新型鑰匙扣式導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾的設(shè)計(jì)與仿真分析

李巖舟，班彩霞，潘榮安，郭 寧

（廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004）

0 引言

短路接地線(xiàn)用于將輸電線(xiàn)路接地，是保障電力檢修人員人身安全的必備裝置。短路接地線(xiàn)主要由接地端線(xiàn)夾、接地線(xiàn)、導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾等組成，其中，導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾是影響接地線(xiàn)路性能和操作的關(guān)鍵。為保證電力工作人員工作安全、防止設(shè)備突然來(lái)電和鄰近高壓帶電設(shè)備產(chǎn)生感應(yīng)電壓對(duì)人體的危害，同時(shí)釋放斷電設(shè)備的剩余電荷[1,2]，在對(duì)高壓設(shè)備進(jìn)行停電檢修時(shí)必須要掛接導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾。目前，短路接地線(xiàn)常用的導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾大多存在裝拆困難、與輸電線(xiàn)連接不可靠、緊固力低、穩(wěn)固性差等缺陷。從保證安全和提高工作效率出發(fā)，本文研究設(shè)計(jì)了一種基于鑰匙扣原理的新型導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾裝置，旨在克服傳統(tǒng)短路接地線(xiàn)的弊端，使其具有夾緊力大、裝拆效率高、安全可靠的特點(diǎn)。該裝置具有很好的應(yīng)用前景，在臨時(shí)故障搶修中能顯著縮短停電時(shí)間，使電力系統(tǒng)盡快恢復(fù)正常和減少停電損失，同時(shí)有利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 新型導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾裝置的整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 現(xiàn)有普通導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)

國(guó)外對(duì)短路接地線(xiàn)的研究比較早，目前普遍采用可分離式絕緣操作桿旋轉(zhuǎn)導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾的螺桿來(lái)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)夾與導(dǎo)線(xiàn)間的夾緊與松放。國(guó)內(nèi)市面上常見(jiàn)的攜帶型短路接地線(xiàn)的導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾，按導(dǎo)線(xiàn)夾緊機(jī)構(gòu)工作原理分類(lèi)有螺旋壓緊式和彈簧壓緊式兩種。而在實(shí)際使用中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況的不同從這兩種工作原理的線(xiàn)夾又演變出單舌彈簧式、雙舌彈簧式、平口式和顎口式[3]等樣式的線(xiàn)夾。

通過(guò)比較我們發(fā)現(xiàn)，無(wú)論線(xiàn)夾如何變化，雖然在導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾的性能上有所改進(jìn)，但卻無(wú)法改變螺旋壓緊式和彈簧壓緊式線(xiàn)夾各自所固有的缺陷。螺旋壓緊式線(xiàn)夾為了保證能夠適應(yīng)不同線(xiàn)徑的導(dǎo)線(xiàn)，一般開(kāi)口較大，且螺紋自鎖的特性保證了其連接牢固。但拆裝復(fù)雜，工作強(qiáng)度大，且容易出現(xiàn)由于工作人員疏忽而沒(méi)有擰緊，從而產(chǎn)生觸電事故的危險(xiǎn)。彈簧壓緊式線(xiàn)夾安裝較為方便，但存在對(duì)不同線(xiàn)徑適應(yīng)性差，連接不牢固，在大風(fēng)作用下容易產(chǎn)生導(dǎo)線(xiàn)劇烈擺動(dòng)而脫落的危險(xiǎn)。

通過(guò)上述分析及施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)地調(diào)研了解到，如能設(shè)計(jì)一款新型線(xiàn)夾，其能結(jié)合彈簧壓緊式簡(jiǎn)易操作的優(yōu)點(diǎn)及螺旋壓緊式牢固不易脫落的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將能降低掛接操作不易的難題，同時(shí)提高接地裝設(shè)工作的安全性。通過(guò)對(duì)上述導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾的分析，確定主要的研究思路如下：在傳統(tǒng)的雙舌彈簧式導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合鑰匙扣開(kāi)合的原理，使新型的導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾能夠輕易上夾且不易脫落。線(xiàn)夾尾部增加的萬(wàn)向節(jié)[4]又能使線(xiàn)夾輕松逾越耐張塔絕緣子對(duì)導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行接地掛接，在保證工作人員安全的前提下實(shí)現(xiàn)可靠的掛接作業(yè)。

