以ADAMS為平臺的張力架線動態(tài)仿真分析

肖 琦，趙海玲，盧 帥，閆 賓

(1.東北電力大學 建筑工程學院，吉林 吉林 132012；2.山東泰開互感器有限公司，山東 泰安 271000；3.國網(wǎng)新源控股有限公司技術中心，北京 100000)

以ADAMS為平臺的張力架線動態(tài)仿真分析

肖 琦1，趙海玲1，盧 帥2，閆 賓3

(1.東北電力大學 建筑工程學院，吉林 吉林 132012；2.山東泰開互感器有限公司，山東 泰安 271000；3.國網(wǎng)新源控股有限公司技術中心，北京 100000)

張力架線施工作為輸電線路施工的重要環(huán)節(jié)，必須保證其安全高效的完成作業(yè)，但其作業(yè)面積大無法進行全程實驗。利用ADAMS虛擬樣機技術，對張力架線系統(tǒng)進行仿真模擬，采用Bushing軸套力連接方法和宏命令語言完成導線、牽引繩的建模。通過將模型簡化為一牽二的架線形式并利用腳本仿真控制接觸力的數(shù)目來實現(xiàn)速度的優(yōu)化，提取導線、牽引繩的軸向速度和動態(tài)張力，得到導線嚙入、嚙出滑輪的接觸力曲線，便于直觀分析導線與滑車接觸力的變化。最后將仿真理論值與實際施工中采用的實驗值進行比較分析，驗證了模型的正確性。在此基礎上分析導線、牽引繩的動態(tài)張力，為工程實際提供理論依據(jù)。

輸電線路；張力架線系統(tǒng)；ADAMS虛擬樣機；導線；牽引繩；動態(tài)張力

隨著電網(wǎng)建設、特高壓架空輸電線路建設技術的成熟，建設特高壓電網(wǎng)與各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的智能電網(wǎng)變得刻不容緩[1]。架線工序是輸變電線路能夠順利運行的重要一步，目前特高壓建設多采用多分裂大截面導線，影響該導線安全展放的因素眾多，由于不能進行具體的真型實驗，只能依靠人工計算得出基本數(shù)據(jù)，且在施工過程中多以經(jīng)驗為主。大截面導線比一般導線的線密度大，放緊線張力大。在牽引設備開啟加速和減速的過程中，牽引繩和導線的動態(tài)軸向力有很大的改變，對整個架線體系產(chǎn)生不小的沖擊，影響整個架線過程的穩(wěn)定。由于不能準確確定架線過程中各點的張力大小，可能會造成施工中的資源浪費或?qū)撛谖ｋU的判斷不足。目前，國內(nèi)研究輸電線路張力架設的仿真系統(tǒng)，主要是參數(shù)計算、對DWG圖形文件的處理，側(cè)重于將2D轉(zhuǎn)換為3D[2]。國外在研究架線動態(tài)仿真系統(tǒng)時，由于機械化水平和施工方式的差別，只能作為參考經(jīng)驗[3]。對于張力架線系統(tǒng)中牽引繩、導線的動態(tài)特性以及牽引板通過滑車時造成的沖擊，目前研究甚少。所以，對架線工序進行動力學仿真模擬，可以彌補研究現(xiàn)狀的不足，全面掌握導線和牽引繩的動態(tài)特性，研究現(xiàn)實工程中導線、牽引繩動態(tài)軸向力的變化情況和動載系數(shù)，對于更精準的調(diào)整牽引力，實現(xiàn)牽引機工作的自動化有重要意義。

1 張力架線系統(tǒng)仿真模型構建

1.1 放線滑車和牽引板的建模

張力架線由牽引設備提供牽引力和制動張力，導線通過懸掛于桿塔上的滑輪依次展放到整個線路上。在展放過程中導線會多次通過放線滑車，架線完成后導線會在滑車上停留，進行緊線工序。導線可能會在風力等作用下在滑車中移動。導線在通過滑車時會被彎曲、拉伸，產(chǎn)生層間、股間的相互摩擦。牽引板是牽引鋼絲繩和導線間的連接板，可實現(xiàn)多根導線同時展放。ADAMS軟件提供了與Pro/E無縫連接接口Mech/Pro，利用Pro/E強大的建模和裝配功能[4]，在Pro/E中建立三輪放線滑車型，如圖1所示；牽引板模型，如圖2所示。

