架空輸電線路地線滑車裝置的構型設計與優化

譚永殿，馬 儉，楊 鵬

(中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司百色局，廣西 百色 533000)

0 前言

我國輸電線路跨越了廣闊的地域，在雷雨季節容易遭受雷擊而引起送電中斷，這是電力系統中發生停電事故的主要原因之一。布設架空地線是保護架空輸電線路免遭雷閃襲擊的重要措施，因此對架空地線的日常維護是一項非常重要的工作。

國內500 kV架空地線檢修作業使用的滑車在現場適應能力欠佳，存在布設時間長、越障能力不足、綜合移動性能差等諸多缺陷，同時也缺乏良好的安全防護措施。為響應現實需求，提出了一種形封閉鎖合型、錐形導輪導向兼具剎車定位功能的地線滑車裝置。

1 架空地線滑車裝置的構型設計與分析

這種架空地線滑車裝置的整機結構如圖1所示，包括座板部件、鎖合、越障導向和剎車機構(詳見圖2)。其中，座板部件用于承受高空作業人員的重量；形封板與橫軸形成可拆卸的連接可使裝置形鎖合；兩側的越障導向輪則在地線上滑動導向，同時可越過防振錘等障礙；剎車機構用于定點作業時固定操作人員的位置。

越障導向與剎車制動是該裝置的主要功能，越障導向輪的兩端為圓錐體，通過中部的圓柱體連接。通常情況下，越障導向輪的圓柱部分在圓柱狀的地線上滑動，兩端的錐體則產生限位定心的作用，在越過大于圓柱部分寬度的障礙時越障導向輪圓錐部分便開始工作。剎車機構中驅動桿與槽型頂架之間采用螺紋連接，驅動桿上移時兩側的剎車臂便抱死架空地線，由此完成剎車功能。

圖1 架空地線滑車的整機結構示意

2 地線滑車裝置的主要性能分析

2.1 剎車機構運動學性能與相關性參數

剎車機構單側剎車臂的運動如圖3所示。該機構為驅動桿做平移運動的四桿機構，平移運動通過中間桿的平面運動后轉化為剎車臂的定軸轉動。

圖3 剎車機構運動示意

由圖3可以求得：

在ΔABC中運用余弦和正弦定理可得：

得出：

由此，在ΔAOC中可根據正弦定理求得lAO，lCO，O點為A點和C點的速度瞬心，可得：

再由υH/l4=υC/l3可求得剎車臂接觸點的速度為：

對υH關于時間求導后可得：

2.2 剎車臂與接地線剎車接觸力的計算

地線與剎車臂的前端存在正壓力，在剎車臂與地線之間形成的接觸力便是剎車力。帶隨機相位的雙變量Weierstrass-Mandelbrot函數能仿真加權、隨機重疊的隆起部狀各向異性分形表面，該函數在直角坐標系下的表達式為：

式中：γ——分形粗糙面尺度因子；M——構造表面重疊隆起部的個數；n——頻率指數；φm，n——在(0，2π)范圍內均勻分布的隨機相位；D——分形粗糙面分形維數；G——分形粗糙度；L——取樣長度。

為簡化計算，將本項目的圓柱狀地線視為一個凸起，因此M=1，m=1，便可將式(9)變化為單自變量的函數：

球體狀凸體與剛性光滑平面的彈性接觸如圖4所示。

式中：r′——凸體微接觸截面積的半徑；r——凸體實際微接觸面積的半徑；E′——綜合彈性模量； R——分形表面凸體頂端的曲率半徑；δ——1個凸體頂端的變形量；pe——凸體所承受的法向彈性載荷。

