異形齒輪高空接線鉗設(shè)計與仿真分析

曾星宏，張耀山，陳光

（超高壓輸電公司南寧局，廣西南寧530021）

異形齒輪高空接線鉗設(shè)計與仿真分析

曾星宏，張耀山，陳光

（超高壓輸電公司南寧局，廣西南寧530021）

高空接線測試設(shè)備是電力部門進行預(yù)防性試驗和狀態(tài)檢修測試所使用的一種必要裝備，其性能的優(yōu)劣將直接決定試驗過程的安全性、準(zhǔn)確性及效率。針對現(xiàn)有接線鉗存在的一些問題，設(shè)計出一款基于異形齒輪的新型高空接線鉗，對其整體結(jié)構(gòu)和工作原理進行了介紹，對關(guān)鍵部件進行了應(yīng)力分析和材料的選擇，研究結(jié)果表明：該高空接線鉗結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，能滿足工作要求，同時減輕了工作人員的勞動強度。

異形齒輪；高空接線鉗；應(yīng)力分析；仿真分析

隨著科技的進步，電力事業(yè)的發(fā)展也越來越快，電力檢修任務(wù)也日益加重，其中牽涉對電氣設(shè)備進行接觸電阻、回路電阻、電流互感器（TA）等高空及接電試驗。在這些位置較髙、不能直接接觸到的電氣設(shè)備進行試驗時，就需要使用高空接線鉗進行試驗工作［1，2］。使用高空接線鉗可以提高現(xiàn)場作業(yè)人員的安全系數(shù)，降低勞動強度以及提高工作效率，所以高空接線鉗已經(jīng)成為電力部門必不可少的工具?，F(xiàn)有的高空接線鉗存在諸多缺點：一是上、下鉗口在同一直線上，操作時下鉗口往往遮擋上鉗口從而妨礙操作者把接線鉗勾掛到高空中的高壓線，導(dǎo)致操作困難；二是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件數(shù)較多，整體重量大，舉桿連接導(dǎo)線時容易晃動，重心不穩(wěn)，容易發(fā)生傾覆，存在安全隱患；三是接線過程費時費力［3］。針對現(xiàn)有高空接線鉗存在的問題，本文設(shè)計了一款基于異形齒輪的新型高空接線鉗。

1　高空接線鉗的工作環(huán)境

高空接線鉗的工作環(huán)境非常復(fù)雜，測試地點通常為野外，有平原地區(qū)，也有海拔較高的山地。接線鉗工作對象是高壓線，需要工作人員將其高舉6～8 m勾掛到高壓電線上并帶電作業(yè)，而我國絕大部分地域為亞熱帶氣候，常年伴隨有較強的季風(fēng)，從而使高壓線產(chǎn)生隨機性的舞動干擾測試工作，這些因素?zé)o疑給作業(yè)人員帶來一定的安全隱患，高海拔地區(qū)更使得安全隱患加倍［4］?？梢?，性能優(yōu)異、操作簡便的高空線路檢測設(shè)備對于目前任務(wù)繁重、人手不足的電力部門來說具有非常重要的意義。

2　異形齒輪高空接線鉗的整體結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1異形齒輪高空接線鉗的整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，異形齒輪高空接線鉗包括：鉗座、上鉗口、異形齒輪下鉗口、齒條、絕緣桿、棘輪勾與扭轉(zhuǎn)彈簧。上鉗口焊接在鉗座上部，異形齒輪下鉗口位于上鉗口正下方并鉸接于鉗座上，上、下鉗口之間形成與高壓線相匹配的夾口；鉗座上安裝有與異形齒輪嚙合的齒條并設(shè)有位移限制機構(gòu)；鉗座上還安裝有用于向上推動異形齒條的絕緣桿。