圖1 Pro/E中三輪放線滑車模型

圖2 Pro/E中一牽二牽引板模型

1.2 導線和牽引繩的建模

圖3 兩圓柱微段之間受力模型

ADAMS中繩索類的建模對整個仿真的影響至關重要，應根據(jù)所要建模型的特點選擇合適的建模方法。文獻[5]所描述的用齒輪齒條副近似代替鋼絲繩的方法，雖可獲得比較不錯的仿真速度，但不能完成鋼絲繩的纏繞要求。文獻[6]中提及的ADAMS/Cable模塊可輕松設置模型參數(shù)和建模類型，方便快速地建立滑輪組系統(tǒng)的鋼絲繩模型，但是針對本模型而言，ADAMS/Cable模塊卻不能實現(xiàn)繩索脫離滑輪。相比而言，目前最為適合本模型的建模方法為Bushing軸套力[7，8]連接模型，即將導線和牽引繩離散為若干段小圓柱體，再用Bushing連接并分別與牽引板連接，進行裝配。最后分別添加導線、牽引繩和張力輪、放線滑車、牽引輪的接觸，以及牽引板和放線滑車的碰觸。軸套力連接考慮了導線和牽引繩的拉伸、剪切、扭轉(zhuǎn)等特性。

ADAMS/View提供的Bushing連接，可對柔性連接的剛性系數(shù)、阻尼系數(shù)等進行定義，通過確定3個力分量{Fx、Fy、Fz}和3個力矩分量{Tx、Ty、Tz}，在兩個構件之間施加一個柔性力[9，10]。采用Bushing軸套力連接方式連接兩圓柱微段的受力模型如圖3所示。

(1)

添加軸套力時，在兩個相互作用的小圓柱體微段的力作用處分別建立i，j兩個標記點。式中，Ri、θi分別為第一小圓柱段上的I-Marker坐標系相對于第二小圓柱段上的J-Marker坐標系的相對位移和相對角位移；vi、wi分別為I-Marker相對J-Marker坐標系的相對速度和相對角速度；Fi0、Ti0、K、C分別為初始力、力矩、剛性和阻尼系數(shù)。

軸套力的反作用力公式如下：

Fi=-Fj，

(2)

Ti=-Tj-δFi.

(3)

由上述公式可知，作用于兩個小圓柱體微段之間的柔性力與微段間的相對位移、相對角位移、相對速度和相對角速度有關，要使導線和牽引繩的形變、振動等特性以及動力學特征符合實際工程，就需確定Bushing軸套力的相關參數(shù)(K、C等)。拉伸、剪切、扭轉(zhuǎn)及彎曲的剛度系數(shù)計算公式如下：

(4)

式中：導線和牽引繩彈性模量E分別取55.0 GPa、181.4 GPa；導線和牽引繩的剪切模量G分別取21.5 GPa、69.8 GPa。導線和牽引繩的截面積A分別為6.7373×10-4m2、7.84×10-4m2。導線和牽引繩小圓柱微段的長度L分別取1 m。I和d分別為導線和牽引繩的慣性矩和直徑。

本模型為一牽二張力架線模型，其中導線共兩根，分別長320 m；牽引繩一根長282 m。牽引繩和導線分別由直徑不同長度為1 m的小圓柱體微段構成，共922段，919個軸套力。拉伸阻尼因子因其對整個體系的運動性能影響較小，故不做修改。扭轉(zhuǎn)阻尼因子對運動影響較大，根據(jù)工程的實際情況從1-10之間選取[11-12]。模型中part太多，故采用ADAMS/View命令語言完成導線和牽引繩的建模。張力架線系統(tǒng)模型見圖4。

圖4 張力架線模型圖

2 張力架線系統(tǒng)仿真模型的驗證

2.1 牽、導線軸向張力理論計算算例

圖5 任意地形張力放線示意圖

本文以淮上線某標段H080-H081號塔為算例，進行牽引繩、導線的軸向張力計算。#1塔為直線跨越塔，#2塔為耐張塔，實際工程采用2×一牽四方式放線，在模擬中考慮到計算機的計算能力采用一牽二的架線方式進行模擬。#1塔左邊布置為張力場，#2塔右邊布置為牽引場。牽引速度為1 m/s。在任意張力放線示意圖5中，計算牽、導線的軸向張力時采用懸鏈線的方法得出牽引繩軸向張力、牽引機牽引輪與張力機制張力之間的關系式。

#i號桿塔滑輪左側(cè)牽引鋼繩軸向張力：

(5)

#i號桿塔滑輪右側(cè)牽引鋼繩軸向張力：

(6)

#i號桿塔滑輪左側(cè)導線總軸向張力：

Tii=mεi-1+mw(εi-1h1/cosφ1±εi-2h2/cosφ2±…h(huán)i/cosφi) .

