探討大截面碳纖維導(dǎo)線卡線器夾嘴優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐小茹　劉康文

摘要：卡線器夾嘴的長(zhǎng)度是決定導(dǎo)線卡線器尺寸與重量的重要因素，同時(shí)也會(huì)對(duì)夾持導(dǎo)線是否存在損壞問題產(chǎn)生重要影響。夾嘴的長(zhǎng)度一般以導(dǎo)線直徑與放大倍數(shù)的乘積以及試驗(yàn)證法等方式來進(jìn)行檢測(cè)，但這些檢驗(yàn)方式存在一定的理論支撐欠缺的問題，會(huì)在一定程度上降低檢測(cè)結(jié)果的可靠性。基于此，為了提高卡線器尺寸確定及質(zhì)量控制的效果，為了確保被夾持導(dǎo)線形態(tài)質(zhì)量的完整性，本文將以大截面碳纖維導(dǎo)線為例，在分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)其芯棒徑向耐壓強(qiáng)度進(jìn)行分析，并結(jié)合仿真結(jié)果對(duì)適用于大截面碳纖維導(dǎo)線的凱賢妻夾嘴進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為卡線器及其夾嘴的設(shè)計(jì)提供支持。

關(guān)鍵詞：大截面;碳纖維導(dǎo)線;卡線器;夾嘴

引言

導(dǎo)線卡線器是用于架空線路等施工中的一種工具，它能夠在架空線路工作中的松緊導(dǎo)線流程中發(fā)揮出自動(dòng)夾緊導(dǎo)線，以為后續(xù)拆裝工作提供良好的聯(lián)結(jié)作用。近年來，我國電力發(fā)展迅速，輸電導(dǎo)線也隨之得到了更大程度的研發(fā)與應(yīng)用，目前我國特高壓交流施工工程中所用的導(dǎo)線卡線器主要有兩種類型，兩種類型的卡線器都采用的是平行移動(dòng)型的結(jié)構(gòu)，雖然取得了一定的應(yīng)用成效，但具有重量過重，實(shí)際施工中操作難度大等不足。夾嘴長(zhǎng)度作為絕對(duì)導(dǎo)線卡線器重量及尺寸的一大因素，可通過不斷優(yōu)化卡線器夾嘴的長(zhǎng)度來達(dá)到降低卡線器的重量，從而進(jìn)一步提高施工效率。

一、常用平行移動(dòng)式卡線器工作原理

平行移動(dòng)式卡線器與夾嘴之間用的是銷軸進(jìn)行連接和固定，壓板、上夾嘴、壓板等使用銷軸進(jìn)行連接并組成連桿結(jié)構(gòu)。卡線器上有一個(gè)拉環(huán)，是打開夾嘴的重要工具，導(dǎo)線放進(jìn)夾嘴之后拉緊拉環(huán)即可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線夾持。卡線器其實(shí)是一種四連桿結(jié)構(gòu)，拉環(huán)在受到橫向拉力后，會(huì)通過四連桿結(jié)構(gòu)向夾嘴傳遞并轉(zhuǎn)化成一種正壓力并施加給導(dǎo)線。在這一結(jié)構(gòu)中，四連桿機(jī)構(gòu)發(fā)揮著重要的放大力作用。夾嘴在夾持導(dǎo)線的過程中會(huì)產(chǎn)生摩擦力，必須保障該摩擦力對(duì)導(dǎo)線夾持時(shí)的穩(wěn)定性與可靠性，避免導(dǎo)線不會(huì)因?yàn)槟Σ亮Τ霈F(xiàn)破損等問題。要達(dá)成這一目的，夾嘴的長(zhǎng)度必須合理控制，既不能過短也不能過長(zhǎng)，過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致卡線器尺寸過長(zhǎng)、重量過大，從而導(dǎo)致導(dǎo)線卡線器的搬運(yùn)及移動(dòng)的難度增加。