圖1　異形齒輪高空接線鉗結(jié)構(gòu)示意圖

2.2異形齒輪高空接線鉗的工作原理

異形齒輪接線鉗的工作原理是利用齒輪齒條嚙合將直線運動轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)鉗口的開合。其工作過程如下：檢測時，將絕緣桿向上推動，在力的作用下，鉗座上的棘輪機構(gòu)被打開，接線鉗解鎖，齒條向上移動，使得與齒條嚙合的異形齒輪順時針滾動，帶動下鉗口向下翻轉(zhuǎn)，從而使鉗口打開至最大；將接線鉗高舉并使上鉗口勾掛在高壓電線上，向下拉絕緣桿，使齒條向下移動，迫使異形齒輪逆時針滾動，使上鉗口和下鉗口閉合，此時鉗座上的棘輪機構(gòu)將限制齒條向上移動，鎖住下鉗口，使接線鉗牢牢的夾緊電線。此時可以進行檢測工作，當(dāng)檢測工作完成后，推動絕緣桿向上運動，在力的作用下，鉗座上的棘輪機構(gòu)被打開，接線鉗解鎖，齒條向上移動，迫使與之嚙合的異形齒輪順時針滾動，從而使鉗口打開，取下高空接線鉗，工作結(jié)束。

本設(shè)計方案的優(yōu)點：

（1）過齒輪齒條嚙合，把絕緣桿的直接垂直運動轉(zhuǎn)化為下鉗口的轉(zhuǎn)動，鉗口開口角度可達56°，有效避免了開口過小引起的視線遮擋問題。這一創(chuàng)新給操作人員提供了很大的便利，很大的提升了工作效率。

（2）結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷，只需向下拉絕緣桿以及向上推絕緣桿就可以完成所有的工作。

（3）工作可靠性提高，零件少，加工成本低廉，可行性高。

（4）省時省力。齒輪、單向齒條嚙合本身帶有一定杠桿特性，當(dāng)上鉗口勾掛到高壓線上后絕緣桿的自重會成為上鉗口與下鉗口閉合的動力，可減輕工作人員的勞動強度。

3　異形齒輪高空接線鉗的關(guān)鍵幾何參數(shù)設(shè)計及應(yīng)力分析

3.1異形齒輪高空接線鉗的關(guān)鍵幾何參數(shù)設(shè)計

國內(nèi)的高壓線多采用鋼芯鋁絞線，其外徑尺寸為：18 mm～51.5 mm的不同型號［5］。本文以外徑為30 mm的高壓線為基準(zhǔn)進行設(shè)計，由高壓線的外徑確定上、下鉗口夾緊高壓線后的相對距離為30 mm，由此可知齒輪半徑最大不能超過30 mm，考慮到接線鉗的整體重量，以及接線鉗的整體尺寸，根據(jù)齒輪分度圓直徑計算公式：

D=mz

選取齒輪，齒條模數(shù)m=2，齒數(shù)z=20.將建好的各零件三維模型裝配，在三維軟件中進行調(diào)試確定齒條所需長度以及其它尺寸。鉗座高度主要由上、下鉗口張開角度和齒條的長度確定。如圖2所示，在接線鉗鉤掛到高壓線的過程中當(dāng)上、下鉗口夾角剛好為56°時，下鉗口不遮擋上鉗口的視線。接線鉗主要尺寸參數(shù)如表1所示。

圖2　上、下鉗口打開結(jié)構(gòu)示意圖

表1　異形齒輪高空接線鉗主要尺寸參數(shù)

3.2異形齒輪高空線鉗建模

本文運用SolidWorks軟件進行建模，由于上、下鉗口上用于除銹的鋸齒不影響整體的結(jié)構(gòu)強度，而在劃分網(wǎng)格過程中會對網(wǎng)格質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，因此，在建立仿真模型時為了減少計算量而忽略這些鋸齒。另外，在夾持高壓線的過程中，從總體的受力上看，該接線鉗強度最薄弱的地方在異形齒輪和齒條的嚙合齒之間，為了減少計算量將模型進行簡化，進行應(yīng)力分析時只對異形齒輪和齒條進行應(yīng)力分析。接線鉗的三維模型如圖3所示。

圖3　接線鉗三維模型（整體）

打開插件COSMOSWorks，建立網(wǎng)格類型為實體網(wǎng)格，分析類型為靜力學(xué)分析。模型建立的步驟為：

（1）定義材料：接線鉗作為長距離的（6 m左右）的操作對象，要求鉗體材料盡可能的輕，而作為夾持機構(gòu)又要求鉗體有足夠的強度，而且作為導(dǎo)電體，鉗體必須有良好的導(dǎo)電性和熱導(dǎo)率。同時由于鉗體加工比較復(fù)雜，這樣就要求材料易加工，且為了降低成本，希望材料來源豐富，價格低。綜合以上要求選擇鑄鋁合金ZAlSi7Cu4（ZL107）［6］。該合金的氣密性、焊接性及切削加工性好，但耐蝕性不高，需變質(zhì)處理。材料定義后，其中的泊松比、彈性模型、密度等信息自動賦予相應(yīng)的零部件；

