懸垂線夾金具力學(xué)性能試驗(yàn)工裝優(yōu)化

屈 直1, 李志翔, 焦宗寒

(1.云南電力技術(shù)有限責(zé)任公司, 昆明 650217; 2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院, 昆明 650217)

懸垂線夾金具主要用來(lái)懸掛導(dǎo)線、光纜于絕緣子或桿塔上，其一般包括船體、回轉(zhuǎn)軸和壓條等部件。懸垂線夾在懸掛導(dǎo)線或地線時(shí)應(yīng)能承受垂直檔距內(nèi)導(dǎo)線或地線的全部載荷,需要具備一定的承載能力，若懸垂線夾實(shí)際承載能力不能滿足設(shè)計(jì)要求，將發(fā)生輸電線路掉線事故，力學(xué)性能試驗(yàn)可檢驗(yàn)、判斷懸垂線夾承載能力是否滿足要求。

按照GB/T 2317.1—2008《電力金具試驗(yàn)方法 第1部分：機(jī)械試驗(yàn)》的技術(shù)要求對(duì)懸垂線夾進(jìn)行機(jī)械載荷試驗(yàn)時(shí)，1/2線夾出口角(α)難以控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果失真。為此，筆者通過(guò)分析懸垂線夾的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用理論計(jì)算和有限元模擬分析懸垂線夾試驗(yàn)中的受力情況，得出懸垂線夾金具試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)的理論依據(jù)；根據(jù)計(jì)算結(jié)果，重新設(shè)計(jì)懸垂線夾軟連接和支撐的結(jié)構(gòu)，將懸垂夾試驗(yàn)中的懸垂角控制在α/2角以內(nèi)，保證在試驗(yàn)過(guò)程符合標(biāo)準(zhǔn)要求的同時(shí)提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。在試驗(yàn)過(guò)程中如何控制α/2角在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)是本研究?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

1 懸垂線夾的結(jié)構(gòu)要求

1.1 曲率半徑

懸垂線夾船體線槽的曲率半徑R取決于導(dǎo)線材料的彈性模量及導(dǎo)線彎曲后產(chǎn)生的附加彎曲應(yīng)力,關(guān)系式為

(1)

式中:σ為彎曲附加應(yīng)力；d為鋁股絲直徑；R為線槽曲率半徑；Ea為導(dǎo)線材料鋁的彈性模量。

國(guó)內(nèi)外專家及學(xué)者對(duì)導(dǎo)線的疲勞壽命進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作，研究結(jié)果表明導(dǎo)線的張力T及線槽曲率半徑R與導(dǎo)線直徑D的比值，即R/D會(huì)影響導(dǎo)線的疲勞壽命。我國(guó)電力金具標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定比值R/D=8，即懸垂線夾線槽的曲率半徑不小于安裝導(dǎo)線直徑的8倍[1]。

1.2 線夾出口角

線夾出口角α即線夾出口外圓弧處的切線方向與線夾船體線槽中心線之間所夾的銳角，如圖1所示。線夾出口角與線夾船體的長(zhǎng)度L1、圓弧的起始位置L2及線槽的曲率半徑R有關(guān)，關(guān)系式為

(2)

圖1 線夾出口角位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of clamp outlet angle position

由式(2)可知，當(dāng)線夾船體的長(zhǎng)度L1、圓弧的起始位置L2及線槽的曲率半徑R一定時(shí)，α為定值，設(shè)計(jì)中一般要求α≤25°。當(dāng)導(dǎo)線懸掛在懸垂線夾上時(shí)，由于檔距不同及桿塔高度差的存在，導(dǎo)線的線夾出口角α是變化的，且造成懸垂線夾兩側(cè)導(dǎo)線的懸垂角不等，引起線夾相對(duì)于絕緣子串產(chǎn)生垂直面上的偏轉(zhuǎn)。導(dǎo)線懸垂角是導(dǎo)線與線夾最外側(cè)接觸點(diǎn)處外圓弧的切線方向與水平方向所夾的銳角，當(dāng)線夾處于水平位置時(shí)，出口角等于導(dǎo)線懸垂角[2-3]。

2 線夾的受力分析

2.1 線夾受力的理論分析

理論狀態(tài)下的導(dǎo)線是一根柔索，其承受能力T及兩側(cè)懸垂角α在架空線路的導(dǎo)線力學(xué)計(jì)算中，通常用導(dǎo)線水平張力H表示，關(guān)系式為

H=Tcosα

(3)

當(dāng)線夾處于對(duì)稱受力狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)線懸垂角與線夾出口角均等于α，從導(dǎo)線傳遞給船體的單位長(zhǎng)度載荷q為

(4)

