新型液壓式金具連接長度與壓強關系研究

董 罡

（國網山東省電力公司，山東 濟南 250001）

0 引言

隨著國家經濟的發展，社會對電力能源的依賴愈發強烈［1］，架空導線是電能從發電端到受電端之間傳輸的必要載體，因此發展新型架空輸電導線已逐步成為節能環保的重要途徑。近年來，碳纖維導線因其線損小、密度低等優點得到了較為廣泛的應用［2］。然而，在實際施工過程中，導線會受到較大的徑向壓力，碳纖維復合芯雖具有很好的抗拉性能，但其抗壓能力相對較弱，所以碳纖維導線曾發生過耐張線夾斷裂的情況［3］。因此碳纖維導線對連接金具的要求更為嚴格，朱健飛等人［4］分析了碳纖維導線材質、工藝、運行溫度和受力情況對金具特性的影響。傳統的楔形金具會在碳纖維導線芯棒上產生較大的應力集中現象，劉洪正［5］嘗試采用新型液壓式金具，通過試驗方法初步研究了新型金具的機械特性，該金具可采用壓接的方式進行施工，以達到降低安裝過程中對芯棒損傷的目標，然而其未深入探究新型液壓式金具連接區長度與壓接壓強之間的變化規律。

基于上述文獻中提及JLRX1／F2A-800／70新型碳纖維復合芯導線配套的新型液壓式金具 （耐張線夾與接續管），通過理論公式的推導，計算并討論其壓接區連接長度與壓接壓強之間的關系，進而更加合理地分配金具的制造尺寸，為實際設計和生產提供參考，降低安裝和施工過程中的難度與成本。

1 金具連接長度與壓強的關系推導

1.1 相關力學參數的計算

新型碳纖維復合芯導線的配套液壓式金具是根據普通鋼芯鋁絞線金具的原理優化而成。總體上，將碳纖維導線專用金具中的楔形內襯管更換為平行壓接管，并采用液壓壓接的方法進行施工，這在一定程度上便于產品的制造加工并能改善芯棒的受力情況。

為計算出金具所需要的握力大小，首先依據相關標準中關于型線同心絞碳纖維導線額定拉斷力的理論計算方法［6］，計算型號為 JLRX1／F2A-800／70新型碳纖維復合材料芯軟鋁絞線額定拉斷力，其公式為

式中：f1為碳纖維復合材料芯的拉斷力，采用復合材料芯標稱面積與最小抗拉強度的乘積；f2為鋁部分的拉斷力，采用鋁標稱面積與鋁單線最小抗拉強度的乘積。

通過式（1）計算得出 JLRX1／F2A-800／70 新型碳纖維導線的綜合拉斷力為240 kN。

根據GB／T 2314—2018《電力金具通用技術條件》，架空電力線路用壓縮型金具（耐張線夾、接續金具）預絞式接續金具和預絞式耐張線夾的握力與拉斷力之間的關系為：握力為拉斷力的95%［7］，則本文中金具的握力為228 kN。

1.2 模型與公式的建立

根據靜力學平衡分析，拉斷力與金具和導線之間的摩擦力相互抵消。而摩擦力大小可由壓接區的壓力值與摩擦系數的乘積計算得到，故通過確定摩擦系數，求得壓力值。由于摩擦系數隨物體之間的運動狀態而改變，考慮臨界狀態即導線未被拉斷，同時導線與金具處于未滑動的臨界狀態，此時的摩擦系數為最大靜摩擦系數。通過該假設可以求得壓接區的壓力值大小。由于壓力值為壓強與接觸面積的乘積，將壓力值固定后，可以改變壓強取值來獲得壓強與接觸面積（壓接區長度）之間的關系，具體公式可表達為

