新型鑰匙扣式導線端線夾的設計與仿真分析

李巖舟，班彩霞，潘榮安，郭 寧

（廣西大學 機械工程學院，南寧 530004）

0 引言

短路接地線用于將輸電線路接地，是保障電力檢修人員人身安全的必備裝置。短路接地線主要由接地端線夾、接地線、導線端線夾等組成，其中，導線端線夾是影響接地線路性能和操作的關鍵。為保證電力工作人員工作安全、防止設備突然來電和鄰近高壓帶電設備產生感應電壓對人體的危害，同時釋放斷電設備的剩余電荷[1,2]，在對高壓設備進行停電檢修時必須要掛接導線端線夾。目前，短路接地線常用的導線端線夾大多存在裝拆困難、與輸電線連接不可靠、緊固力低、穩固性差等缺陷。從保證安全和提高工作效率出發，本文研究設計了一種基于鑰匙扣原理的新型導線端線夾裝置，旨在克服傳統短路接地線的弊端，使其具有夾緊力大、裝拆效率高、安全可靠的特點。該裝置具有很好的應用前景，在臨時故障搶修中能顯著縮短停電時間，使電力系統盡快恢復正常和減少停電損失，同時有利于電網的安全穩定運行。

1 新型導線端線夾裝置的整體結構與工作原理

1.1 現有普通導線端線夾結構的優缺點

國外對短路接地線的研究比較早，目前普遍采用可分離式絕緣操作桿旋轉導線端線夾的螺桿來實現線夾與導線間的夾緊與松放。國內市面上常見的攜帶型短路接地線的導線端線夾，按導線夾緊機構工作原理分類有螺旋壓緊式和彈簧壓緊式兩種。而在實際使用中，根據現場情況的不同從這兩種工作原理的線夾又演變出單舌彈簧式、雙舌彈簧式、平口式和顎口式[3]等樣式的線夾。

通過比較我們發現，無論線夾如何變化，雖然在導線端線夾的性能上有所改進，但卻無法改變螺旋壓緊式和彈簧壓緊式線夾各自所固有的缺陷。螺旋壓緊式線夾為了保證能夠適應不同線徑的導線，一般開口較大，且螺紋自鎖的特性保證了其連接牢固。但拆裝復雜，工作強度大，且容易出現由于工作人員疏忽而沒有擰緊，從而產生觸電事故的危險。彈簧壓緊式線夾安裝較為方便，但存在對不同線徑適應性差，連接不牢固，在大風作用下容易產生導線劇烈擺動而脫落的危險。

通過上述分析及施工現場的實地調研了解到，如能設計一款新型線夾，其能結合彈簧壓緊式簡易操作的優點及螺旋壓緊式牢固不易脫落的優點進行設計，將能降低掛接操作不易的難題，同時提高接地裝設工作的安全性。通過對上述導線端線夾的分析，確定主要的研究思路如下：在傳統的雙舌彈簧式導線端線夾的基礎上進行改進，結合鑰匙扣開合的原理，使新型的導線端線夾能夠輕易上夾且不易脫落。線夾尾部增加的萬向節[4]又能使線夾輕松逾越耐張塔絕緣子對導線進行接地掛接，在保證工作人員安全的前提下實現可靠的掛接作業。

1.2 新型導線端線夾的整體結構設計與工作原理

新型導線端線夾主要由U型夾、彈片、線卡、擋板、牽引繩和萬向節[5]組成，其中：U型夾彎曲部頂面上開有兩個對稱布置的左凹槽和右凹槽，左凹槽用于放置左彈片，右凹槽用于放置右彈片，左彈片與右彈片呈八字形相向對稱布置，其結構與鑰匙扣開合的結構原理相同，左彈片與U型夾及右彈片與U型夾之間均設有復位彈簧，該復位彈簧為扭簧；擋板是線卡中間的連接板，擋板與U型夾之間也設置有復位彈簧，該復位彈簧為扭簧；擋板前端固定牽引繩，牽引繩為絕緣繩，牽引繩穿過夾體引至絕緣桿操作端；線卡為四邊形結構，其中一個頂角為圓弧形卡扣，用于托住高壓導線，整個線卡與U型夾通過銷連接，可在平行于U型夾側面的平面內轉動；萬向節設置在U型夾的底端，與U型夾通過銷連接。