1.2 新型導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

新型導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾主要由U型夾、彈片、線(xiàn)卡、擋板、牽引繩和萬(wàn)向節(jié)[5]組成，其中：U型夾彎曲部頂面上開(kāi)有兩個(gè)對(duì)稱(chēng)布置的左凹槽和右凹槽，左凹槽用于放置左彈片，右凹槽用于放置右彈片，左彈片與右彈片呈八字形相向?qū)ΨQ(chēng)布置，其結(jié)構(gòu)與鑰匙扣開(kāi)合的結(jié)構(gòu)原理相同，左彈片與U型夾及右彈片與U型夾之間均設(shè)有復(fù)位彈簧，該復(fù)位彈簧為扭簧；擋板是線(xiàn)卡中間的連接板，擋板與U型夾之間也設(shè)置有復(fù)位彈簧，該復(fù)位彈簧為扭簧；擋板前端固定牽引繩，牽引繩為絕緣繩，牽引繩穿過(guò)夾體引至絕緣桿操作端；線(xiàn)卡為四邊形結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)頂角為圓弧形卡扣，用于托住高壓導(dǎo)線(xiàn)，整個(gè)線(xiàn)卡與U型夾通過(guò)銷(xiāo)連接，可在平行于U型夾側(cè)面的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)；萬(wàn)向節(jié)設(shè)置在U型夾的底端，與U型夾通過(guò)銷(xiāo)連接。

工作原理：工作時(shí)，對(duì)整個(gè)U型夾施加向下的作用力，使高壓導(dǎo)線(xiàn)與線(xiàn)卡的底部邊緣相接觸并同時(shí)開(kāi)始頂開(kāi)線(xiàn)卡。線(xiàn)卡開(kāi)始順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，線(xiàn)卡與U型夾之間的扭簧進(jìn)一步被壓縮，高壓導(dǎo)線(xiàn)側(cè)身挨著U型夾繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，然后進(jìn)入至左彈片和右彈片形成的八字形夾口內(nèi)。當(dāng)左右彈片與U型夾之間的扭簧達(dá)到壓縮最大值時(shí)，高壓導(dǎo)線(xiàn)的位置得以固定。與此同時(shí)，高壓導(dǎo)線(xiàn)與線(xiàn)卡便開(kāi)始松開(kāi)接觸，線(xiàn)卡在扭轉(zhuǎn)彈簧作用下逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直至回復(fù)到初始位置。此時(shí)，線(xiàn)卡頂部的圓弧形卡口便抵在高壓導(dǎo)線(xiàn)的下邊緣，使高壓導(dǎo)線(xiàn)不能向下運(yùn)動(dòng)，高壓導(dǎo)線(xiàn)的位置完全被固定，即使在大風(fēng)環(huán)境，導(dǎo)致高壓導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生舞動(dòng)，也能防止高壓導(dǎo)線(xiàn)從線(xiàn)夾中脫出。當(dāng)需要拆卸時(shí)，拉動(dòng)牽引繩，使線(xiàn)卡順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)線(xiàn)卡底邊轉(zhuǎn)至與U型夾側(cè)邊平行時(shí)，向上提起整個(gè)U型夾，高壓導(dǎo)線(xiàn)便可從U型夾中脫出，完成拆卸過(guò)程。

該結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：由于在U型夾上通過(guò)銷(xiāo)軸連接了可轉(zhuǎn)動(dòng)的線(xiàn)卡，線(xiàn)卡的下部側(cè)邊緣設(shè)成便于導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)入U(xiǎn)型夾內(nèi)的斜線(xiàn)，使高壓導(dǎo)線(xiàn)在不需要拉動(dòng)絕緣牽引繩便可頂開(kāi)線(xiàn)卡進(jìn)入兩彈片內(nèi)，使掛線(xiàn)操作變得簡(jiǎn)單。同時(shí)，線(xiàn)卡上部邊緣設(shè)有與導(dǎo)線(xiàn)相配的弧形卡口，使被兩彈片夾住的導(dǎo)線(xiàn)再被卡住，限制其向下運(yùn)動(dòng)，使高壓導(dǎo)線(xiàn)完全被固定。即使在大風(fēng)環(huán)境，甚至導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生舞動(dòng)，也能防止導(dǎo)線(xiàn)從線(xiàn)夾中脫出，這樣線(xiàn)夾就有了雙重的防脫落保護(hù)，從而保證施工中工作人員的人身安全和設(shè)備安全。另外，雙彈片和卡口的夾緊配合，能適應(yīng)不同的線(xiàn)徑，增加了工作的靈活性。

