配網(wǎng)線路卡線器動(dòng)力學(xué)建模與分析

鄭哲 張翔 李雁 龍翔 鄭源

摘 要：針對(duì)配網(wǎng)改造工程施工中緊線慢、卡線器運(yùn)動(dòng)受阻等問題，分析了卡線器的運(yùn)動(dòng)性能，提出了提高卡線器運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的方法。基于Adams軟件建立卡線器虛擬樣機(jī)模型，通過在拉環(huán)和定夾板的關(guān)節(jié)連接處添加驅(qū)動(dòng)對(duì)卡線器受力運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析，分別得到了卡線器主要構(gòu)件位移、速度和加速度曲線，并深入研究了卡線器主要構(gòu)件在張開和夾緊過程中動(dòng)能和動(dòng)量的變化曲線，得到拉環(huán)和卡線器主體之間平移副傳遞力和旋轉(zhuǎn)副傳遞扭矩的變化曲線，提出平移副傳遞的力與旋轉(zhuǎn)副傳遞的扭矩對(duì)夾緊力的影響。最后得到夾線過程中應(yīng)力和應(yīng)變分布云圖，給出了整體響應(yīng)和變形特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：卡線器；配網(wǎng)；運(yùn)動(dòng)學(xué)；動(dòng)力學(xué)；仿真

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）03-0078-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.03.020

0? ? 引言

近年來，隨著配網(wǎng)改造、完善工程量的不斷加大，工程施工中緊線工作越來越多。在以往的緊線工作中，緊線需要施工人員手工進(jìn)行推拉，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，而且影響施工進(jìn)度，所以，緊線慢的問題亟待解決。圖1所示為采用傳統(tǒng)方式人工用手推拉卡線器。

為解決緊線慢的問題，文獻(xiàn)[1-2]提出了設(shè)計(jì)緊線輔助工具，將夾線口的位置移動(dòng)得更遠(yuǎn)，使用棘輪緊線器對(duì)電線緊線操作時(shí)，就可以一次完成緊線的操作，而不需要像傳統(tǒng)方式那樣重復(fù)多次實(shí)現(xiàn)緊線，從而提高了工作效率。但緊線輔助工具在實(shí)際使用過程中時(shí)常發(fā)生卡線器運(yùn)動(dòng)受阻的現(xiàn)象，為此本文進(jìn)一步研究了配網(wǎng)線路卡線器動(dòng)力學(xué)特性。

1? ? 配網(wǎng)線路卡線器結(jié)構(gòu)分析與建模

如圖2所示，配網(wǎng)線路卡線器由拉桿、定壓板、動(dòng)壓板、上夾板、下夾板和卡線器主體組成。在卡線器使用過程中，拉桿在卡線器主體一側(cè)的卡槽中運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)定壓板轉(zhuǎn)動(dòng)，定壓板與動(dòng)壓板、動(dòng)壓板與上夾板由螺栓連接，上夾板可以在卡線器主體的卡槽中運(yùn)動(dòng)。基于卡線器的結(jié)構(gòu)，上下夾板的夾緊和張開可以通過控制拉桿的位置來實(shí)現(xiàn)。

在SolidWords里使用SolidWords Motion插件驗(yàn)證模型正確性、各部分是否干涉以及約束合理性，避免冗余約束，完成后保存為ADM文件。在Adams/View中打開ADM文件，添加模型的材料密度、需要的各種約束、接觸摩擦、運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)。仿真時(shí)間為10 s，前5 s是卡線器上下夾板的張開過程，后5 s則為卡線器上下夾板的夾緊過程。

2? ? 配網(wǎng)線路卡線器力學(xué)分析

2.1? ? 配網(wǎng)線路卡線器運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析常用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，文獻(xiàn)[3]利用Adams設(shè)計(jì)了液壓支架剛?cè)狁詈夏Ｐ停瑢?duì)其運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證液壓支架的可靠性與穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[4]則對(duì)飛機(jī)前起落架收放機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析。在上述文獻(xiàn)研究方法的基礎(chǔ)上，本文對(duì)卡線器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。

