探討大截面碳纖維導(dǎo)線卡線器夾嘴優(yōu)化設(shè)計

徐小茹　劉康文

摘要：卡線器夾嘴的長度是決定導(dǎo)線卡線器尺寸與重量的重要因素，同時也會對夾持導(dǎo)線是否存在損壞問題產(chǎn)生重要影響。夾嘴的長度一般以導(dǎo)線直徑與放大倍數(shù)的乘積以及試驗證法等方式來進行檢測，但這些檢驗方式存在一定的理論支撐欠缺的問題，會在一定程度上降低檢測結(jié)果的可靠性?；诖耍瑸榱颂岣呖ň€器尺寸確定及質(zhì)量控制的效果，為了確保被夾持導(dǎo)線形態(tài)質(zhì)量的完整性，本文將以大截面碳纖維導(dǎo)線為例，在分析其結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上，結(jié)合實驗對其芯棒徑向耐壓強度進行分析，并結(jié)合仿真結(jié)果對適用于大截面碳纖維導(dǎo)線的凱賢妻夾嘴進行優(yōu)化設(shè)計，為卡線器及其夾嘴的設(shè)計提供支持。

關(guān)鍵詞：大截面;碳纖維導(dǎo)線;卡線器;夾嘴

引言

導(dǎo)線卡線器是用于架空線路等施工中的一種工具，它能夠在架空線路工作中的松緊導(dǎo)線流程中發(fā)揮出自動夾緊導(dǎo)線，以為后續(xù)拆裝工作提供良好的聯(lián)結(jié)作用。近年來，我國電力發(fā)展迅速，輸電導(dǎo)線也隨之得到了更大程度的研發(fā)與應(yīng)用，目前我國特高壓交流施工工程中所用的導(dǎo)線卡線器主要有兩種類型，兩種類型的卡線器都采用的是平行移動型的結(jié)構(gòu)，雖然取得了一定的應(yīng)用成效，但具有重量過重，實際施工中操作難度大等不足。夾嘴長度作為絕對導(dǎo)線卡線器重量及尺寸的一大因素，可通過不斷優(yōu)化卡線器夾嘴的長度來達到降低卡線器的重量，從而進一步提高施工效率。

一、常用平行移動式卡線器工作原理

平行移動式卡線器與夾嘴之間用的是銷軸進行連接和固定，壓板、上夾嘴、壓板等使用銷軸進行連接并組成連桿結(jié)構(gòu)。卡線器上有一個拉環(huán)，是打開夾嘴的重要工具，導(dǎo)線放進夾嘴之后拉緊拉環(huán)即可實現(xiàn)導(dǎo)線夾持?？ň€器其實是一種四連桿結(jié)構(gòu)，拉環(huán)在受到橫向拉力后，會通過四連桿結(jié)構(gòu)向夾嘴傳遞并轉(zhuǎn)化成一種正壓力并施加給導(dǎo)線。在這一結(jié)構(gòu)中，四連桿機構(gòu)發(fā)揮著重要的放大力作用。夾嘴在夾持導(dǎo)線的過程中會產(chǎn)生摩擦力，必須保障該摩擦力對導(dǎo)線夾持時的穩(wěn)定性與可靠性，避免導(dǎo)線不會因為摩擦力出現(xiàn)破損等問題。要達成這一目的，夾嘴的長度必須合理控制，既不能過短也不能過長，過長會導(dǎo)致卡線器尺寸過長、重量過大，從而導(dǎo)致導(dǎo)線卡線器的搬運及移動的難度增加。

導(dǎo)線所受壓應(yīng)力和夾嘴的長度之間存在反比例關(guān)系，因此在指導(dǎo)導(dǎo)線所受壓應(yīng)力的基礎(chǔ)上，就能夠明確計算出夾嘴的長度。根據(jù)現(xiàn)階段常用的鋼芯鋁絞線及碳纖維導(dǎo)線卡線器夾嘴長度參數(shù)可知，卡線器夾嘴的長度和導(dǎo)線直徑的倍數(shù)都遠大于標準的要求。這意味著該標準可用于驗證，但卻不能用于夾嘴長度的設(shè)計中。與圓線鋁股相比，型線鋁股的接觸面積較大，同時半硬鋁的材料特性也決定了它可以承受夾嘴帶來的更大的握緊力，因此夾嘴存在優(yōu)化的可能。

二、導(dǎo)線芯棒徑向耐壓力確定及半硬鋁股損傷判斷依據(jù)確定

（一）導(dǎo)線芯棒徑向耐壓力的確定

復(fù)合芯棒徑向抗剪切及抗壓性能相對不足，卡線器夾嘴的正常工作離不開夾嘴與導(dǎo)線之間產(chǎn)生的摩擦力，但摩擦力的產(chǎn)生會讓導(dǎo)線承受更大的徑向握緊力，很容易導(dǎo)致導(dǎo)線出現(xiàn)破損問題。因此，需用芯棒徑向耐壓力實驗及仿真對其徑向耐壓能力進行確定。

實驗選擇五根碳纖維復(fù)合芯棒作為實驗樣品，根據(jù)實驗結(jié)果可以看出，這五根復(fù)合芯棒樣本的最小失效力在46.12KN，因此，仿真計算的數(shù)據(jù)需選擇最小失效力。在確定復(fù)合芯棒材料的直徑、彈性模量、泊松比、密度等參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過仿真獨處芯棒應(yīng)力云圖齊總最大應(yīng)力為208MPa，將其作為芯棒耐壓力判斷依據(jù)，將其應(yīng)力百分之八十作為參考。