2 新型線(xiàn)夾裝置的應(yīng)力分析與材料選擇

2.1 U型夾和彈片之間的扭簧的設(shè)計(jì)計(jì)算[6,7]

設(shè)該扭簧的最小工作扭矩為T(mén)1=100N.mm，最大工作扭矩為T(mén)n=400N.mm，自由狀態(tài)下的角度為0φ=120°，工作扭轉(zhuǎn)角為0φ=45°，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該扭簧為 Ⅲ 類(lèi)彈簧，選碳素彈簧鋼絲B級(jí)，初步假設(shè)鋼絲直徑d=1mm～2mm，查得：

圖1 新型鑰匙扣式導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾

則許用彎曲應(yīng)力pσΒ：

鋼絲直徑d：

其中：Tn=400N.mm，曲度系數(shù)K1=1.15。

取標(biāo)準(zhǔn)值d=1.6mm，B級(jí)，查表可知，bσ=1570MPa，大于Bpσ=1252MPa，故安全。

彈簧圈數(shù)n：

其中：系數(shù)E=206×103mm，彈簧中徑D=10mm。

故，取整數(shù)值，n=6。

2.2 U型夾和擋板之間的扭簧的設(shè)計(jì)計(jì)算

設(shè)該扭簧的最小工作扭矩為T(mén)1=50N.mm，最大工作扭矩為T(mén)n=100N.mm，自由狀態(tài)下的角度為0φ=160°，工作扭轉(zhuǎn)角為0φ=60°，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該扭簧為 Ⅲ 類(lèi)彈簧，選碳素彈簧鋼絲B級(jí)，初步假設(shè)鋼絲直徑d=0.6mm～0.9mm，查得：，取bσ=1700MPa，則許用彎曲應(yīng)力pσΒ：

鋼絲直徑d：

其中：Tn=50N.mm（注：平列雙扭彈簧是直臂扭轉(zhuǎn)彈簧的兩個(gè)組合，故取其中一半進(jìn)行計(jì)算），曲度系數(shù)K1=1.15，取標(biāo)準(zhǔn)值d=0.8mm，B級(jí)。查表可知，，大于pσΒ=1360MPa，故安全。

彈簧圈數(shù)n：

其中：系數(shù)E=206×103mm，彈簧中徑D=8mm。

故，取整數(shù)值，n=7。

2.3 夾體材料的選擇

導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾作為長(zhǎng)距離的（5m左右）的操作對(duì)象，在材料方面需盡可能滿(mǎn)足以下要求：1）要求夾體材料重量盡可能輕，減少繁重的操作過(guò)程；2）作為夾持機(jī)構(gòu)，要求夾體要有足夠的強(qiáng)度；3）夾體材料作為導(dǎo)電體，必須具有良好的導(dǎo)電性和熱導(dǎo)率；4）由于夾體加工比較復(fù)雜且為了降低成本，希望材料價(jià)格低、易加工。綜合以上要求選擇鑄鋁合金ZAlSi7Cu4（ZL107）[8]。

ZL107為Al-Si-Cu系鑄造鋁合金，可熱處理強(qiáng)化。其力學(xué)性能優(yōu)于ZL104等鑄造鋁合金，但其鑄造工藝性能如流動(dòng)性及形成熱裂傾向卻比ZL102、ZL104要差。該合金的氣密性、焊接性及切削加工性好，但耐蝕性不高，所以需變質(zhì)處理。ZL107適用于鑄造形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣密性好和強(qiáng)度適中的零件，如機(jī)架、汽車(chē)汽缸蓋、內(nèi)燃機(jī)曲軸箱、柴油機(jī)汽化器零件以及電氣設(shè)備外殼、鋼琴蓋板等。

夾體材料為方形截面桿（如圖2所示），長(zhǎng)100mm，寬28mm，高18mm。承受軸向載荷F=100N的正向拉力，材料屈服強(qiáng)度sδ=125MPa，安全系數(shù)ns=1.5，對(duì)該桿進(jìn)行強(qiáng)度校核。

桿的橫截面上的正應(yīng)力為：

許用應(yīng)力為：

圖2 夾體材料方形截面桿

3 ADAMS仿真模擬

為了能在模型制作出來(lái)之前就獲得構(gòu)件的動(dòng)力學(xué)情況，避免出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能上的缺失或者出現(xiàn)受力過(guò)大的死點(diǎn)，對(duì)模型進(jìn)行仿真模擬[9～11]，檢驗(yàn)和分析模型的不足之處，便于為以后的優(yōu)化設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。

