新型液壓式金具連接長度與壓強(qiáng)關(guān)系研究

董 罡

（國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會對電力能源的依賴愈發(fā)強(qiáng)烈［1］，架空導(dǎo)線是電能從發(fā)電端到受電端之間傳輸?shù)谋匾d體，因此發(fā)展新型架空輸電導(dǎo)線已逐步成為節(jié)能環(huán)保的重要途徑。近年來，碳纖維導(dǎo)線因其線損小、密度低等優(yōu)點(diǎn)得到了較為廣泛的應(yīng)用［2］。然而，在實(shí)際施工過程中，導(dǎo)線會受到較大的徑向壓力，碳纖維復(fù)合芯雖具有很好的抗拉性能，但其抗壓能力相對較弱，所以碳纖維導(dǎo)線曾發(fā)生過耐張線夾斷裂的情況［3］。因此碳纖維導(dǎo)線對連接金具的要求更為嚴(yán)格，朱健飛等人［4］分析了碳纖維導(dǎo)線材質(zhì)、工藝、運(yùn)行溫度和受力情況對金具特性的影響。傳統(tǒng)的楔形金具會在碳纖維導(dǎo)線芯棒上產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，劉洪正［5］嘗試采用新型液壓式金具，通過試驗(yàn)方法初步研究了新型金具的機(jī)械特性，該金具可采用壓接的方式進(jìn)行施工，以達(dá)到降低安裝過程中對芯棒損傷的目標(biāo)，然而其未深入探究新型液壓式金具連接區(qū)長度與壓接壓強(qiáng)之間的變化規(guī)律。

基于上述文獻(xiàn)中提及JLRX1／F2A-800／70新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線配套的新型液壓式金具 （耐張線夾與接續(xù)管），通過理論公式的推導(dǎo)，計(jì)算并討論其壓接區(qū)連接長度與壓接壓強(qiáng)之間的關(guān)系，進(jìn)而更加合理地分配金具的制造尺寸，為實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供參考，降低安裝和施工過程中的難度與成本。

1 金具連接長度與壓強(qiáng)的關(guān)系推導(dǎo)

1.1 相關(guān)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算

新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的配套液壓式金具是根據(jù)普通鋼芯鋁絞線金具的原理優(yōu)化而成。總體上，將碳纖維導(dǎo)線專用金具中的楔形內(nèi)襯管更換為平行壓接管，并采用液壓壓接的方法進(jìn)行施工，這在一定程度上便于產(chǎn)品的制造加工并能改善芯棒的受力情況。

為計(jì)算出金具所需要的握力大小，首先依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于型線同心絞碳纖維導(dǎo)線額定拉斷力的理論計(jì)算方法［6］，計(jì)算型號為 JLRX1／F2A-800／70新型碳纖維復(fù)合材料芯軟鋁絞線額定拉斷力，其公式為

式中：f1為碳纖維復(fù)合材料芯的拉斷力，采用復(fù)合材料芯標(biāo)稱面積與最小抗拉強(qiáng)度的乘積；f2為鋁部分的拉斷力，采用鋁標(biāo)稱面積與鋁單線最小抗拉強(qiáng)度的乘積。

通過式（1）計(jì)算得出 JLRX1／F2A-800／70 新型碳纖維導(dǎo)線的綜合拉斷力為240 kN。

根據(jù)GB／T 2314—2018《電力金具通用技術(shù)條件》，架空電力線路用壓縮型金具（耐張線夾、接續(xù)金具）預(yù)絞式接續(xù)金具和預(yù)絞式耐張線夾的握力與拉斷力之間的關(guān)系為：握力為拉斷力的95%［7］，則本文中金具的握力為228 kN。

1.2 模型與公式的建立

根據(jù)靜力學(xué)平衡分析，拉斷力與金具和導(dǎo)線之間的摩擦力相互抵消。而摩擦力大小可由壓接區(qū)的壓力值與摩擦系數(shù)的乘積計(jì)算得到，故通過確定摩擦系數(shù)，求得壓力值。由于摩擦系數(shù)隨物體之間的運(yùn)動狀態(tài)而改變，考慮臨界狀態(tài)即導(dǎo)線未被拉斷，同時導(dǎo)線與金具處于未滑動的臨界狀態(tài)，此時的摩擦系數(shù)為最大靜摩擦系數(shù)。通過該假設(shè)可以求得壓接區(qū)的壓力值大小。由于壓力值為壓強(qiáng)與接觸面積的乘積，將壓力值固定后，可以改變壓強(qiáng)取值來獲得壓強(qiáng)與接觸面積（壓接區(qū)長度）之間的關(guān)系，具體公式可表達(dá)為

式中：p為壓接過程中的壓強(qiáng)，MPa；R為對應(yīng)結(jié)構(gòu)的半徑，m；L 為壓接區(qū)的連接長度，m；Fp為壓力，N；FT為摩擦力，N；μmax為材料接觸面的最大靜摩擦系數(shù)。

通過以上假設(shè)及式（2），進(jìn)行新型液壓式耐張線夾與接續(xù)管的壓強(qiáng)和壓接區(qū)連接長度關(guān)系的研究，兩者模型如圖1和圖2所示。