1個凸體波形式的最長波長為2r，如果選擇截止長度Ls=2r′，則此截止長度對應的頻率指數的表達式為：

圖4 地線與剎車臂的彈性接觸

該函數的最大輪廓高度為：

對圖4中的直角三角形利用勾股定理得：

由于δ遠小于R，故：

將式(16)代入式(12)得：

1個微凸體實際微接觸面積的半徑為：

式中：E′——綜合彈性模量。

由式(18)得：

1個凸體承受的法向彈性載荷也可寫為：

根據式(20)和式(21)可得：

將式(16)代入式(22)得：

將式(23)代入式(20)中可得：

將式(17)代入上式中可得接觸面的壓力載荷為：

式(26)表明接觸面的壓力載荷與分形粗糙面尺度因子、分形粗糙度和綜合彈性模量呈正相關關系，分形維數的增加不利于提高接觸面的壓力載荷。

2.3 越障導輪的越障能力分析

地線上安裝的障礙物截面形狀主要分為圓形截面(如防振錘)和方形截面，這2種截面與越障導輪的相對位置關系如圖5所示。

圖5 障礙物與越障導輪的相對位置

其中：G——滑車及操作人員的重力；m——障礙物上的支點；f牽——水平越障牽引力，沿滑車前進方向與越障導輪垂直；Δz——牽引力的力臂；α——地線與重力方向的夾角。

滑車順利越過障礙物需要滿足：

對于圖5中2種情況下滑車的越障原理相同，均分為如下2種情況：

① 當Δz≤d/2時，

則只要滿足式(29)，滑車便可順利通過障礙物。

② 當Δz＞d/2時，f牽的力矩方向與G相同：

綜上所述，越障導輪中部柱體直徑d與障礙物高度Δz間的關系是影響滑車越障能力的主要因素，只有滿足Δz≤d/2時，滑車才能順利通過障礙物。

3 地線滑車剎車機構運動仿真

3.1 建立虛擬樣機

該項目包含的剎車機構是確保操作人員定點和安全作業的主要保證，各項性能指標均受結構的功能尺寸、材料、接觸狀況等的影響。結合現代仿真手段有助于快速深入地分析指標與影響因素之間的定量關系。由于剎車機構具有完全的空間對稱性，且Adams本身自帶的幾何建模模塊不夠精準和逼真，所以根據機構運動簡圖建模時只能反映與運動特性有關的結構尺寸，仿真模型如圖6所示。滑車剎車機構的約束類型如表1所示。

圖6 剎車機構的實際結構與仿真模型

表1 滑車剎車機構的約束類型

3.2 仿真分析

調用ADAMS/Solver進行仿真分析獲得各構件的運動特性。設置仿真時間end time為12，步數為500，驅動桿的移動函數為15sin(0.542×time)，然后進行仿真。在仿真計算結束后，進入PostProcessor進行后處理。

3.2.1 剎車臂的運動性態與相關因素

剎車臂的運動性態主要體現為開合效率、閉合時對滑車穩定性的影響，其與主要因素之間的關系如圖7，8所示。

圖7 不同因素水平下剎車臂與地線接觸點角加速度對比

圖8 不同因素水平下剎車臂與地線接觸點角速度對比

在圖6中，brake_x和brake_y反映了剎車臂與驅動桿之間的距離，motion_x則體現了驅動桿的橫向桿長，distance則顯示了中間桿與剎車臂之間的鉸接位置，圖中計算了5個點位的目標值。由圖7可知，brake_x和brake_y分別為152 mm和32.5 mm時剎車臂與地線接觸點的角加速度值最低，目標值呈現下降趨勢，distance和motion_x對目標值的影響規律相似，分別為60 mm和56 mm時目標值最低。從圖7中可得出，增加剎車臂固鉸點與驅動桿的之間的距離有助于提高剎車臂的平穩性。在4個因素中，中間桿與剎車臂的鉸接位置對目標值的影響較為敏感。

圖8中3條曲線呈現下降趨勢，1條曲線呈現上升趨勢。為提高剎車臂的開合效率，應減小brake_x，brake_y和distance，同時增加motion_x的值。

3.2.2 剎車臂接觸力與相關因素關系及優化

剎車臂的接觸力體現了滑車制動能力的大小，是關鍵功能參數之一。在驅動桿上施加35 N的向上牽引力，剎車臂與地線之間添加接觸副，運行后得brake_x，brake_y，distance以及motion_x對剎車接觸力的影響，如圖9所示。

圖9 接觸力與不同因素水平的關系

以剎車接觸力contact_Force最大為目標，設：

x1=brake_x，x2=brake_y，

x3=distance，x4=motion_x。

則優化模型為：

在圖9的敏感性分析曲線中找到單因素下的各變量最佳值：

x0=[143 32.5 75 56]

以其為優化的設計變量初始值對仿真變量進行更改，隨后進行優化，迭代曲線圖10所示。

圖10 剎車機構接觸力迭代曲線

經過7次迭代后計算收斂，此時接觸力達到12.36 N，較初始值提升2.06倍，優化效果明顯。以驅動桿水平段長度為基準長度，可算得各桿的最佳長度比，即驅動桿∶中間桿∶distance=1∶1.86∶1.27。

4 結論

(1) 通過對裝置的構型特征進行分析，表明本項目的機構具有形封閉的鎖合能力，結構穩定性強，建立在制動能力上的定點作業適應性好。

(2) 通過計算可知，剎車機構的開合效率和平穩性與剎車臂長成正比，與擺角影響長度l3成反比，并且與中間桿、剎車臂安裝位置和驅動桿長均有密切關系。

(3) 接觸力的計算結果表明，分形粗糙面尺度因子、分形粗糙度和綜合彈性模量均能正向影響接觸面間壓力載荷；改變接觸面材料性質是增加接觸力較直接的手段。

(4) 滑車越障能力分析表明，要使滑車順利越過障礙物，需要障礙物的頂端低于越障導輪的滾動中心。

(5) 仿真分析表明，中間桿與剎車臂的鉸接位置對剎車臂的速度、加速度影響最為顯著。按如下配置剎車機構各桿的最佳長度比，即驅動桿∶中間桿∶distance=1∶1.86∶1.27有利于提高剎車臂與地線之間的接觸力。