一種新型輕量化導(dǎo)線剝皮裝置

滿建越，張建偉，高永強(qiáng)，辛國寶

（國網(wǎng)甘肅省電力公司武威供電公司，甘肅 武威 733000）

隨著人們對電力供應(yīng)質(zhì)量要求的不斷提高，電力企業(yè)對各種電氣設(shè)備的改造也上升到了更高的高度。其中對于配網(wǎng)線路的改造尤為明顯，目前配網(wǎng)架空線路導(dǎo)線大多采用交聯(lián)聚乙烯和輕型聚乙烯絕緣導(dǎo)線，大幅提升了線路絕緣化水平，但是與之相關(guān)的問題也隨之而來，配網(wǎng)線路時常需要對已建成的線路進(jìn)行必要的運檢，在檢修過程中，帶電進(jìn)行絕緣導(dǎo)線剝皮作業(yè)已成為常規(guī)操作，此項操作專業(yè)性強(qiáng)，屬于高空帶電作業(yè)范疇，在外出作業(yè)過程中操作人員需要面對諸多困難，如工器具攜帶難、工器具操作負(fù)荷高、高空人員自重負(fù)荷、嚴(yán)寒酷暑環(huán)境影響等。所以研制一款質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、易攜帶、操作簡單、通用性強(qiáng)、剝皮效果好的絕緣導(dǎo)線剝皮裝置具有重要意義。該種裝置可以有效提升配網(wǎng)不停電作業(yè)效率及安全性，保證電網(wǎng)安穩(wěn)運行，對于推進(jìn)配網(wǎng)帶電作業(yè)行業(yè)的進(jìn)步具有重要意義。

1 問題分析

當(dāng)前電力系統(tǒng)中充斥著各種品牌規(guī)格的導(dǎo)線剝皮裝置，其應(yīng)用效果參差不齊，歸納總結(jié)如下：①操控性差。傳統(tǒng)導(dǎo)線剝皮裝置結(jié)構(gòu)簡單，作業(yè)過程中入刀深度和角度、裹握力大小以及剝皮的節(jié)奏都由作業(yè)人員來把控，受主觀因素影響較大，而且作業(yè)質(zhì)量不穩(wěn)定給線路后期運行埋下較高的安全隱患。②穩(wěn)定性差。由于傳統(tǒng)導(dǎo)線剝皮器刀頭適應(yīng)性差，受操作人員技能水平影響，很容易發(fā)生導(dǎo)線損傷，導(dǎo)線損傷輕則降低線路載流量，重則造成斷線事故，嚴(yán)重影響線路安全。③質(zhì)量大。為了提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，傳統(tǒng)導(dǎo)線剝皮器主體結(jié)構(gòu)大都使用金屬材料制成，整體質(zhì)量較大，在帶電高空剝皮作業(yè)時，由于絕緣桿的力矩作用，剝皮器實際質(zhì)量會被放大數(shù)倍傳導(dǎo)至作業(yè)人員手中，導(dǎo)致整體工作強(qiáng)度較高，嚴(yán)重影響作業(yè)人員工作效率及安全性。④攜帶運輸困難。傳統(tǒng)的導(dǎo)線剝皮裝置，其連接剝皮器的手持絕緣桿為一體式整桿，長度最短也有2 m 以上，所以在外出檢修作業(yè)或者庫房保管都極其不便，必須使用特殊的車輛或庫房才能運輸、保管。

依據(jù)以上問題情況分析，計劃針對性地研制一款高性能的導(dǎo)線剝皮裝置。

2 技術(shù)方案

輕量化導(dǎo)線剝皮裝置主要由分段式輕量化傳動桿體和輕質(zhì)導(dǎo)線剝皮器兩部分組成。

2.1 分段式輕量化傳動桿體

分段式輕量化傳動桿體主要由可折疊搖把機(jī)構(gòu)、輕量化絕緣桿、內(nèi)外桿同步連接裝置和桿頭快速連接件4 部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 分段式輕量化傳動桿體