導(dǎo)線所受壓應(yīng)力和夾嘴的長(zhǎng)度之間存在反比例關(guān)系，因此在指導(dǎo)導(dǎo)線所受壓應(yīng)力的基礎(chǔ)上，就能夠明確計(jì)算出夾嘴的長(zhǎng)度。根據(jù)現(xiàn)階段常用的鋼芯鋁絞線及碳纖維導(dǎo)線卡線器夾嘴長(zhǎng)度參數(shù)可知，卡線器夾嘴的長(zhǎng)度和導(dǎo)線直徑的倍數(shù)都遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)的要求。這意味著該標(biāo)準(zhǔn)可用于驗(yàn)證，但卻不能用于夾嘴長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)中。與圓線鋁股相比，型線鋁股的接觸面積較大，同時(shí)半硬鋁的材料特性也決定了它可以承受夾嘴帶來的更大的握緊力，因此夾嘴存在優(yōu)化的可能。

二、導(dǎo)線芯棒徑向耐壓力確定及半硬鋁股損傷判斷依據(jù)確定

（一）導(dǎo)線芯棒徑向耐壓力的確定

復(fù)合芯棒徑向抗剪切及抗壓性能相對(duì)不足，卡線器夾嘴的正常工作離不開夾嘴與導(dǎo)線之間產(chǎn)生的摩擦力，但摩擦力的產(chǎn)生會(huì)讓導(dǎo)線承受更大的徑向握緊力，很容易導(dǎo)致導(dǎo)線出現(xiàn)破損問題。因此，需用芯棒徑向耐壓力實(shí)驗(yàn)及仿真對(duì)其徑向耐壓能力進(jìn)行確定。

實(shí)驗(yàn)選擇五根碳纖維復(fù)合芯棒作為實(shí)驗(yàn)樣品，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，這五根復(fù)合芯棒樣本的最小失效力在46.12KN，因此，仿真計(jì)算的數(shù)據(jù)需選擇最小失效力。在確定復(fù)合芯棒材料的直徑、彈性模量、泊松比、密度等參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過仿真獨(dú)處芯棒應(yīng)力云圖齊總最大應(yīng)力為208MPa，將其作為芯棒耐壓力判斷依據(jù)，將其應(yīng)力百分之八十作為參考。

（二）導(dǎo)線半硬鋁股損傷判斷依據(jù)

因?yàn)?250mm2與1600mm2兩種導(dǎo)線都是四層鋁線結(jié)構(gòu)，并且兩種導(dǎo)線的直徑相差不大。常用的卡線器夾嘴長(zhǎng)度約為350mm，能夠滿足多種施工需求，因此，導(dǎo)線半硬鋁股的損傷情況判斷可將1250mm2導(dǎo)線夾緊時(shí)的鋁股塑性范圍作為另一種導(dǎo)線鋁股損傷的判斷依據(jù)。

首先，吧1250mm2的導(dǎo)線鋼芯簡(jiǎn)化為圓棒模型，用實(shí)際絞制鋼芯等效計(jì)算出圓棒鋼芯的材料屬性，可知鋼芯和硬鋁鋁股的彈性模量分別為190GPa和55GPa，泊松比分別為0.31和0.33，屈服強(qiáng)度分別為620MPa和100mpa。結(jié)合1250mm2導(dǎo)線鋁股夾緊時(shí)鋁股塑性的變化仿真情況來看，鋁股塑性區(qū)占據(jù)整個(gè)鋁股截面約為百分之十。

三、1660mm2導(dǎo)線卡線器夾緊仿真實(shí)驗(yàn)

（一）建模

結(jié)合1660mm2導(dǎo)線的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，采用等截面法對(duì)卡線器鋁股進(jìn)行建模，模型建立中需注意各層型線鋁股截面相等但高不相等，結(jié)合某層型線鋁股的外圓直徑、內(nèi)圓直徑、總計(jì)算截面積、鋁股根數(shù)、填充系數(shù)、單根型線鋁股圓心角計(jì)算出單股鋁股截面積為26.768mm2，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行建模。在模型建立中需將鋁股截面的誤差控制在百分之0.1以內(nèi)，也就是說需要將導(dǎo)線仿真模型中的鋁股截面積控制在26.76到26.81范圍內(nèi)。此外，在不受相鄰兩層鋁股之間存在的間隙的影響情況下，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)同一層的鋁股間隙做出調(diào)整，確保兩個(gè)相鄰的鋁股之間的間隙控制在0.1-0.2范圍內(nèi)。

