肖 琦，趙海玲，盧 帥，閆 賓

(1.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)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(shù)中心，北京 100000)

以ADAMS為平臺(tái)的張力架線動(dòng)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(xué) 建筑工程學(xué)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(shù)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(jìn)行全程實(shí)驗(yàn)。利用ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)，對(duì)張力架線系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，采用Bushing軸套力連接方法和宏命令語言完成導(dǎo)線、牽引繩的建模。通過將模型簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)速度的優(yōu)化，提取導(dǎo)線、牽引繩的軸向速度和動(dòng)態(tài)張力，得到導(dǎo)線嚙入、嚙出滑輪的接觸力曲線，便于直觀分析導(dǎo)線與滑車接觸力的變化。最后將仿真理論值與實(shí)際施工中采用的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證了模型的正確性。在此基礎(chǔ)上分析導(dǎo)線、牽引繩的動(dòng)態(tài)張力，為工程實(shí)際提供理論依據(jù)。

輸電線路；張力架線系統(tǒng)；ADAMS虛擬樣機(jī)；導(dǎo)線；牽引繩；動(dòng)態(tài)張力

隨著電網(wǎng)建設(shè)、特高壓架空輸電線路建設(shè)技術(shù)的成熟，建設(shè)特高壓電網(wǎng)與各級(jí)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(yùn)行的重要一步，目前特高壓建設(shè)多采用多分裂大截面導(dǎo)線，影響該導(dǎo)線安全展放的因素眾多，由于不能進(jìn)行具體的真型實(shí)驗(yàn)，只能依靠人工計(jì)算得出基本數(shù)據(jù)，且在施工過程中多以經(jīng)驗(yàn)為主。大截面導(dǎo)線比一般導(dǎo)線的線密度大，放緊線張力大。在牽引設(shè)備開啟加速和減速的過程中，牽引繩和導(dǎo)線的動(dòng)態(tài)軸向力有很大的改變，對(duì)整個(gè)架線體系產(chǎn)生不小的沖擊，影響整個(gè)架線過程的穩(wěn)定。由于不能準(zhǔn)確確定架線過程中各點(diǎn)的張力大小，可能會(huì)造成施工中的資源浪費(fèi)或?qū)撛谖ｋU(xiǎn)的判斷不足。目前，國內(nèi)研究輸電線路張力架設(shè)的仿真系統(tǒng)，主要是參數(shù)計(jì)算、對(duì)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(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)時(shí)，由于機(jī)械化水平和施工方式的差別，只能作為參考經(jīng)驗(yàn)[3]。對(duì)于張力架線系統(tǒng)中牽引繩、導(dǎo)線的動(dòng)態(tài)特性以及牽引板通過滑車時(shí)造成的沖擊，目前研究甚少。所以，對(duì)架線工序進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真模擬，可以彌補(bǔ)研究現(xiàn)狀的不足，全面掌握導(dǎo)線和牽引繩的動(dòng)態(tài)特性，研究現(xiàn)實(shí)工程中導(dǎo)線、牽引繩動(dòng)態(tài)軸向力的變化情況和動(dòng)載系數(shù)，對(duì)于更精準(zhǔn)的調(diào)整牽引力，實(shí)現(xiàn)牽引機(jī)工作的自動(dòng)化有重要意義。

1 張力架線系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建

1.1 放線滑車和牽引板的建模

張力架線由牽引設(shè)備提供牽引力和制動(dòng)張力，導(dǎo)線通過懸掛于桿塔上的滑輪依次展放到整個(gè)線路上。在展放過程中導(dǎo)線會(huì)多次通過放線滑車，架線完成后導(dǎo)線會(huì)在滑車上停留，進(jìn)行緊線工序。導(dǎo)線可能會(huì)在風(fēng)力等作用下在滑車中移動(dòng)。導(dǎo)線在通過滑車時(shí)會(huì)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(dǎo)線間的連接板，可實(shí)現(xiàn)多根導(dǎo)線同時(shí)展放。ADAMS軟件提供了與Pro/E無縫連接接口Mech/Pro，利用Pro/E強(qiáng)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(dǎo)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(duì)整個(gè)仿真的影響至關(guān)重要，應(yīng)根據(jù)所要建模型的特點(diǎn)選擇合適的建模方法。文獻(xiàn)[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(cuò)的仿真速度，但不能完成鋼絲繩的纏繞要求。文獻(xiàn)[6]中提及的ADAMS/Cable模塊可輕松設(shè)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(duì)本模型而言，ADAMS/Cable模塊卻不能實(shí)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(dǎo)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(jìn)行裝配。最后分別添加導(dǎo)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(dǎo)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(duì)柔性連接的剛性系數(shù)、阻尼系數(shù)等進(jìn)行定義，通過確定3個(gè)力分量{Fx、Fy、Fz}和3個(gè)力矩分量{Tx、Ty、Tz}，在兩個(gè)構(gòu)件之間施加一個(gè)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(shí)，在兩個(gè)相互作用的小圓柱體微段的力作用處分別建立i，j兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)。式中，Ri、θi分別為第一小圓柱段上的I-Marker坐標(biāo)系相對(duì)于第二小圓柱段上的J-Marker坐標(biāo)系的相對(duì)位移和相對(duì)角位移；vi、wi分別為I-Marker相對(duì)J-Marker坐標(biāo)系的相對(duì)速度和相對(duì)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(gè)小圓柱體微段之間的柔性力與微段間的相對(duì)位移、相對(duì)角位移、相對(duì)速度和相對(duì)角速度有關(guān)，要使導(dǎo)線和牽引繩的形變、振動(dòng)等特性以及動(dòng)力學(xué)特征符合實(shí)際工程，就需確定Bushing軸套力的相關(guān)參數(shù)(K、C等)。拉伸、剪切、扭轉(zhuǎn)及彎曲的剛度系數(shù)計(jì)算公式如下：