圖3為卡線器主要構(gòu)件在Y與Z方向的位移曲線，拉桿只能在Z方向運(yùn)動(dòng)，定壓板、動(dòng)壓板和上夾板可以在Y與Z兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。各構(gòu)件Z方向位移曲線形狀基本相同，因?yàn)榱慵A角不同，具體數(shù)值存在差異。

圖4為卡線器主要構(gòu)件在Y與Z兩個(gè)方向的速度曲線，在張開過程中各零件在Y方向速度先增大到4 mm/s，之后減少到0 mm/s，在Z方向速度由0 mm/s增加到最大值，之后減小到0 mm/s。夾緊過程的速度曲線與張開過程是對(duì)稱的。

圖5為卡線器主要構(gòu)件在Y與Z兩個(gè)方向的加速度曲線，卡線器張開過程中各零件Y方向加速度由最大值4.5 mm/s2慢慢減小，在2 s減小到0 mm/s2，2—5 s加速度反向增加，5 s時(shí)加速度達(dá)到-2 mm/s2。卡線器夾緊過程與張開過程對(duì)稱。卡線器張開過程中各零件Z方向加速度曲線是線性的，由-12 mm/s2增加到12 mm/s2。卡線器夾緊過程與張開過程對(duì)稱。

圖6為卡線器主要構(gòu)件在張開和夾緊過程中動(dòng)能的變化曲線，各零件的動(dòng)能數(shù)值大小符合一般認(rèn)知，大小從拉桿、定壓板、動(dòng)壓板到上夾板逐漸減小。

圖7為卡線器主要構(gòu)件在張開和夾緊過程中動(dòng)量變化曲線，卡線器張開和夾緊過程中，初始狀態(tài)各零件具有零動(dòng)量，隨著施加力的作用，零件的動(dòng)量會(huì)逐漸增加，直到達(dá)到某個(gè)最大值，然后，當(dāng)施加的力減小時(shí)停止作用，零件的動(dòng)量會(huì)逐漸減小，最終趨于零，表示停止運(yùn)動(dòng)。

圖8為卡線器主要構(gòu)件勢(shì)能增量曲線，拉桿只在Z方向運(yùn)動(dòng)，勢(shì)能無變化，動(dòng)壓板、定壓板和上夾板都在Y方向有高度變化，且上夾板高度變化最大，動(dòng)壓板次之，定壓板最小。

2.2? ? 配網(wǎng)線路卡線器動(dòng)力學(xué)仿真

圖9為拉環(huán)和卡線器主體之間平移副傳遞力的曲線，平移副的作用是將拉環(huán)施加的力沿著平移方向傳遞到卡線器主體上，從而實(shí)現(xiàn)夾緊或松開導(dǎo)線的目的。已知拉環(huán)和卡線器主體之間平移副傳遞的力大小約為5.2 N，這個(gè)力的大小可能會(huì)影響卡線器的夾緊能力，因?yàn)閵A緊力與平移副傳遞的力有關(guān)。

具體地說，如果平移副傳遞的力足夠大，可以壓縮卡線器主體內(nèi)部的夾緊彈簧，從而增加夾緊力，使夾緊口更緊密地夾住導(dǎo)線。反之，如果平移副傳遞的力不足，夾緊力則會(huì)減小，導(dǎo)致夾緊口無法夾住導(dǎo)線。因此，控制平移副的力大小可以調(diào)節(jié)卡線器的夾緊程度，以適應(yīng)不同尺寸和類型的導(dǎo)線。同時(shí)夾緊力還受到多種因素的影響，例如夾緊彈簧的初始張力、夾緊口的形狀和摩擦系數(shù)等，因此，在進(jìn)行具體的應(yīng)用時(shí)，需要進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化，以達(dá)到最佳的夾緊效果。

圖10為拉環(huán)和卡線器主體之間的旋轉(zhuǎn)副傳遞扭矩的曲線，根據(jù)扭矩曲線，在0 s和10 s時(shí)刻達(dá)到峰值，表示系統(tǒng)在這些時(shí)刻受到的扭矩最大。這可能會(huì)對(duì)卡線器產(chǎn)生較大的負(fù)荷和應(yīng)力，需要確保卡線器具有足夠的強(qiáng)度和耐久性來承受這些力矩。