工作原理：工作時，對整個U型夾施加向下的作用力，使高壓導線與線卡的底部邊緣相接觸并同時開始頂開線卡。線卡開始順時針轉動，線卡與U型夾之間的扭簧進一步被壓縮，高壓導線側身挨著U型夾繼續向上運動，然后進入至左彈片和右彈片形成的八字形夾口內。當左右彈片與U型夾之間的扭簧達到壓縮最大值時，高壓導線的位置得以固定。與此同時，高壓導線與線卡便開始松開接觸，線卡在扭轉彈簧作用下逆時針轉動，直至回復到初始位置。此時，線卡頂部的圓弧形卡口便抵在高壓導線的下邊緣，使高壓導線不能向下運動，高壓導線的位置完全被固定，即使在大風環境，導致高壓導線產生舞動，也能防止高壓導線從線夾中脫出。當需要拆卸時，拉動牽引繩，使線卡順時針轉動。當線卡底邊轉至與U型夾側邊平行時，向上提起整個U型夾，高壓導線便可從U型夾中脫出，完成拆卸過程。

該結構優點：由于在U型夾上通過銷軸連接了可轉動的線卡，線卡的下部側邊緣設成便于導線進入U型夾內的斜線，使高壓導線在不需要拉動絕緣牽引繩便可頂開線卡進入兩彈片內，使掛線操作變得簡單。同時，線卡上部邊緣設有與導線相配的弧形卡口，使被兩彈片夾住的導線再被卡住，限制其向下運動，使高壓導線完全被固定。即使在大風環境，甚至導線產生舞動，也能防止導線從線夾中脫出，這樣線夾就有了雙重的防脫落保護，從而保證施工中工作人員的人身安全和設備安全。另外，雙彈片和卡口的夾緊配合，能適應不同的線徑，增加了工作的靈活性。

2 新型線夾裝置的應力分析與材料選擇

2.1 U型夾和彈片之間的扭簧的設計計算[6,7]

設該扭簧的最小工作扭矩為T1=100N.mm，最大工作扭矩為Tn=400N.mm，自由狀態下的角度為0φ=120°，工作扭轉角為0φ=45°，根據設計要求，該扭簧為 Ⅲ 類彈簧，選碳素彈簧鋼絲B級，初步假設鋼絲直徑d=1mm～2mm，查得：

圖1 新型鑰匙扣式導線端線夾

則許用彎曲應力pσΒ：

鋼絲直徑d：

其中：Tn=400N.mm，曲度系數K1=1.15。

取標準值d=1.6mm，B級，查表可知，bσ=1570MPa，大于Bpσ=1252MPa，故安全。

彈簧圈數n：

其中：系數E=206×103mm，彈簧中徑D=10mm。

故，取整數值，n=6。

2.2 U型夾和擋板之間的扭簧的設計計算

設該扭簧的最小工作扭矩為T1=50N.mm，最大工作扭矩為Tn=100N.mm，自由狀態下的角度為0φ=160°，工作扭轉角為0φ=60°，根據設計要求，該扭簧為 Ⅲ 類彈簧，選碳素彈簧鋼絲B級，初步假設鋼絲直徑d=0.6mm～0.9mm，查得：，取bσ=1700MPa，則許用彎曲應力pσΒ：

鋼絲直徑d：

其中：Tn=50N.mm（注：平列雙扭彈簧是直臂扭轉彈簧的兩個組合，故取其中一半進行計算），曲度系數K1=1.15，取標準值d=0.8mm，B級。查表可知，，大于pσΒ=1360MPa，故安全。

彈簧圈數n：

其中：系數E=206×103mm，彈簧中徑D=8mm。

故，取整數值，n=7。

2.3 夾體材料的選擇

導線端線夾作為長距離的（5m左右）的操作對象，在材料方面需盡可能滿足以下要求：1）要求夾體材料重量盡可能輕，減少繁重的操作過程；2）作為夾持機構，要求夾體要有足夠的強度；3）夾體材料作為導電體，必須具有良好的導電性和熱導率；4）由于夾體加工比較復雜且為了降低成本，希望材料價格低、易加工。綜合以上要求選擇鑄鋁合金ZAlSi7Cu4（ZL107）[8]。

ZL107為Al-Si-Cu系鑄造鋁合金，可熱處理強化。其力學性能優于ZL104等鑄造鋁合金，但其鑄造工藝性能如流動性及形成熱裂傾向卻比ZL102、ZL104要差。該合金的氣密性、焊接性及切削加工性好，但耐蝕性不高，所以需變質處理。ZL107適用于鑄造形狀結構復雜，氣密性好和強度適中的零件，如機架、汽車汽缸蓋、內燃機曲軸箱、柴油機汽化器零件以及電氣設備外殼、鋼琴蓋板等。

