保證陶瓷基底不會(huì)受到損傷。能量密度為1.41J/cm2時(shí),應(yīng)力變化曲線在區(qū)域s內(nèi)包絡(luò)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(yīng)力縱向分布圖可知,模型縱深方向應(yīng)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(shí)的應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力,且壓應(yīng)力值最大。隨著深度的增加,模型縱向應(yīng)力逐漸由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力直至為0。由能量密度為2.01J/cm2的應(yīng)力曲線可知,脈沖激光清洗瓷絕緣子時(shí),模型在光斑中心以下D=0.009mm處的拉應(yīng)力最大為1010Mpa。此處拉應(yīng)力先達(dá)到氧化鋁瓷的抗拉強(qiáng)度,隨著清洗過程的進(jìn)行,應(yīng)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(shí),在污穢層與瓷式絕緣子接觸面(D=0.025mm)的第一主應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力,拉應(yīng)力值為110Mpa,小于氧化鋁瓷材料的抗拉強(qiáng)度160Mpa。在光斑中心以下D=0.009mm處,拉應(yīng)力達(dá)到最大值,此處污穢最先被清除。激光能量密度為1.18J/cm2時(shí),污穢與絕緣子接觸面(D=0.025mm)之間的拉應(yīng)力為81.6Mpa。此應(yīng)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(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備為激光器,還有用于攝影的相機(jī)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(shí)驗(yàn)樣品為涂有si02粉末(1.5mg/cm2)的瓷絕緣子片(50mm×50mmx4mm)。

開啟相機(jī)的攝影功能,設(shè)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(duì)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(jié)果圖可知,能量密度為2.01J/cm2時(shí),陶瓷基底表面分布有不均勻的小孔,此時(shí)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(shí),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(jié)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(yīng)力使得污穢脫離基體表面。

(2)由橫向和縱向應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力分布圖可知,能量密度為1.41J/cm2時(shí),應(yīng)力變化曲線在區(qū)域s內(nèi)包絡(luò)的面積最大,脈沖激光清洗瓷絕緣子的效率最高。