(7)

#i號桿塔滑輪右側(cè)導線總軸向張力：

(8)

式中：TT為張力側(cè)每根導線的軸向張力；m為導線根數(shù)；w為每根子導線單位長度自重；w0為牽引鋼繩單位長度自重；ε、ε0分別為滑輪對導線和牽引繩的阻力系數(shù)，各取1.015；φi為#i號檔兩懸掛點高差角；hi為#i號檔懸掛點高差，牽引側(cè)懸掛點高于張力側(cè)懸掛點時，其前的“±”號只取“+”號；反之取“-”號。

圖6 維持一定高度導線的水平張力

在架線過程中，會經(jīng)常遇到放線檔距中的某位置需跨越障礙物，確保所架線路與已建線路或其他障礙物保持安全距離[13],如圖6所示。維持距懸掛點B水平距離為n處的導線對地高度滿足要求時所需的水平放線張力H的公式如下：

(9)

式中，H為所需的導線水平放線張力；ω為導線單位長度自重力；l為線檔的檔距；h為檔距兩側(cè)掛點高差；N為牽引側(cè)掛點與地面的距離；n右側(cè)(牽引側(cè))掛點與某障礙物的水平距離；y為導線與障礙物的凈空垂直距離。#i號檔導線的水平張力Hi與張力機的對應制張力TTi的近似關系公式如下：

(10)

(11)

式中，l1，l2，l3為1，2，3…號檔的檔距；φ1，φ2，…，φi為1，2，…i號檔的懸掛點高差角；F為#i號檔導線牽引側(cè)平視弧垂。

表1 牽引繩、導線軸向張力、牽引機牽引力、張力機張力表格(KN)

表2 布線計算表格

模擬仿真結(jié)束后，提取牽引繩和導線任意一小圓柱微段，驗證其軸向速度是否和實際吻合,如圖7、8所示。導線在通過#1、#2桿塔時，需滿足對跨越物的安全高度。經(jīng)計算，模型中導線需要滿足跨中60 m處對跨越線路的安全高度至少20 m。最后，驗證導線、牽引繩的軸向張力是否符合工程實際要求。

圖7 牽引繩軸向牽引速度

圖8 導線展放速度

本文分別提取了導線始端Part320和張力側(cè)出口處Part216、Part916的y軸方向中心Marker點的坐標，如圖9、圖10。

圖9 導線part320

圖10 導線part216、part916

在ADAMS/Postprocessor中提取小圓柱微段的Bushing軸套力。牽引繩分別提取了Bushing479、509、614、631；導線分別提取了Bushing149、189、216、1013、1019。牽引繩的軸向張力如圖11，導線的軸向張力圖如12。

圖11 牽引繩軸向張力

圖12 導線軸向張力

2.2 張力架線模型軸向張力理論分析

根據(jù)牽引繩和導線的軸向速度可知與實際施工的牽引速度吻合，牽引繩和導線的軸向速度滿足要求，且在剛開始牽引的瞬間，軸向波動較大，隨著時間的增加，牽引速度變得穩(wěn)定，維持在1 m/s的速度。在牽引板經(jīng)過#1、#2桿塔的放線滑車時，由于牽引板和滑車的碰撞，速度會發(fā)生波動。因此，在初始牽引時要緩慢提升牽引速度，在牽引板接近放線滑車時適當減小牽引速度，以使牽引板平穩(wěn)過渡，順利完成導線展放。經(jīng)計算，Part320、Part216和Part916分別經(jīng)過83.3 s和164.2 s到達被跨線路處。提取微段位移曲線上對應時間點的高度值分別為34.8 m、35.2 m，滿足展放導線對地高度要求。

表3 各位置張力計算值與仿真值比較

由上述牽引繩和導線各點隨時間變化的軸向張力圖，可讀取某時刻的軸力值。將實際施工中的計算值與動力學仿真的結(jié)果中相應位置處的數(shù)值進行分析比較。實驗計算值與仿真值的比較如表3所示。由表3可知計算值與仿真值的誤差控制在5%左右。