（二）導(dǎo)線半硬鋁股損傷判斷依據(jù)

因為1250mm2與1600mm2兩種導(dǎo)線都是四層鋁線結(jié)構(gòu)，并且兩種導(dǎo)線的直徑相差不大。常用的卡線器夾嘴長度約為350mm，能夠滿足多種施工需求，因此，導(dǎo)線半硬鋁股的損傷情況判斷可將1250mm2導(dǎo)線夾緊時的鋁股塑性范圍作為另一種導(dǎo)線鋁股損傷的判斷依據(jù)。

首先，吧1250mm2的導(dǎo)線鋼芯簡化為圓棒模型，用實際絞制鋼芯等效計算出圓棒鋼芯的材料屬性，可知鋼芯和硬鋁鋁股的彈性模量分別為190GPa和55GPa，泊松比分別為0.31和0.33，屈服強度分別為620MPa和100mpa。結(jié)合1250mm2導(dǎo)線鋁股夾緊時鋁股塑性的變化仿真情況來看，鋁股塑性區(qū)占據(jù)整個鋁股截面約為百分之十。

三、1660mm2導(dǎo)線卡線器夾緊仿真實驗

（一）建模

結(jié)合1660mm2導(dǎo)線的各項技術(shù)參數(shù)，采用等截面法對卡線器鋁股進行建模，模型建立中需注意各層型線鋁股截面相等但高不相等，結(jié)合某層型線鋁股的外圓直徑、內(nèi)圓直徑、總計算截面積、鋁股根數(shù)、填充系數(shù)、單根型線鋁股圓心角計算出單股鋁股截面積為26.768mm2，在此基礎(chǔ)上進行建模。在模型建立中需將鋁股截面的誤差控制在百分之0.1以內(nèi)，也就是說需要將導(dǎo)線仿真模型中的鋁股截面積控制在26.76到26.81范圍內(nèi)。此外，在不受相鄰兩層鋁股之間存在的間隙的影響情況下，結(jié)合實際情況對同一層的鋁股間隙做出調(diào)整，確保兩個相鄰的鋁股之間的間隙控制在0.1-0.2范圍內(nèi)。

（二）網(wǎng)格劃分

把復(fù)合芯棒進行簡化，以圓棒實體為準，運用六面體單元達到提到計算準確性的目的。因為導(dǎo)線硬鋁型線模型中有多個倒圓角存在，因此，還需要采用楔形單元，以保障導(dǎo)線模型在任意界面中都能實現(xiàn)單元型式相同的效果。在此基礎(chǔ)上，對導(dǎo)線整體的網(wǎng)格大小進行調(diào)整，確保模型網(wǎng)格大小均勻且接觸位置網(wǎng)格尺寸也大小相似，以此進一步確保計算結(jié)果的準確性與科學(xué)性。截面中復(fù)合芯棒共存在四十五個網(wǎng)格，單根鋁股存在二十二個網(wǎng)格。

（三）加載方法與邊界條件

鋁股截面之間存在大量接觸的問題，且采用的是通用接觸，因此，需采用程序監(jiān)測方式進行接觸對確認，達到提高計算速度的效果。為保障計算結(jié)果的準確性與合理性，還需要運用動力學(xué)求解器。為避免導(dǎo)線仿真模型出現(xiàn)徑向位移等情況，需要采用對稱約束對導(dǎo)線模型進行固定，還可以運用中層應(yīng)力對導(dǎo)線的受力情況進行模擬。

（四）實驗結(jié)果

利用動力學(xué)求解器進行仿真實驗，通過分析導(dǎo)線仿真模型與設(shè)定的外部加載的響應(yīng)結(jié)果，提取出芯棒中心的應(yīng)力曲線。根據(jù)曲線變化可知，在加載開始后，芯棒、外層鋁股的應(yīng)力呈快速上升趨勢，并很快就達到了峰值，也就是最大應(yīng)力狀態(tài)，隨著時間地推進，鋁股之間出現(xiàn)相互影響的情況，應(yīng)力開始出現(xiàn)震蕩并慢慢穩(wěn)定下來。

根據(jù)芯棒實驗及仿真結(jié)果可以看出，仿真實驗中芯棒最大應(yīng)力笑語破壞載荷力，且芯棒最大應(yīng)力超過百分之八十破壞載荷的比例也不會高于2.6%，因此，仿真實驗中更多芯棒強度符合卡線器的工作要求，能夠達到減小尺寸降低重量的目的。

四、結(jié)束語

在電力需求不斷增加的時代中，為了滿足特高壓電流施工工作開展效率提升的要求，需加強對導(dǎo)線卡線器重量及尺寸的優(yōu)化，通過提高卡線器移動、搬運便攜性的方式提高工作效率。本文結(jié)合1660mm2的大截面導(dǎo)線卡線器對其夾嘴的優(yōu)化方式進行了簡單說明，結(jié)合仿真實驗等方式實現(xiàn)了樣品制作，結(jié)合試驗可知，減小夾嘴的長度能夠達到降低卡線器尺寸及重量的目的。

參考文獻

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本文系2018年江蘇省教育廳高校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目《不同設(shè)計條件下碳纖維導(dǎo)線的碳減排效果探究》（立項批準號：201813753019H）階段性研究成果之一。

作者簡介

徐小茹（1982.10），漢族，江蘇常熟，博士在讀，講師，研究方向：計算機圖像處理、數(shù)字媒體應(yīng)用、企業(yè)項目管理。