式中：p為壓接過程中的壓強，MPa；R為對應結構的半徑，m；L 為壓接區的連接長度，m；Fp為壓力，N；FT為摩擦力，N；μmax為材料接觸面的最大靜摩擦系數。

通過以上假設及式（2），進行新型液壓式耐張線夾與接續管的壓強和壓接區連接長度關系的研究，兩者模型如圖1和圖2所示。

圖1 新型碳纖維復合芯導線配套耐張線夾

圖2 新型碳纖維復合芯導線配套接續管

從圖1可以看出，耐張線夾的壓接區長度分為兩個部分：一部分是內襯管與導線鋁包覆結構的接觸長度L1；另一部分是外襯管與鋁絞線的接觸長度L2。

內襯壓接管部分的數學關系為

式中：L1為內襯管壓接鋁包覆的長度，m；rin為內襯管的半徑，m；rc為碳芯的半徑，m；σc為碳纖維復合芯的最小抗拉強度，MPa；rbf為鋁包覆結構的半徑，m；σal為鋁合金的最小抗拉強度，MPa。通過式（3）計算可以得到內襯管壓接碳棒的長度L1。

類似地，外襯管壓接部分的數學關系可以表示為

式中：L2為外襯管壓接鋁絞線的長度，m；rout為外襯管的半徑，m；sal為鋁標稱面積，m2。通過式（4）可以計算得到外襯管壓接導線的長度。

此外，由圖2可知，接續管的壓接區長度可分為3個部分：一部分是內襯鋁管與導線鋁包覆的連接長度L3；另兩部分是外襯管與鋁絞線的接觸長度L4和L5。根據上述理論及結果，內襯管部分的數學關系為

式中：L3為內襯管壓接鋁包覆的長度，m；rin2為接續管內襯管的半徑，m；sc為碳芯標稱面積，m2；sbf為鋁包覆結構面積，m2。通過式（5）計算可以得到接續金具中內襯管壓接碳棒的長度L3。

同樣，外襯管壓接部分的數學關系可以表示為

式中：L4和L5為外襯管壓接鋁絞線的長度，m；rout2為外襯管的半徑，m。通過式（6）與（7）可以計算得到外襯管壓接導線的長度L4和L5。

2 理論計算結果與分析

基于上節中推導所得公式，分別計算耐張線夾和接續管連接長度與壓接壓強之間的關系，其中壓強的取值范圍為1～20 MPa。為更加清晰地觀察其變化規律，以壓強作為橫坐標，以不同結構壓接區長度作為縱坐標，繪制針對新型液壓式耐張線夾的壓強和壓接區連接長度的關系曲線，如圖3所示。同時，為生產安裝時方便查詢，將新型液壓式接續管連接長度與壓強的計算結果匯總為表，結果如表1所示。

圖3 耐張線夾的壓強與壓接區連接長度關系

表1 新型液壓式接續管壓強與壓接區連接長度關系的計算結果

從新型液壓式金具壓接區連接長度與壓強的結果中可以看出，當金具握力不變時，隨著壓強的增大，所需要的內襯管與鋁包覆的壓接區連接長度L1和L3，以及外襯管與鋁絞線的連接長度L2，L4和L5都逐漸減小。同時，隨著壓強的不斷提高，壓接區長度的衰減速率有所降低，這對金具的結構與壓接流程的設計具有指導意義。由于液壓機與壓接器具的限制，在實際操作過程中不能一次性壓接整套金具，若能在一定程度上提高壓強的大小，則可以達到減小壓接區長度的目的，這不僅能減少制造金具所需要的材料，提升其經濟性，更能縮短安裝和施工的時間，提高工作效率。

3 結語

以型號JLRX1／F2A-800／70新型碳纖維復合芯導線配套的新型液壓式金具為研究對象，對其壓接區的連接長度與液壓壓強之間的關系進行了理論公式的推導與計算，新型液壓式耐張線夾與接續管的壓接區連接長度隨著壓強的增大逐漸減小。

與傳統的楔形金具相比，該新型液壓式金具的結構較為簡化，將新型液壓式金具的壓強與對應的連接長度匯總為圖表，為該金具的設計制造與施工安裝提供了參考。