架空導線鋼絞線嵌鋁壓接接續工藝研究

張仁奇 張義釗

摘? 要：為解決傳統鋼芯鋁絞線與地線壓接工藝中容易因鋼管與鋼絞線硬度不匹配，導致出現欠壓、松股、過壓、鋼絲表面損傷等問題，提出將鋁嵌入鋼絲內部并利用鋁鋼摩擦提高握著力的方法。通過理論計算進行了新型鋼絞線對接嵌鋁壓接管的設計，并基于該設計制作了檢驗性試件。試件的握力試驗表明，該設計的握著力滿足標準。

關鍵詞：鋼芯鋁絞線;金具;壓接工藝;握著力

0? ? 引言

傳統的鋼芯鋁絞線與地線的接續工藝中，鋼絞線接頭均用鋼管直接套住鋼絞線液壓連接，當鋼管與鋼絞線硬度不匹配、壓接模具尺寸不合理、壓接壓力不足時，容易出現欠壓、松股、過壓、鋼絲表面損傷等缺陷，導致接頭的握著力不滿足標準要求[1-2]。在造成鋼芯鋁絞線與地線壓接缺陷的因素中，鋼管與鋼絞線硬度不匹配是主要原因[3-6]。鑒于此，有必要研究新型的鋼絞線嵌鋁壓接技術。

1? ? 鋼絞線對接嵌鋁壓接管

1.1? ? 設計思路

新型的鋼絞線對接嵌鋁壓接管，由外層鋼管和內層鋁合金管構成，如圖1所示。外層鋼管提供鋼絞線對接主要的抗張力和接頭壓力，內層鋁合金管提供鋼絲嵌入填充材料，利用鋁合金的高靜摩擦系數將接頭壓力轉變為抗張力，提高接頭的握著力。

1.2? ? 壓接管嵌層鋁管計算

1.2.1? ? 鋼芯絞線螺紋中徑

按螺栓螺紋參數定義，鋼芯絞線螺紋中徑為d2，即圖2中大圓O的直徑，其半徑為R，對于7根鋼絲的鋼芯絞線，圓O與圓P相交的弧長等于圓O周長的1/12。即：

式中：R為鋼芯絞線螺紋中徑d2的一半;θ為鋼芯絞線螺紋中徑圓弧角。

根據圖2中圓O與圓P的方程，即：

x2+y2=R2（x-2r）2+y2=r2x=Rcos θy=Rsin θ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

可求得兩圓半徑關系，即：

R=2.787 5rd2=5.575r? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

1.2.2? ? 壓接應力計算

鋼芯接續管壓接成型后壓力機未停時，如圖3所示，鋼管內半徑為rfe，鋼管中心厚度為dfe，鋼芯絞線螺紋中徑為d2，鋁管中徑厚度為dal。

鋼芯接續管壓接成型后壓力機停機移開，假設鋁管壁受壓應力為σ1，鋼管內半徑為rfe+Δrfe，鋼管中心厚度為dfe+Δdfe，鋼芯絞線螺紋中徑圓半徑為R+ΔR，鋁管中徑厚度為dal+Δdal，且有如下關系：

鋼芯接續管壓接成型后壓力機壓力解除，這些厚度增量關系為：

則鋼芯接續管壓接成型后壓力機壓力解除，鋼芯、嵌層鋁管、鋼管之間的壓應力為：

1.2.3? ? 嵌層鋁管計算

（1）鋼芯接續管壓接成型后嵌入鋼絞線間的鋁材量S：

式中：r為鋼芯絞線鋼絲半徑。

（2）嵌入需要的鋁管厚度：

則嵌層鋁管厚度為δal：

δal=δq+1? ?（9）

（3）嵌層鋁管外徑Dal為：

Dal=6r+1+2δal? ?（10）

（4）嵌層鋁管長度：

根據資料，鋁合金與鋁合金的靜摩擦系數為1.05～1.35，鋁合金與低碳鋼的靜摩擦系數為0.61。對于鋁包鋼絞線、鍍鋅鋼絞線，都按鍍鋅鋼絞線與鋁合金嵌層管靜摩擦力計算，嵌層鋁管螺紋損壞臨界壓接長度lqmin為：

式中：Fb為導線計算破斷力;R為鋼芯絞線螺紋中徑d2的一半。

經計算，嵌層鋁管螺紋損壞臨界壓接長度lqmin小于鋼芯絞線節距，鋼芯絞線節距一般為lqmin的3～4倍，因此為了安全起見，嵌層鋁管長度取2個鋼芯絞線節距（1個鋼芯絞線節距為鋼芯直徑的18倍）。