式中：ρ為船體線槽的曲率半徑。

圖2 懸垂線夾受力分布和最大彎曲力位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of stress distribution andmaximum bending force positions of suspension clamp:a) stress distribution of hull groove;b) maximum bending force positions

上述單位長(zhǎng)度載荷累積后最終以垂直力P及彎矩力Mo作用在船體上。懸垂線夾力學(xué)性能試驗(yàn)的基本原則是試驗(yàn)狀態(tài)能真實(shí)反映線夾在線路運(yùn)行過(guò)程中的真實(shí)受力情況[4-5]。實(shí)際運(yùn)行中，導(dǎo)線為柔性鋼索，懸垂線夾船體槽中間為直面,受垂直正壓力，兩端弧面受彎曲力,如圖2a)所示。線路正常運(yùn)行狀態(tài)下導(dǎo)線的張力及弧垂變化不大，因此導(dǎo)線懸垂角的變化也較小。在力學(xué)性能試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)載荷值遠(yuǎn)大于運(yùn)行狀態(tài)下線夾所受力，隨著試驗(yàn)力的增加，試驗(yàn)工裝的柔性鋼索將發(fā)生較大變形而伸長(zhǎng)，從而導(dǎo)致導(dǎo)線懸垂角增大，兩端弧面所受彎曲力增大。在線夾的水平直面與弧面過(guò)渡位置[如圖2b)中的位置A，B]產(chǎn)生較大的彎曲力，因此在試驗(yàn)過(guò)程中首先在位置A，B處發(fā)生破壞。

2.2 線夾受力的有限元模擬計(jì)算

2.2.1 試驗(yàn)方法

采用有限元模擬軟件ABAQUS建立懸垂線夾的有限元模型，通過(guò)在懸垂線夾中間導(dǎo)線上施加位移的方式來(lái)模擬線夾的工作狀態(tài)并進(jìn)行分析，由于懸垂線夾形狀較不規(guī)則，采用C3D10四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，導(dǎo)線采用三維實(shí)體C3D8單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，懸垂線夾掛耳位置穿入的螺栓由于強(qiáng)度較高，采用解析剛體建模[6-7]，如圖3所示，材料設(shè)定參數(shù)具體如表1所示。

圖3 懸垂線夾有限元結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Finite element structural model of suspension clamp

表1 懸垂線夾材料參數(shù)Tab.1 Parameters of suspension clamp material

施加邊界條件約束時(shí)，將解析剛體中心點(diǎn)完全固定,即U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0，在分析時(shí)對(duì)導(dǎo)線施加向下的位移載荷，通過(guò)對(duì)導(dǎo)線設(shè)置不同的材料參數(shù)(主要是彈性模量)來(lái)模擬鋼棍和軟導(dǎo)線對(duì)懸垂線夾受力的影響。

2.2.2 鋼棍計(jì)算結(jié)果

對(duì)鋼棍施加2 mm向下的位移載荷，由有限元計(jì)算結(jié)果可以看出，懸垂線夾掛耳位置和螺栓平面邊緣尖角位置有明顯的應(yīng)力集中，此處應(yīng)力值已經(jīng)超過(guò)懸垂線夾鋁合金的屈服強(qiáng)度,如圖4所示。

圖4 鋼棍有限元模擬計(jì)算結(jié)果Fig.4 Finite element simulation results of steel bar:a) stress distribution at lug position;b) stress distribution at sharp corner of bolt plane edge

2.2.3 軟導(dǎo)線計(jì)算結(jié)果

對(duì)軟導(dǎo)線施加8 mm向下的位移載荷，由有限元計(jì)算結(jié)果可以看出，懸垂線夾螺栓平面邊緣尖角有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)線夾螺栓孔及側(cè)弧面的應(yīng)力也較高，如圖5所示。

圖5 軟導(dǎo)線有限元模擬計(jì)算結(jié)果Fig.5 Finite element simulation results of flexible conductor:a) stress distribution at bolt hole and side arc surface of clamp;b) stress distribution at sharp angle of bolt plane edge