針對(duì)U型夾裝入導(dǎo)線(xiàn)的過(guò)程進(jìn)行仿真。導(dǎo)線(xiàn)固定不動(dòng)，U型夾向?qū)Ь€(xiàn)移動(dòng)，模擬人為將U型夾掛入導(dǎo)線(xiàn)的過(guò)程。將建好的三維立體模型導(dǎo)入ADAMS，對(duì)材料進(jìn)行定義。添加約束條件，給導(dǎo)線(xiàn)添加固定副，給U型夾添加移動(dòng)副并與大地連接，移動(dòng)副方向?qū)?zhǔn)導(dǎo)線(xiàn)方向，給U型夾和兩片彈片，U型夾和擋板彈舌均添加旋轉(zhuǎn)副。對(duì)模型進(jìn)行模擬仿真，仿真時(shí)間為3秒，步數(shù)為150步。導(dǎo)出相應(yīng)的碰撞接觸受力圖，如圖3～圖5所示。

1）彈片1和2的碰撞接觸力圖：

圖3 彈片受力圖

2）擋板彈舌碰撞接觸力圖：

圖4 彈舌受力圖

3）模擬仿真最后結(jié)果：

圖5 最終應(yīng)力分析圖

由上圖可知：

最大應(yīng)力σmax=66.994MPa

最小應(yīng)力σmin=1.775e.009MPa

又根據(jù)GB/T9438-1999《鋁合金鑄件》ZL107合金技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的單鑄試樣力學(xué)性能，可知屈服強(qiáng)度σ0.2=125MPa，而σmax<σ0.2，所以彈片和彈舌的應(yīng)力分布和變形均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文主要針對(duì)現(xiàn)有的普通導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾由于誤碰觸操作棒導(dǎo)致夾緊機(jī)構(gòu)失效、存在滑脫危險(xiǎn)、種類(lèi)形式單一、輸電線(xiàn)路檢修中裝拆困難等問(wèn)題，而設(shè)計(jì)了新型鑰匙扣式導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾裝置。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)及仿真分析可得出以下結(jié)論：

1）導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾導(dǎo)線(xiàn)夾體與接地棒之間安裝萬(wàn)向節(jié)，其角度可以根據(jù)檢修人員所站位置手持接地棒進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，這樣不僅保證了導(dǎo)線(xiàn)在工作過(guò)程中不脫落，而且增加了導(dǎo)線(xiàn)和線(xiàn)夾的良好接觸。

2）線(xiàn)夾采用鑄造鋁合金ZAlSi7Cu4（ZL107）材料，既滿(mǎn)足了動(dòng)穩(wěn)定性又保證了熱穩(wěn)定性的要求。

3）通過(guò)ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真，確定了擋板彈舌與彈片的強(qiáng)度均小于材料屈服強(qiáng)度，應(yīng)力分布和變形均在規(guī)定的范圍內(nèi)。

利用該新型鑰匙扣式導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾可以方便快捷地將接地線(xiàn)掛到耐張塔瓷瓶串外側(cè)的導(dǎo)線(xiàn)上，同時(shí)保證導(dǎo)線(xiàn)不易從線(xiàn)夾脫落，使線(xiàn)路停電檢修工作的掛接地線(xiàn)這一環(huán)節(jié)變得更加方便、安全。

[1] 王昌幼.可調(diào)式多角度導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾[J].廣西電力,2009,3:016.

[2] 王昌幼.新型可調(diào)式多角度導(dǎo)線(xiàn)端線(xiàn)夾的設(shè)計(jì)[J].電力學(xué)報(bào),2009,24(3):213-215.

[3] 虞澤.攜帶型短路接地線(xiàn)的改進(jìn)[J].云南電力技術(shù),2008,36(1):40-41.

[4] 劉松喜,陳杰.通用性接地裝置的研制及其應(yīng)用[J].電力設(shè)備,2008,9(10):71-73.

[5] Burek D E, Jones M D, Small W H. U-shaped universal grounding clamp:U.S.Patent 6,011,218[P].2000-1-4.

[6] 張宏濤,阮米慶.兩級(jí)扭桿彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008(1):52-54.

[7] 王延喜.彈簧鋼的應(yīng)力松弛行為研究[D].成都市:西南交通大學(xué),2012.

[8] 張志堅(jiān),司乃潮,劉光磊,等.ZAlSi7Cu4在不同工藝條件下的熱疲勞性能[J].特種鑄造及有色合金,2012,32(004):381-385.

[9] ADAMS 2005機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[10] 席俊杰.虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2007,28(11):19-22.

[11] 馮景華,吳南星,余冬玲.機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)及ADAMS的理論基礎(chǔ)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2004(2):17-19.