（2）定義載荷/約束：在齒條的下表面定義固定約束，在異形齒輪的軸孔定義鉸鏈約束，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，夾持力不小于100 N，所以在異形齒輪的夾持面定義一個大小為100 N的夾持反作用力；

（3）定義接觸/縫隙：在齒輪、齒條的傳動中，通常是兩個齒同時嚙合，因此在異形齒輪和齒條之間定義兩個接觸面組；

（4）網(wǎng)格劃分：為了獲得較高質(zhì)量的網(wǎng)格，在異形齒輪和齒條嚙合的兩個齒附近定義網(wǎng)格控制，同時，網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置為良好，進行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4　網(wǎng)格劃分模型

3.3異形齒輪高空線鉗的仿真分析

仿真結(jié)果如圖5和圖6所示，其中，圖5是異形齒輪和齒條的應(yīng)力圖，圖6是異形齒輪和齒條的位移圖。從圖6可以看出，異形齒輪和齒條的最大應(yīng)力為4.374 MPa.

圖5　應(yīng)力圖

圖6　位移圖

查機械手冊知，ZAlSi7Cu4（ZL107）的屈服強度δs＝125 MPa，安全系數(shù)ns＝1.5.滿足強度要求［7］。從圖5可知，下鉗口最大變形量為0.008 8 mm，變形非常微小，接線鉗不會脫落，滿足設(shè)計要求。

4　結(jié)束語

本文對傳統(tǒng)高空接線鉗進行改進和完善，基于異形齒輪齒條嚙合設(shè)計了一款新型的高空接線鉗，并對接線鉗的關(guān)鍵幾何參數(shù)進行了設(shè)計，同時進行了仿真分析。物理樣機如圖7所示。試驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的新型高空接線鉗操作簡便，能滿足工作要求，同時減輕了工作人員的勞動強度。

圖7　物理樣機

［1］董國威，宋根華.新型升降式高空接線鉗的研制及應(yīng)用［J］.安徽電力，2014，（3）：70-74.

［2］陳鳳銀，田保坤，趙飛桃.便攜式角度可調(diào)電力高空測試鉗的改進［J］.電氣設(shè)備，2014，（7）：82-86.

［3］李昌兵，周子明，安平月.伸縮式高空試驗接線器田.農(nóng)村電氣化，2012，（6）：44-46.

［4］高代勇，馬永勇，彭滄鈿，等.淺析高海拔地區(qū)10 kV配電線路帶電作業(yè)風(fēng)險［J］.科技與創(chuàng)新，2016，（3）：58-61.

［5］陳叔剛.超高壓輸電線路運行與檢修實用教程［M］.北京：中國電力出版社，2014.

［6］張志堅，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.

［7］李潔，李駿帶.機械設(shè)計手冊［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

Simulation Analysis of Special-Shaped Gear High Altitude Wiring Clamp

CENG Xing-hong，ZHANG Yao-shan，CHEN Guang
（Bureau of Nanning Extra-high Voltage Power Transmission Company，Nanning 530004，China）

High altitude wiring test equipment is preventive test of power department and the state overhaul test used by a kind of essential equipment and the pros and cons of its performance will directly determine the safety，accuracy and efficiency of its test.Aiming at some problems of the existing terminal clamp，designed a specialshaped gear high altitude wiring clamp.Introduced of its overall structure and working principle.Analysed the stress and select material on the key components.The results show that:the structure of the high-altitude wiring clamp was simple and the operation of it is convenient.It can satisfy the working requirements and reduce the labor intensity of the workers at the same time.

special-shaped gear；High altitude wiring clamp；stress analysis；simulation

TM452

A

1672-545X（2016）08-0110-04

2016-05-05

曾星宏（1972-），男，廣西岑溪人，高級工程師，工學(xué)碩士，主要從事變電檢修工作。