主要技術(shù)特點為：①可折疊搖把機(jī)構(gòu)。通過搖把轉(zhuǎn)動，帶動搖把機(jī)構(gòu)內(nèi)的錐齒輪轉(zhuǎn)動，通過兩個齒輪的嚙合，改變傳力的方向，帶動內(nèi)部傳動桿沿桿體軸向轉(zhuǎn)動，最終實現(xiàn)帶動桿頭的剝皮器刀具平行導(dǎo)線徑向旋轉(zhuǎn)，成功進(jìn)行導(dǎo)線剝皮。②內(nèi)外桿同步連接裝置。設(shè)計一種具有內(nèi)外桿同步連接功能的裝置，如圖2 所示，其主要包含連接公頭、連接母頭、外螺套、內(nèi)桿定位裝置等部件，其中連接公頭和母頭配合處留有防轉(zhuǎn)定位臺，保證桿體連接后不會出現(xiàn)反向松脫，并且在連接件內(nèi)部分別設(shè)置有內(nèi)桿定位裝置。內(nèi)桿連接處則設(shè)置有六角頭及梅花套筒結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)內(nèi)桿的環(huán)向同軸定位。

圖2 內(nèi)外桿同步連接裝置

2.2 輕質(zhì)導(dǎo)線剝皮器

輕質(zhì)導(dǎo)線剝皮器主要包含四個核心機(jī)構(gòu)，分別為主承力防護(hù)機(jī)構(gòu)、錐齒輪傳動機(jī)構(gòu)、刀架安裝開合機(jī)構(gòu)、自適應(yīng)刀具機(jī)構(gòu)，具體如圖3 所示。主要技術(shù)特點如下。

圖3 輕量化導(dǎo)線剝皮器

2.2.1 主承力防護(hù)機(jī)構(gòu)

主承力防護(hù)機(jī)構(gòu)通體采用碳纖維材料制作，該機(jī)構(gòu)不僅具有外防護(hù)功能，同時也是剝皮器工作時的主承力部件，具有質(zhì)量輕（碳纖維密度在1.75～1.93 g/cm3）、強(qiáng)度高（碳纖維拉伸強(qiáng)度在3 500 MPa 以上，是鋼的7～9 倍）的特點。在剝線作業(yè)時所產(chǎn)生的力全部作用在該機(jī)構(gòu)上，通過力學(xué)分析，該結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形都完全滿足設(shè)計使用要求，如圖4所示。鈦合金耐磨件如圖5 所示。外殼壓邊鑲?cè)肓私饘偌ㄈ鐖D5 灰色塊標(biāo)記），可有效填補(bǔ)碳纖維材料耐磨性差的短板。

2.2.2 錐齒輪傳動機(jī)構(gòu)

剝皮器使用錐齒輪做力的主要傳動，通過對比各種高端合金、PEEK、碳陶等新材料的性能，最終選用鈦合金作為錐齒輪傳動機(jī)構(gòu)的制造材料，在滿足機(jī)械強(qiáng)度的同時可達(dá)到輕便（密度為4.51 g/cm3）、耐磨的要求。由于錐齒輪傳動機(jī)構(gòu)和刀架開合機(jī)構(gòu)為一體連接，所以傳動機(jī)構(gòu)需要考慮整體開合干涉問題，產(chǎn)品以錯齒錯臺的方法來糾正。通過有限元分析，模擬導(dǎo)線剝皮器的實際使用條件，設(shè)計滿足使用條件要求的錯齒結(jié)構(gòu)，既保證強(qiáng)度又能使整體配合、運轉(zhuǎn)不發(fā)生偏差。錐齒輪CAE 分析和錐齒輪錯齒結(jié)構(gòu)分別如圖6 和圖7 所示。

圖4 CAE 分析圖例

圖5 鈦合金耐磨件圖例

圖6 錐齒輪CAE 分析圖例

圖7 錐齒輪錯齒結(jié)構(gòu)圖例

2.2.3 刀架安裝開合機(jī)構(gòu)

如圖8 所示，刀架安裝開合機(jī)構(gòu)為產(chǎn)品中心組件，在作業(yè)開始前需要打開，通過傳動機(jī)構(gòu)的正反轉(zhuǎn)來控制該機(jī)構(gòu)的開合，同時配合扭簧鎖緊該機(jī)構(gòu)，保證剝線時不會松脫，通過旋轉(zhuǎn)達(dá)到剝線的目的，同時也是刀具機(jī)構(gòu)的固定框架。

2.2.4 自適應(yīng)刀具機(jī)構(gòu)

