電力線纜自動化矯直的仿真和實驗研究

徐勇明，湯一帆，張 盛，史建勛，郁云忠，張 征

（1.國網浙江嘉善縣供電有限公司，浙江 嘉興 314100；2.浙江工業大學機械工程學院，浙江 杭州 310014）

線纜矯直是線纜預制的一道重要工序［1］。為了提高線纜預制的質量，須對線纜進行精準矯直［2］。目前大多通過人力進行線纜矯直，費時且精度難以達到線纜預制的要求［3］。因此，研制高精度、自動化線纜矯直機對提高線纜預制的工作效率和標準化水平有著重要的意義。

國外對線纜矯直機的研究較早，在20世紀20年代，已經在線纜矯直理論上取得了重大突破，近年來也取得了不少研究成果。如：Petruska等［4］對圓形棒材交叉輥子的矯直過程進行了有限元仿真，利用歐拉公式對彈塑性棒材多輥矯直過程進行了描述，提出了一種新的有限元模型，并簡化了矯直輥的幾何形狀等輸入參數和曲率等輸出結果的計算過程，優化了輥子的嚙合過程；Galvis等［5］基于材料彈塑性行為進行彎曲軸矯直的數學模型開發，以確定彎矩和修復彎曲軸所需的最大矯直力，為延長矯直機壽命提供了理論基礎。國內對線纜矯直機的研究較晚，直到20世紀70年代，國內學者才開始對矯直機的輥子形狀進行分析，此后對矯直機各參數開展了研究［6-8］。此外，劉志亮［9］從研究矯直原理入手，對二輥矯直機輥形參數的計算公式進行推導，確定了輥子段、輥腹段、輥胸段的長度及輥子各段輥形半徑等參數，為二輥矯直機的設計提供了依據。Zhang等［10］提出了一種可變跨度多步矯直工藝，以提高矯直精度并減少長直線導軌多步矯直的矯正步驟。經過試驗檢驗，該工藝可有效提高矯直精度和矯直速度，還可以有效地處理由單步矯直工藝引起的無效性。綜上，國內外學者對矯直理論及工藝進行了深入研究，但目前線纜矯直的精度仍不理想，且在設計矯直機時缺乏可依賴的理論支撐，所需參數主要依靠經驗公式和歷史數據來確定［11-12］，這使得線纜矯直機的設計及優化成為一個難題［13］。本文以6組不同內徑的線纜為研究對象，采用有限元軟件ANSYS workbench進行線纜矯直仿真，重點研究線纜壓入量、線纜內徑和進給速度對矯直精度的影響，并在自動化電力矯直機上進行實驗驗證。以期通過仿真數據與實驗結果的對比與分析，得到較為可靠的線纜撓度變化規律，為線纜矯直機的設計優化提供參考。

1 線纜和矯直機模型的構建

線纜矯直是一個利用線纜回彈實現其較高直線度的動態彈塑性變形過程［14-15］。為了準確模擬線纜的變形過程及結果，采用ANSYS workbench 的瞬態動力學模塊對線纜矯直進行仿真分析。其中，線纜矯直精度用線纜直線度表示。線纜矯直后，取線纜表面的2 個節點，這2 個節點在豎直方向的位移差與這2 個節點間線纜長度的比值即為線纜的矯直精度。比值越小，代表線纜直線度越好，矯直精度越高。

1.1 線纜和矯直機模型的簡化

為提高仿真效率，保證模型的收斂性，須對線纜和矯直機模型進行適當簡化。

線纜選用型號為JKTRYJ-10kV-35mm2的預制線纜。線纜分為內層與外層，外層材料為交聯聚乙烯，內層材料為軟銅。線纜的材料屬性如表1所示。內層由多根銅線螺旋纏繞絞制而成，仿真中，若不對其結構進行適當簡化，相互螺旋纏繞的銅線會使線纜的內外層發生穿透，進而導致計算精度降低。同時，若線纜模型過于復雜，會極大地增加計算時間和難度。因此，將線纜內層的銅線簡化為圓柱形單根銅線，線纜呈直徑為800 mm的半圓形彎曲。