3 懸垂線夾試驗(yàn)工裝受力特點(diǎn)分析

3.1 懸垂線夾力學(xué)性能試驗(yàn)方法介紹

懸垂線夾的力學(xué)性能試驗(yàn)方法按照GB/T 2317.1—2008的要求進(jìn)行，懸垂線夾的幾種試驗(yàn)布置方法如圖6所示。其中圖6a)布置方法由于在線夾拉伸試驗(yàn)中難以控制角度，導(dǎo)致該裝置中鋼索受力較大，難以承受金具試驗(yàn)力，若取α=10°，通過(guò)計(jì)算可得鋼索受力約為懸垂線夾所受垂直載荷的2.86倍，大規(guī)格懸垂線夾破壞試驗(yàn)中的鋼索難以承受，其次試驗(yàn)過(guò)程中調(diào)節(jié)鋼索控制α/2較為困難，因此該方法只適用于額定載荷較小的線夾。圖6b)布置方法是利用鋼梁代替柔性鋼索，該類結(jié)構(gòu)被國(guó)內(nèi)較多試驗(yàn)單位及金具廠家所采用，與俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)中推薦的布置方法相同。部分廠家或試驗(yàn)單位還采用圖6c)所示的帶弧度圓鋼的結(jié)構(gòu)形式，圓鋼弧度根據(jù)線夾的出口角度設(shè)計(jì)。圖6b)和圖6c)所示的兩種結(jié)構(gòu)均為兩個(gè)剛性體采用直接接觸的方式傳遞載荷。圖6d)工裝為浙江省電力設(shè)計(jì)院推薦的一種試驗(yàn)裝置，在兩個(gè)剛性物體間直接采用兩點(diǎn)接觸的傳力方式。

圖6 懸垂線夾力學(xué)性能試驗(yàn)布置方法示意圖Fig.6 Schematic diagram of layout methods for mechanical property test of suspension clamp:a) flexible cable method; b) rigid straight beam method; c) rigid bonding method; d) two point contact method

3.2 剛性接觸和柔性接觸試驗(yàn)方法的對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)使用XGF-5X型懸垂線夾，其額定破壞載荷為60 kN。根據(jù)圖6a)所示的柔性鋼索法進(jìn)行試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)破壞試驗(yàn)力為29.16 kN，未達(dá)到額定載荷，破壞位置如圖7a)所示；根據(jù)圖6b)所示的剛性直梁法進(jìn)行試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)破壞試驗(yàn)力為73.36 kN，達(dá)到了額定載荷，破壞位置位于吊耳處，如圖7b)所示。

圖7 XGF-5X型懸垂線夾的剛性接觸和柔性接觸方法試驗(yàn)時(shí)的破壞位置Fig.7 Failure positions of rigid contact and flexible contact test layout methods for XGF-5X suspension clamp:a) failure position of clamp of flexible cable method; b) failure position of clamp of rigid straight beam method

可見(jiàn)兩種方法的最大破壞力值差別較大，破壞斷裂位置不同，與受力分析及有限元模擬結(jié)果吻合。采用圖6a)所示的方法進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)線夾考核過(guò)嚴(yán)，兩端弧面受力遠(yuǎn)大于實(shí)際受力值；采用圖6b)所示的方法進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)線夾考核不足，兩端弧面位置未得到考核。

4 新型試驗(yàn)工裝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法由于α/2角難以控制在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果失真；采用剛性工裝方法進(jìn)行試驗(yàn)不能真實(shí)還原金具實(shí)際試驗(yàn)工況，僅對(duì)金具局部位置進(jìn)行考核，存在考核尺度過(guò)松的缺點(diǎn)；采用柔性工裝檢測(cè)驗(yàn)收產(chǎn)品，考核尺度過(guò)嚴(yán)。因此新工裝的研究設(shè)計(jì)必須滿足三點(diǎn)：(1)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，應(yīng)采用柔性鋼索傳力設(shè)計(jì)；(2)真實(shí)還原金具導(dǎo)線實(shí)際運(yùn)行中的受力特點(diǎn)；(3)必須控制α/2角在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍。

新型試驗(yàn)工裝如圖8所示，可見(jiàn)新型試驗(yàn)裝置包括固定支架(位置1)、柔性鋼索(位置2)、出口角調(diào)節(jié)控制器(位置3)、懸垂線夾(位置4)。其中，出口角調(diào)節(jié)控制器分為上、下支撐梁，上、下支撐梁通過(guò)螺桿連接。上支撐梁兩端設(shè)有連接孔，中部設(shè)有一弧槽凸臺(tái)，凸臺(tái)弧度與柔性鋼絞線直徑匹配，試驗(yàn)時(shí)上支撐梁穿過(guò)懸垂金具壓在柔性鋼絞線上方。下支撐梁兩端有兩個(gè)錐形斜角孔，兩個(gè)錐形斜孔上部分別有兩個(gè)螺桿與上支撐架連接，通過(guò)螺桿的上、下調(diào)節(jié)控制不同規(guī)格懸垂金具的懸垂角度。通過(guò)調(diào)節(jié)錐形斜孔和上支撐梁，將試驗(yàn)過(guò)程中柔性絞線與懸垂線夾船體出口角控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍，試驗(yàn)中鋼絞線的彎曲作用力通過(guò)上、下支撐梁傳遞到懸垂線夾中間部位，根據(jù)不同懸垂線夾選擇不同直徑的鋼絞線和調(diào)節(jié)上、下支撐梁，保證該裝置適用于不同規(guī)格的懸垂金具力學(xué)性能試驗(yàn)，該結(jié)構(gòu)保證懸垂角在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，同時(shí)還能保證試驗(yàn)過(guò)程中的受力特點(diǎn)接近實(shí)際運(yùn)行工況。