如圖9 所示，自適應(yīng)刀具機(jī)構(gòu)包括刀具、刀具固定座、刀具自適應(yīng)裝置、線纜外皮導(dǎo)出裝置、刀具架等，該機(jī)構(gòu)通過刀具及自適應(yīng)裝置配合將線纜外皮翻起，旋轉(zhuǎn)剝皮后通過切口斜度引導(dǎo)，最后通過線纜外皮導(dǎo)出裝置排出線纜皮，不影響后續(xù)剝皮過程。刀具機(jī)構(gòu)設(shè)計了自適應(yīng)裝置，剝皮可在1/4 圈內(nèi)切入到線纜金屬芯部分，剝皮過程中不損傷線纜，線纜外皮也不會出現(xiàn)殘留情況。刀具架做120°開口角，保證和刀架安裝開合機(jī)構(gòu)在作業(yè)時協(xié)調(diào)配合，咬線松緊合適不卡死也不晃動。

圖8 刀架安裝開合機(jī)構(gòu)

圖9 自適應(yīng)刀具機(jī)構(gòu)

3 產(chǎn)品技術(shù)特點

3.1 先進(jìn)的桿體結(jié)構(gòu)

新型導(dǎo)線剝皮裝置，其操作桿為分段式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)計有內(nèi)傳動桿，工作時外桿支撐，內(nèi)桿傳動作業(yè)。操作桿分段部位設(shè)置內(nèi)外桿同步連接裝置，解決了內(nèi)傳動桿操作桿段間連接困難的問題，將產(chǎn)品運輸長度控制在1.2 m 以內(nèi)，無需特種車輛即可運輸。

3.2 全新概念刀具

剝皮裝置刀具經(jīng)過多次校核實驗，打破傳統(tǒng)的切割方式，發(fā)明出一種新的刀具剪裁方法，對于不同型號導(dǎo)線設(shè)置不同的切入角度，同時不同角度也對應(yīng)不同的導(dǎo)線直徑范圍，剝皮時能夠自動彈起、分離裁切，作業(yè)過程使導(dǎo)線外皮和線芯之間有一定的間隙，保證剝皮過程不會損傷導(dǎo)線線芯。刀具分若干種規(guī)格，可以覆蓋所有配網(wǎng)架空線路常用導(dǎo)線型號。

3.3 先進(jìn)材料應(yīng)用

新型剝皮裝置采用大量的新材料進(jìn)行減重，主體部分采用碳纖維材料制成，碳纖維材料密度是鑄鐵的1/4，并具有完美的物理性能，無需特殊處理，材料的自身屬性可讓產(chǎn)品性能提升至一個新高度。產(chǎn)品錐齒輪和旋轉(zhuǎn)盤等重要零件都采用鈦合金制作，鈦合金強(qiáng)度高、耐磨性好，密度約為鑄鐵的1/2。諸多新材料的應(yīng)用不僅使產(chǎn)品品質(zhì)大幅提升，而且質(zhì)量相比傳統(tǒng)剝皮裝置下降35%以上，對高空作業(yè)時產(chǎn)品的操控性及安全性提升顯著，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價值。

3.4 集成化包裝

新型導(dǎo)線剝皮裝置所有配件，包括分段式絕緣桿、剝皮器工具頭、各型號刀具、鎖線器、鉗子、通用型絕緣桿、搖把機(jī)構(gòu)等統(tǒng)一包裝在航空箱內(nèi)，如圖10 所示，運輸及存儲更加安全、便捷。

圖10 集成化航空箱包裝

3.5 超高通用性

新型剝皮裝置采用刀具自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，在剝皮過程中無需作業(yè)人員干涉，可以自動調(diào)節(jié)剝皮切入深度及角度。對于不同的線纜直徑可調(diào)換對應(yīng)不同規(guī)格的刀具，能夠始終適應(yīng)導(dǎo)線外徑大小，刀具主體和導(dǎo)線緊密同軸固定，不會受到外力影響，剝皮效果不會因為操作人員技能或經(jīng)驗的不同而發(fā)生變化，同時也不再受外界環(huán)境因素影響，保證了剝皮器的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

新型輕量化導(dǎo)線剝皮裝置所涉及的制造技術(shù)和工藝方法屬于國內(nèi)領(lǐng)先水平。本文對該產(chǎn)品的所有設(shè)計優(yōu)勢及工作原理進(jìn)行了充分的分析和闡述，并通過CAE 數(shù)字模擬的方式進(jìn)行產(chǎn)品工藝驗證，最后利用試驗的方法，對產(chǎn)品性能進(jìn)行測試，試驗表明該新型輕量化導(dǎo)線剝皮裝置剝皮效果顯著，使用后可有效降低高空帶電作業(yè)難度，提高作業(yè)人員安全系數(shù)，使作業(yè)效率倍增，應(yīng)用推廣前景廣闊。