表1 線纜的材料屬性Table 1 Material property of cable

通過分析線纜的矯直過程可知，線纜通過與矯直機的摩擦輪、矯直輥子接觸實現矯直，所以在簡化模型中只須設置矯直機的摩擦輪和矯直輥子，然后根據設計的矯直參數對線纜、摩擦輪、矯直輥子進行位置固定。七輥式矯直機簡化模型如圖1所示。其中：摩擦輪的半徑為25 mm，厚度為20 mm；矯直輥子的半徑為27.5 mm，厚度為60 mm。

圖1 七輥式矯直機簡化模型Fig.1 Simplified model of seven-roller straightener

1.2 線纜和矯直機模型參數和邊界條件的設置

在線纜矯直仿真中，線纜作為主要研究對象，設置為彈塑性材料，摩擦輪和矯直輥子設置為剛性材料。采用20 節點六面體實體單元Solid186 劃分線纜、摩擦輪和矯直輥子模型；按照表1參數設置相應的材料屬性，并采用“Bonded”連接線纜模型的內層與外層。線纜模型外層與摩擦輪、矯直輥子表面的接觸均設置為“Frictional”接觸。

為了獲取較高質量的網格并減小計算量，對線纜、摩擦輪和矯直輥子模型進行面映射網格劃分，網格大小設置為6 mm，劃分單元數為12 580個。其網格劃分結果如圖2所示。線纜矯直運動主要包括線纜的直線移動和摩擦輪、矯直輥子的轉動。在線纜矯直剛開始時，線纜完全依靠摩擦輪的轉動而移動，故不對線纜進行運動設置，而對摩擦輪施加轉速載荷。仿真時只考慮線纜單方向的撓度情況，故對線纜水平方向施加固定位移約束。綜上所述，線纜矯直機模型的邊界條件為：對線纜表面設置水平方向的固定位移約束，摩擦輪和矯直輥子位置固定不動，并對摩擦輪和矯直輥子設置轉動副，轉速設置為0.5～3 r/s。線纜矯直機模型的邊界條件設置如圖3所示。

圖2 線纜、摩擦輪和矯直輥子模型的網格劃分Fig.2 Mesh generation of cable, friction wheel and straightening roller models

2 線纜矯直仿真

2.1 線纜壓入量對矯直效果的影響

圖3 線纜矯直機模型的邊界條件設置Fig.3 Boundary condition setting of cable straightener model

線纜壓入量對線纜矯直機的設計及線纜矯直效果影響較大。壓入量過大可能導致線纜尺寸發生變化甚至線纜受到破壞，壓入量過小則會導致達不到預期的矯直效果。目前針對電力線纜矯直所需的壓入量沒有明確的標準或研究。為避免對線纜造成過度擠壓，破壞線纜的導電性和安全性，選定壓入量0.5 mm作為固定值。設置線纜內徑為8.4 mm，進給速度為0.36 r/s，進行線纜矯直仿真。

線纜矯直效果如圖4所示。由圖可知，矯直后線纜形狀近似于直線，說明矯直效果較好。

圖4 線纜矯直效果示意Fig.4 Schematic of straightening effect of cable

矯直后測量如圖4所示1與2之間均勻設置的線纜49個位置的撓度，以檢驗矯直效果。其中：位置2為線纜的始端，位置1與位置2的間距為250 mm。

不同位置處線纜撓度的仿真結果如圖5 所示。由圖可知，越接近線纜始端，線纜撓度越大，且近似呈線性增大。最大撓度出現在線纜始端，約為7.6 mm。仿真結果表明，矯直后線纜撓度較小，矯直精度較高，壓入量為0.5 mm時矯直效果較好。

2.2 線纜內徑對矯直效果的影響

線纜內徑是影響線纜矯直效果的重要因素之一。基于上述模型，對不同內徑的線纜進行矯直仿真分析。選取6種不同規格的JKTRYJ-10kV-35mm2線纜，其具體規格如表2所示。