夾體材料為方形截面桿（如圖2所示），長100mm，寬28mm，高18mm。承受軸向載荷F=100N的正向拉力，材料屈服強度sδ=125MPa，安全系數ns=1.5，對該桿進行強度校核。

桿的橫截面上的正應力為：

許用應力為：

圖2 夾體材料方形截面桿

3 ADAMS仿真模擬

為了能在模型制作出來之前就獲得構件的動力學情況，避免出現運動功能上的缺失或者出現受力過大的死點，對模型進行仿真模擬[9～11]，檢驗和分析模型的不足之處，便于為以后的優化設計做準備。

針對U型夾裝入導線的過程進行仿真。導線固定不動，U型夾向導線移動，模擬人為將U型夾掛入導線的過程。將建好的三維立體模型導入ADAMS，對材料進行定義。添加約束條件，給導線添加固定副，給U型夾添加移動副并與大地連接，移動副方向對準導線方向，給U型夾和兩片彈片，U型夾和擋板彈舌均添加旋轉副。對模型進行模擬仿真，仿真時間為3秒，步數為150步。導出相應的碰撞接觸受力圖，如圖3～圖5所示。

1）彈片1和2的碰撞接觸力圖：

圖3 彈片受力圖

2）擋板彈舌碰撞接觸力圖：

圖4 彈舌受力圖

3）模擬仿真最后結果：

圖5 最終應力分析圖

由上圖可知：

最大應力σmax=66.994MPa

最小應力σmin=1.775e.009MPa

又根據GB/T9438-1999《鋁合金鑄件》ZL107合金技術標準規定的單鑄試樣力學性能，可知屈服強度σ0.2=125MPa，而σmax<σ0.2，所以彈片和彈舌的應力分布和變形均在標準規定范圍內。

4 結論

本文主要針對現有的普通導線端線夾由于誤碰觸操作棒導致夾緊機構失效、存在滑脫危險、種類形式單一、輸電線路檢修中裝拆困難等問題，而設計了新型鑰匙扣式導線端線夾裝置。經過設計及仿真分析可得出以下結論：

1）導線端線夾導線夾體與接地棒之間安裝萬向節，其角度可以根據檢修人員所站位置手持接地棒進行相應調節，這樣不僅保證了導線在工作過程中不脫落，而且增加了導線和線夾的良好接觸。

2）線夾采用鑄造鋁合金ZAlSi7Cu4（ZL107）材料，既滿足了動穩定性又保證了熱穩定性的要求。

3）通過ADAMS運動仿真，確定了擋板彈舌與彈片的強度均小于材料屈服強度，應力分布和變形均在規定的范圍內。

利用該新型鑰匙扣式導線端線夾可以方便快捷地將接地線掛到耐張塔瓷瓶串外側的導線上，同時保證導線不易從線夾脫落，使線路停電檢修工作的掛接地線這一環節變得更加方便、安全。

[1] 王昌幼.可調式多角度導線端線夾[J].廣西電力,2009,3:016.

[2] 王昌幼.新型可調式多角度導線端線夾的設計[J].電力學報,2009,24(3):213-215.

[3] 虞澤.攜帶型短路接地線的改進[J].云南電力技術,2008,36(1):40-41.

[4] 劉松喜,陳杰.通用性接地裝置的研制及其應用[J].電力設備,2008,9(10):71-73.

[5] Burek D E, Jones M D, Small W H. U-shaped universal grounding clamp:U.S.Patent 6,011,218[P].2000-1-4.

[6] 張宏濤,阮米慶.兩級扭桿彈簧的結構設計與計算[J].機械設計與制造,2008(1):52-54.

[7] 王延喜.彈簧鋼的應力松弛行為研究[D].成都市:西南交通大學,2012.

[8] 張志堅,司乃潮,劉光磊,等.ZAlSi7Cu4在不同工藝條件下的熱疲勞性能[J].特種鑄造及有色合金,2012,32(004):381-385.

[9] ADAMS 2005機械設計高級應用實例[M].機械工業出版社,2006.

[10] 席俊杰.虛擬樣機技術的發展及應用[J].制造業自動化,2007,28(11):19-22.

[11] 馮景華,吳南星,余冬玲.機械系統動態仿真技術及ADAMS的理論基礎研究[J].機械設計與制造,2004(2):17-19.