圖1 新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線配套耐張線夾

圖2 新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線配套接續(xù)管

從圖1可以看出，耐張線夾的壓接區(qū)長度分為兩個部分：一部分是內(nèi)襯管與導(dǎo)線鋁包覆結(jié)構(gòu)的接觸長度L1；另一部分是外襯管與鋁絞線的接觸長度L2。

內(nèi)襯壓接管部分的數(shù)學(xué)關(guān)系為

式中：L1為內(nèi)襯管壓接鋁包覆的長度，m；rin為內(nèi)襯管的半徑，m；rc為碳芯的半徑，m；σc為碳纖維復(fù)合芯的最小抗拉強(qiáng)度，MPa；rbf為鋁包覆結(jié)構(gòu)的半徑，m；σal為鋁合金的最小抗拉強(qiáng)度，MPa。通過式（3）計(jì)算可以得到內(nèi)襯管壓接碳棒的長度L1。

類似地，外襯管壓接部分的數(shù)學(xué)關(guān)系可以表示為

式中：L2為外襯管壓接鋁絞線的長度，m；rout為外襯管的半徑，m；sal為鋁標(biāo)稱面積，m2。通過式（4）可以計(jì)算得到外襯管壓接導(dǎo)線的長度。

此外，由圖2可知，接續(xù)管的壓接區(qū)長度可分為3個部分：一部分是內(nèi)襯鋁管與導(dǎo)線鋁包覆的連接長度L3；另兩部分是外襯管與鋁絞線的接觸長度L4和L5。根據(jù)上述理論及結(jié)果，內(nèi)襯管部分的數(shù)學(xué)關(guān)系為

式中：L3為內(nèi)襯管壓接鋁包覆的長度，m；rin2為接續(xù)管內(nèi)襯管的半徑，m；sc為碳芯標(biāo)稱面積，m2；sbf為鋁包覆結(jié)構(gòu)面積，m2。通過式（5）計(jì)算可以得到接續(xù)金具中內(nèi)襯管壓接碳棒的長度L3。

同樣，外襯管壓接部分的數(shù)學(xué)關(guān)系可以表示為

式中：L4和L5為外襯管壓接鋁絞線的長度，m；rout2為外襯管的半徑，m。通過式（6）與（7）可以計(jì)算得到外襯管壓接導(dǎo)線的長度L4和L5。

2 理論計(jì)算結(jié)果與分析

基于上節(jié)中推導(dǎo)所得公式，分別計(jì)算耐張線夾和接續(xù)管連接長度與壓接壓強(qiáng)之間的關(guān)系，其中壓強(qiáng)的取值范圍為1～20 MPa。為更加清晰地觀察其變化規(guī)律，以壓強(qiáng)作為橫坐標(biāo)，以不同結(jié)構(gòu)壓接區(qū)長度作為縱坐標(biāo)，繪制針對新型液壓式耐張線夾的壓強(qiáng)和壓接區(qū)連接長度的關(guān)系曲線，如圖3所示。同時，為生產(chǎn)安裝時方便查詢，將新型液壓式接續(xù)管連接長度與壓強(qiáng)的計(jì)算結(jié)果匯總為表，結(jié)果如表1所示。

圖3 耐張線夾的壓強(qiáng)與壓接區(qū)連接長度關(guān)系

表1 新型液壓式接續(xù)管壓強(qiáng)與壓接區(qū)連接長度關(guān)系的計(jì)算結(jié)果

從新型液壓式金具壓接區(qū)連接長度與壓強(qiáng)的結(jié)果中可以看出，當(dāng)金具握力不變時，隨著壓強(qiáng)的增大，所需要的內(nèi)襯管與鋁包覆的壓接區(qū)連接長度L1和L3，以及外襯管與鋁絞線的連接長度L2，L4和L5都逐漸減小。同時，隨著壓強(qiáng)的不斷提高，壓接區(qū)長度的衰減速率有所降低，這對金具的結(jié)構(gòu)與壓接流程的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。由于液壓機(jī)與壓接器具的限制，在實(shí)際操作過程中不能一次性壓接整套金具，若能在一定程度上提高壓強(qiáng)的大小，則可以達(dá)到減小壓接區(qū)長度的目的，這不僅能減少制造金具所需要的材料，提升其經(jīng)濟(jì)性，更能縮短安裝和施工的時間，提高工作效率。

3 結(jié)語

以型號JLRX1／F2A-800／70新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線配套的新型液壓式金具為研究對象，對其壓接區(qū)的連接長度與液壓壓強(qiáng)之間的關(guān)系進(jìn)行了理論公式的推導(dǎo)與計(jì)算，新型液壓式耐張線夾與接續(xù)管的壓接區(qū)連接長度隨著壓強(qiáng)的增大逐漸減小。

與傳統(tǒng)的楔形金具相比，該新型液壓式金具的結(jié)構(gòu)較為簡化，將新型液壓式金具的壓強(qiáng)與對應(yīng)的連接長度匯總為圖表，為該金具的設(shè)計(jì)制造與施工安裝提供了參考。