圖5 不同位置處線纜撓度的仿真結果Fig.5 Simulation results of cable deflection at different positions

表2 JKTRYJ-10kV-35mm2線纜的6種規格Table 2 Six specifications of JKTRYJ-10kV-35mm2 cable

線纜的撓度取自圖4中位置1的值，即線纜矯直后距離線纜始端250 mm 處的撓度（下同）。固定線纜絕緣層厚度7 mm 不變，當壓入量為0.5 mm，進給速度為0.36 r/s時，線纜撓度與線纜內徑的關系曲線如圖6所示。由圖可知，隨著線纜內徑增加，線纜撓度逐漸增大。當線纜內徑從6.4 mm增加到11.4 mm時，其撓度大約增加了17 mm；當線纜內徑從7.4 mm增加到8.4 mm時，其撓度幾乎不變；當線纜內徑超過8.4 mm 后，撓度增加的趨勢較為明顯?？梢娋€纜內徑對線纜矯直效果的影響較為顯著。

圖6 線纜撓度與線纜內徑的關系曲線Fig.6 Relationship curve between cable deflection and cable inner diameter

2.3 進給速度對矯直效果的影響

矯直機摩擦輪的最高轉速為3.0 r/s，故仿真分析在0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 r/s 進給速度下線纜的撓度。當壓入量為0.5 mm，線纜內徑為8.4 mm 時，線纜撓度與進給速度的關系曲線如圖7所示。由圖可知，當進給速度從0.5 r/s增加到3 r/s時，其撓度大約增加了4 mm；隨著進給速度的提高，線纜矯直精度逐漸下降，但并非呈線性下降；進給速度從0.5 r/s增加1 r/s 時，對矯直精度的影響較大；進給速度從1.5 r/s增加到2 r/s時，撓度增加較為緩慢，對矯直精度影響不大。

圖7 線纜撓度與進給速度的關系曲線Fig.7 Relationship curve between cable deflection and feed rate

3 線纜矯直實驗

3.1 實驗裝置

為了驗證仿真結果的準確性，進行線纜矯直實驗。線纜矯直實驗裝置如圖8所示。其中：采用7個矯直動力輥子實現不同外徑的線纜自適應矯直功能；設備前端配置了線纜驅動裝置；采用對心伺服調整方式來保證線纜加工中心線高度和水平位置，實現不同外徑系列的配電網電力線纜的矯直加工工藝。

圖8 線纜矯直實驗裝置Fig.8 Cable straightening experiment device

3.2 線纜試件的制備

將線纜折彎成與仿真一致的直徑為800 mm 的半圓形。線纜纏繞在線盤后固定24 h，以保證折彎效果，然后用剪線鉗剪下合適的長度（在剪線過程中盡量保持切口平整）。

3.3 實驗結果與分析

取壓入量為0.5 mm，線纜內徑為7.4 mm，進給速度為3 r/s，調節實驗樣機的操作系統，進行線纜矯直實驗。撓度測量：以矯直輥子中水平線纜中心線為基準，測出矯直后線纜中心點與它的差值，即為矯直后線纜的撓度值。為了減小測量誤差和加工誤差，進行3次實驗，最終結果取測量平均值，得到撓度為34.40 mm，而相應的仿真值為35.39 3mm。仿真結果與實驗結果的誤差在10%之內，可見線纜矯直有限元模型準確有效，其仿真結果可為矯直機的設計提供參考。

3 結 論

1）在0.5 mm 的壓入量下線纜的矯直效果較好，且不會對電力線纜造成損傷。

2）在一定的矯直條件下，線纜內徑對矯直精度的影響較大。在其他條件不變的情況下，線纜內徑越大，線纜矯直后的撓度越大，矯直精度越小，且減小的趨勢呈非線性。

3）線纜矯直成形后的撓度與其進給速度有關。隨著線纜進給速度的增大，其撓度逐漸增加，且增加的趨勢呈非線性。