1.2.4? ? 鋼管計算

（1）鋼管內徑：鋼芯絞線的接續鋼管內徑等于嵌層鋁管外徑。

（2）鋼管外徑：

鋼絞線總破斷力為Fb，鋼管的屈服強度為σsfe，則鋼管厚度δfe為：

則鋼管外徑為：

Dfe=Dal+2δfe? ? ? ? ? ? ? （13）

（3）鋼管的長度：鋼管長度與嵌層鋁管相同，為2個鋼芯絞線節距。

1.2.5? ? 模具參數計算

（1）壓接模具壓接截面積：

鋼芯壓接截面積為：

式中：r為鋼芯絞線鋼絲半徑。

嵌層鋁管截面積為：

式中：Dal為嵌層鋁管外徑。

鋼管截面積為：

式中：Dfe為鋼管外徑;Dal為嵌層鋁管外徑。

壓接模具的壓接截面積為：

（2）由此可以得到正六邊形壓模的邊長為：

正六邊形壓模對角線為：

2? ? 安全運行溫度計算

由于鋼鋁之間的熱膨脹系數不同，因此需要對于新型接續管的安全運行溫度進行計算。

假設接續管安裝時環境溫度為t0，鋼芯及鋼管的線膨脹系數為afe，嵌層鋁管線膨脹系數為aal，當運行溫度為t1時：

（1）鋼芯半徑膨脹量：

ΔRt=Rafe（t1-t0）? ? ? ? （20）

（2）嵌層鋁管膨脹量：

Δdalt=dalaal（t1-t0）? ?（21）

（3）鋼管內徑膨脹量：

Δrfet=rfeafe（t1-t0）? ? ? ? ?（22）

（4）安全溫度：

當溫度升高時：

即接續管運行溫度增加量應滿足：

式中：dal為鋁管等效厚度;σ為壓力機解除前鋼芯、鋁管、鋼管之間的壓應力;σ1為壓力機壓力解除后鋼芯、鋁管、鋼管之間的壓應力;Eal為鋁合金的楊氏模量;R為鋼芯絞線螺紋中徑d2的一半;rfe為壓接后鋼管內半徑;aal為鋁的線膨脹系數;afe為鋼的線膨脹系數。

當溫度降低時：

即接續管運行溫度降低量應滿足：

式中：dal為鋁管等效厚度;σ為壓力機解除前鋼芯、鋁管、鋼管之間的壓應力;σ1為壓力機壓力解除后鋼芯、鋁管、鋼管之間的壓應力;Eal為鋁合金的楊氏模量;Fb為導線計算破斷力;R為鋼芯絞線螺紋中徑d2的一半;rfe為壓接后鋼管內半徑;afe為鋼的線膨脹系數;aal為鋁的線膨脹系數。

3? ? 設計實例

筆者在項目研究中應用鋼芯鋁絞線LGJ-240/30與LGJ-

500/45的鋼芯參數進行設計計算，選取5A05鋁合金（屈服強度為115 MPa）作為嵌層鋁管材料，Q345B號鋼（屈服強度為245 MPa）作為鋼管材料，靜摩擦系數為0.61，經過計算得到嵌層鋁管和鋼管的參數，根據參數制造出了對應兩種鋼芯鋁絞線的新型鋼絞線對接嵌鋁壓接管，并在壓接后沿線方向剖開。如圖4所示，可以清晰看到在鋼芯無損傷的情況下鋁層嵌入了鋼芯縫隙之中。

對兩種對接嵌鋁壓接管進行了握力試驗，LGJ-240/30鋼芯鋼絞線嵌鋁壓接管在43.99 kN拉力下未滑移（鋼芯破斷），LGJ-500/45鋼芯鋼絞線嵌鋁壓接管在59.52 kN拉力下未滑移（鋼芯破斷），斷裂處均出現在嵌鋁壓接管之外，且接續管握著力超過了導線計算拉斷力的95%（LGJ-240/30計算拉斷力為40.2 kN，LGJ-500/45計算拉斷力為54.7 kN），達到標準。

4? ? 結語

本文提出的新型鋼絞線對接嵌鋁壓接管的設計避免了壓接鋼管與鋼絞線硬度不匹配的問題，可以防止壓接時出現欠壓、松股、過壓、鋼絲表面損傷等缺陷，并且由于鋁嵌入了鋼絲之中，利用鋼鋁之間的摩擦力可以進一步加大壓接管的握著力，防止出現握著力不足的情況。

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收稿日期：2020-06-30

作者簡介：張仁奇（1968—），男，貴州三都人，高級工程師，主要從事電網高電壓設備失效分析工作。

張義釗（1993—），男，貴州三都人，碩士研究生在讀，研究方向：輸電工程。