由上述牽引繩和導線的Bushing軸套力圖，可得到導線、牽引繩在放線過程中的動態(tài)張力變化趨勢，得到最大軸力的時間點，如牽引繩Bushing 509在30.2 s軸向張力達到43.08 kN，從而找出波動的規(guī)律。通過對架線仿真系統(tǒng)的全面觀察，提取導線、牽引繩的張力值可發(fā)現(xiàn)牽引繩和導線在接近滑輪兩側(cè)時張力值增大發(fā)生波動。因此在實際工程中應在張力最大值處多加觀察，杜絕意外的發(fā)生。其次，在初始牽引階段，軸力會有較大的波動，主要因為導線由靜態(tài)通過施加牽引力產(chǎn)生牽引加速度，運動形式出現(xiàn)了變化。由于該工程中導線為大截面導線，自重大，且架線檔距較大，所需要的牽引力和制動張力相應增大，在仿真起始階段的0 s-10 s內(nèi)，動態(tài)張力波動較大，又因為距離#1塔較近，約20 s左右到達放線滑車，所以在通過#1塔之前波動一直持續(xù)，牽引繩瞬時最大動態(tài)張力可達到51.25 kN，導線瞬時最大動態(tài)張力可達25 kN。初始階段穩(wěn)定性較差，會影響整個架設系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故在開始放線時，應該控制好牽引速度，逐步增大牽引力，使瞬態(tài)張力降至最小。

綜上所述，一牽二的張力架線系統(tǒng)模型經(jīng)驗證正確可行，可以得出導線和牽引繩在牽引過程中的動態(tài)張力變化，彌補了傳統(tǒng)理論公式只針對桿塔兩側(cè)位置成立的缺點，采用動態(tài)仿真形式，可以觀察架線全程的變化，得出導線、牽引繩的速度、加速度、軸向張力以及對地安全高度等。而且，張力架線仿真形象生動，以動畫、圖表、數(shù)據(jù)等多種形式呈現(xiàn)出來，有利于更加直觀的為工程實際服務。

3 結(jié) 論

通過對ADAMS二次開發(fā)的研究，選擇了最適合本模型導線、牽引繩的建模方法Bushing軸套力連接，為一牽二架線形式的順利完成提供了保障，獲得了導線、牽引繩動張力隨時間的變化及其他特性，且模型的可靠性和有效性通過與實際施工中的計算數(shù)據(jù)得以驗證。主要結(jié)論有以下兩點：

(1)利用ADAMS二次開發(fā)功能，通過編制Macro命令語言，完成導線、牽引繩的快速建模。通過簡化模型、控制接觸力數(shù)量、編制ADAMS/Slover仿真腳本，大大提高了仿真速度。

(2)一牽二張力架線系統(tǒng)模型，可全面觀察整的放線過程，體現(xiàn)了導線、牽引繩的動態(tài)特性，還可精準得出各個時間段的張力值大小和位置，方便更好的指導工程實際。

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The Dynamic Analysis of tension stringing in Transmission Based on ADAMS

XIAO Qi1，ZHAO Hai-ling1，LU Shuai2，YAN Bin3

(1.Architecture Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.Shandong Taikai tansformers limited company，Taian Shandong 271000；3.Technology Center State Grid XINYUAN Company LED.，Beijing 100000)

Tension stringing is taking an important part in transmission project.It must to be ensured its safety and efficiency.But due to the large operating area，it is difficult to make the whole experiment.In this paper，taking the advantage of ADAMS，completed the model of the tension stringing construction and used the way of Bushing to complete the model.And accelerate the time by using ADAMS software secondary development function and the simplified model.Finally，extracted the bushing force of the conductor and the overhead conductor tension and obtained the contact force curve，which is easy to intuitive analysis the contact force changes of the wire and the pulley.Finally，compare the hand calculated results with the results in the constriction，which verified the correctness of the model.Based on the above results，analyzed the dynamic tension of the wire and summarized the tension stringing process.Give the reasonable advice and practical reference for the project.

Transmission；Tension stringing system；ADAMS virtual prototyping；Overhead conductor；Traction rope；Dynamic tension

2016-04-12

肖 琦(1962-)，女，吉林省吉林市人，東北電力大學建筑工程學院教授，碩士，主要研究方向：輸電線路防災減災、輸電線路及桿塔結(jié)構設計理論及設計方法.

1005-2992(2016)06-0077-07

TP29

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