5 對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)比試驗(yàn)選用了同一廠家、同一批次的XGF-5X和XGF-6X兩種型號(hào)懸垂線夾，采用國(guó)標(biāo)中的試驗(yàn)布置工裝[圖6b)]、剛性直梁工裝[圖6c)]及新型工裝(圖8)3種試驗(yàn)布置方式，在同一型號(hào)的立式拉力機(jī)上,采用相同的加載速度進(jìn)行試驗(yàn)。每種型號(hào)線夾采用同一工裝各做3組試驗(yàn)。若兩種型號(hào)的線夾采用新型工裝的最大破壞力介于柔性鋼索法和剛性直梁法之間，破壞位置出現(xiàn)在過(guò)渡位置或吊耳位置，說(shuō)明新型工裝設(shè)計(jì)可行。采用不同試驗(yàn)工裝的懸垂線夾最大破壞試驗(yàn)力值如表2所示，破壞斷裂位置如圖9～11所示。

圖8 新型試驗(yàn)工裝示意圖Fig.8 Schematic diagram of new test tooling

表2 采用不同試驗(yàn)工裝的懸垂線夾最大破壞試驗(yàn)力值Tab.2 Maximum failure test force values of suspension clamp with different test tooling

可見(jiàn)3種工裝試驗(yàn)得到的最大破壞試驗(yàn)力值不同，從大到小排序?yàn)殇摿悍ā⑿鹿ぱb法、柔索法，說(shuō)明采用不同工裝對(duì)懸垂線夾力學(xué)性能試驗(yàn)的最大破壞力值有影響；兩種型號(hào)的線夾采用新型工裝試驗(yàn)的最大破壞力值均介于柔性鋼索法和剛性直梁法之間，試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期判斷吻合。

從試驗(yàn)的破壞位置可以得出,采用柔性鋼索工裝試驗(yàn)線夾的破壞位置為船體中部，采用剛性直梁工裝試驗(yàn)線夾的破壞位置為吊耳螺栓孔處，采用新型工裝試驗(yàn)線夾的破壞位置為船體兩側(cè)根部及吊耳處。破壞部位的差異性，也反映出其不同試驗(yàn)裝置中懸垂金具的受力分布特點(diǎn)。因此試驗(yàn)工裝的合理性會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

圖9 柔性鋼索法線夾破壞位置Fig.9 Failure positions of clamp of flexible steel cable method: a) XGF-5X clamp; b) XGF-6X clamp

圖10 剛性直梁法線夾破壞位置Fig.10 Failure positions of clamp of rigid straight beam method: a) XGF-5X clamp; b) XGF-6X clamp

圖11 新型工裝布置法線夾破壞位置Fig.11 Failure positions of clamp of new tooling layout method: a) XGF-5X clamp; b) XGF-6X clamp

6 結(jié)論

(1) 采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)布置方法，掛具的柔性鋼纜在受力時(shí)發(fā)生較大的變形，導(dǎo)致懸垂角保持在1/2線夾出口角內(nèi)比較困難。過(guò)大的導(dǎo)線懸垂角會(huì)導(dǎo)致線夾受到超過(guò)設(shè)計(jì)要求的彎矩?cái)D壓，從而發(fā)生破壞，試驗(yàn)結(jié)果并不能真實(shí)反映線夾的力學(xué)性能。

(2) 采用直橫梁掛具，僅對(duì)懸垂線夾船體中部及掛耳處進(jìn)行考核，試驗(yàn)不能真實(shí)還原線夾的實(shí)際受力情況，該試驗(yàn)工裝對(duì)線夾考核不足。

(3) 新型工裝采用柔性鋼索加載能真實(shí)反映線夾在線路運(yùn)行過(guò)程中的真實(shí)受力情況，通過(guò)剛性線夾出口角調(diào)節(jié)控制器可調(diào)節(jié)控制不同型號(hào)懸垂線夾的懸垂出口角在規(guī)定范圍內(nèi)，可適用于多種型號(hào)懸垂線夾的力學(xué)性能試驗(yàn)。此外，新型工裝更符合線夾實(shí)際運(yùn)行時(shí)的受力特點(diǎn)，能提高懸垂線夾力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在懸垂線夾力學(xué)性能試驗(yàn)中具有較高的利用價(jià)值。