（二）網(wǎng)格劃分

把復(fù)合芯棒進(jìn)行簡(jiǎn)化，以圓棒實(shí)體為準(zhǔn)，運(yùn)用六面體單元達(dá)到提到計(jì)算準(zhǔn)確性的目的。因?yàn)閷?dǎo)線硬鋁型線模型中有多個(gè)倒圓角存在，因此，還需要采用楔形單元，以保障導(dǎo)線模型在任意界面中都能實(shí)現(xiàn)單元型式相同的效果。在此基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)線整體的網(wǎng)格大小進(jìn)行調(diào)整，確保模型網(wǎng)格大小均勻且接觸位置網(wǎng)格尺寸也大小相似，以此進(jìn)一步確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性與科學(xué)性。截面中復(fù)合芯棒共存在四十五個(gè)網(wǎng)格，單根鋁股存在二十二個(gè)網(wǎng)格。

（三）加載方法與邊界條件

鋁股截面之間存在大量接觸的問題，且采用的是通用接觸，因此，需采用程序監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行接觸對(duì)確認(rèn)，達(dá)到提高計(jì)算速度的效果。為保障計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性與合理性，還需要運(yùn)用動(dòng)力學(xué)求解器。為避免導(dǎo)線仿真模型出現(xiàn)徑向位移等情況，需要采用對(duì)稱約束對(duì)導(dǎo)線模型進(jìn)行固定，還可以運(yùn)用中層應(yīng)力對(duì)導(dǎo)線的受力情況進(jìn)行模擬。

（四）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用動(dòng)力學(xué)求解器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過分析導(dǎo)線仿真模型與設(shè)定的外部加載的響應(yīng)結(jié)果，提取出芯棒中心的應(yīng)力曲線。根據(jù)曲線變化可知，在加載開始后，芯棒、外層鋁股的應(yīng)力呈快速上升趨勢(shì)，并很快就達(dá)到了峰值，也就是最大應(yīng)力狀態(tài)，隨著時(shí)間地推進(jìn)，鋁股之間出現(xiàn)相互影響的情況，應(yīng)力開始出現(xiàn)震蕩并慢慢穩(wěn)定下來。

根據(jù)芯棒實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果可以看出，仿真實(shí)驗(yàn)中芯棒最大應(yīng)力笑語破壞載荷力，且芯棒最大應(yīng)力超過百分之八十破壞載荷的比例也不會(huì)高于2.6%，因此，仿真實(shí)驗(yàn)中更多芯棒強(qiáng)度符合卡線器的工作要求，能夠達(dá)到減小尺寸降低重量的目的。

四、結(jié)束語

在電力需求不斷增加的時(shí)代中，為了滿足特高壓電流施工工作開展效率提升的要求，需加強(qiáng)對(duì)導(dǎo)線卡線器重量及尺寸的優(yōu)化，通過提高卡線器移動(dòng)、搬運(yùn)便攜性的方式提高工作效率。本文結(jié)合1660mm2的大截面導(dǎo)線卡線器對(duì)其夾嘴的優(yōu)化方式進(jìn)行了簡(jiǎn)單說明，結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)等方式實(shí)現(xiàn)了樣品制作，結(jié)合試驗(yàn)可知，減小夾嘴的長(zhǎng)度能夠達(dá)到降低卡線器尺寸及重量的目的。

參考文獻(xiàn)

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本文系2018年江蘇省教育廳高校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目《不同設(shè)計(jì)條件下碳纖維導(dǎo)線的碳減排效果探究》（立項(xiàng)批準(zhǔn)號(hào)：201813753019H）階段性研究成果之一。

作者簡(jiǎn)介

徐小茹（1982.10），漢族，江蘇常熟，博士在讀，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)圖像處理、數(shù)字媒體應(yīng)用、企業(yè)項(xiàng)目管理。