在2.8 s和7.2 s時(shí)，扭矩曲線發(fā)生方向反轉(zhuǎn)。這意味著在這一時(shí)刻，卡線器可能需要應(yīng)對(duì)扭矩的突變，由正向扭矩轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)向扭矩，或者反之。這種突變可能對(duì)卡線器的穩(wěn)定性和工作效果產(chǎn)生影響，需要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臋C(jī)械結(jié)構(gòu)來應(yīng)對(duì)這種變化。

扭矩曲線的特性對(duì)卡線器的工作有以下重要影響：首先，卡線器的設(shè)計(jì)需要滿足足夠的強(qiáng)度要求，以承受最大扭矩。其次，在扭矩曲線發(fā)生反轉(zhuǎn)的時(shí)刻，卡線器需要保持穩(wěn)定，避免振動(dòng)或失效，因此穩(wěn)定性要求也十分關(guān)鍵。最后，考慮到扭矩曲線在不同時(shí)間點(diǎn)的變化，卡線器需要具備快速響應(yīng)的能力，以適應(yīng)突變的扭矩。因此，這些特性的綜合影響會(huì)直接影響到卡線器的性能和工作效果。

2.3? ? 配網(wǎng)線路卡線器有限元分析

文獻(xiàn)[5]利用ANSYS軟件對(duì)減重助行機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，文獻(xiàn)[6]利用ANSYS軟件分析了門式起重機(jī)在多工況條件下整體結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布情況。在上述文獻(xiàn)研究方法的基礎(chǔ)上，本文對(duì)卡線器進(jìn)行了強(qiáng)度分析。

圖11和12分別為卡線器在夾線過程中的應(yīng)力和變形分布云圖，圖中最大等效應(yīng)力集中在卡線器主體和下夾板一側(cè)，說明這兩部分在使用過程中容易出現(xiàn)問題。根據(jù)卡線器受力過程中的總變形圖，可以看出在卡線器工作過程中，卡線器主體變形程度較大。

應(yīng)對(duì)措施如下：首先，選擇具有足夠強(qiáng)度和剛度的材料以承受應(yīng)力；其次，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化增加剛性和穩(wěn)定性，如增加橫向加強(qiáng)筋；第三，可以考慮在主體中添加加固結(jié)構(gòu)或加強(qiáng)件；第四，優(yōu)化工作過程，控制受力范圍，避免超過設(shè)計(jì)范圍。

3? ? 結(jié)論

1）卡線器在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，Y方向位移曲線先增大再減小，位移最大者是上夾板，Z方向位移曲線先減小后增大，位移最大者是拉桿；Y方向的速度曲線和Z方向的速度曲線在張開和夾緊過程中均是先增大再減小；卡線器張開過程中Y方向加速度變化最大的是定壓板，各零件Z方向加速度曲線是線性的，變化最大的是拉桿。卡線器夾緊過程與張開過程運(yùn)行曲線對(duì)稱。2）卡線器在張開過程中，平移副傳遞的力是先增大再減小的，旋轉(zhuǎn)副傳遞的扭矩先減小再增大，卡線器夾緊過程和張開過程受力曲線是對(duì)稱的；整體運(yùn)動(dòng)過程中卡線器受力呈波浪式，變化過程中無驟變凸起，符合無沖擊工程要求。3）根據(jù)卡線器的應(yīng)力分布云圖和應(yīng)變分布云圖可知，在運(yùn)動(dòng)過程中，應(yīng)力主要集中在卡線器的主體部分，最大變形位置為主體部分的卡槽頭部；在卡線器工作過程中，卡線器主體變形程度較大，可以通過選擇具有足夠強(qiáng)度和剛度的材料以承受應(yīng)力。

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收稿日期：2023-10-20

作者簡(jiǎn)介：鄭哲（1990—），男，浙江瑞安人，工程師，從事綜合安全及應(yīng)急管理工作。