(4)

式中：導(dǎo)線和牽引繩彈性模量E分別取55.0 GPa、181.4 GPa；導(dǎo)線和牽引繩的剪切模量G分別取21.5 GPa、69.8 GPa。導(dǎo)線和牽引繩的截面積A分別為6.7373×10-4m2、7.84×10-4m2。導(dǎo)線和牽引繩小圓柱微段的長(zhǎng)度L分別取1 m。I和d分別為導(dǎo)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(dǎo)線共兩根，分別長(zhǎng)320 m；牽引繩一根長(zhǎng)282 m。牽引繩和導(dǎo)線分別由直徑不同長(zhǎng)度為1 m的小圓柱體微段構(gòu)成，共922段，919個(gè)軸套力。拉伸阻尼因子因其對(duì)整個(gè)體系的運(yùn)動(dòng)性能影響較小，故不做修改。扭轉(zhuǎn)阻尼因子對(duì)運(yùn)動(dòng)影響較大，根據(jù)工程的實(shí)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(dǎo)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(yàn)證

2.1 牽、導(dǎo)線軸向張力理論計(jì)算算例

圖5 任意地形張力放線示意圖

本文以淮上線某標(biāo)段H080-H081號(hào)塔為算例，進(jìn)行牽引繩、導(dǎo)線的軸向張力計(jì)算。#1塔為直線跨越塔，#2塔為耐張塔，實(shí)際工程采用2×一牽四方式放線，在模擬中考慮到計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力采用一牽二的架線方式進(jìn)行模擬。#1塔左邊布置為張力場(chǎng)，#2塔右邊布置為牽引場(chǎng)。牽引速度為1 m/s。在任意張力放線示意圖5中，計(jì)算牽、導(dǎo)線的軸向張力時(shí)采用懸鏈線的方法得出牽引繩軸向張力、牽引機(jī)牽引輪與張力機(jī)制張力之間的關(guān)系式。

#i號(hào)桿塔滑輪左側(cè)牽引鋼繩軸向張力：

(5)

#i號(hào)桿塔滑輪右側(cè)牽引鋼繩軸向張力：

(6)

#i號(hào)桿塔滑輪左側(cè)導(dǎo)線總軸向張力：

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

(7)

#i號(hào)桿塔滑輪右側(cè)導(dǎo)線總軸向張力：

(8)

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

圖6 維持一定高度導(dǎo)線的水平張力

在架線過程中，會(huì)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(diǎn)B水平距離為n處的導(dǎo)線對(duì)地高度滿足要求時(shí)所需的水平放線張力H的公式如下：

(9)

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

(10)

(11)

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

表1 牽引繩、導(dǎo)線軸向張力、牽引機(jī)牽引力、張力機(jī)張力表格(KN)

表2 布線計(jì)算表格

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

圖7 牽引繩軸向牽引速度

圖8 導(dǎo)線展放速度

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

圖9 導(dǎo)線part320

圖10 導(dǎo)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(dǎo)線分別提取了Bushing149、189、216、1013、1019。牽引繩的軸向張力如圖11，導(dǎo)線的軸向張力圖如12。

圖11 牽引繩軸向張力

圖12 導(dǎo)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(dǎo)線的軸向速度可知與實(shí)際施工的牽引速度吻合，牽引繩和導(dǎo)線的軸向速度滿足要求，且在剛開始牽引的瞬間，軸向波動(dòng)較大，隨著時(shí)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(shí)，由于牽引板和滑車的碰撞，速度會(huì)發(fā)生波動(dòng)。因此，在初始牽引時(shí)要緩慢提升牽引速度，在牽引板接近放線滑車時(shí)適當(dāng)減小牽引速度，以使?fàn)恳迤椒€(wěn)過渡，順利完成導(dǎo)線展放。經(jīng)計(jì)算，Part320、Part216和Part916分別經(jīng)過83.3 s和164.2 s到達(dá)被跨線路處。提取微段位移曲線上對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的高度值分別為34.8 m、35.2 m，滿足展放導(dǎo)線對(duì)地高度要求。

表3 各位置張力計(jì)算值與仿真值比較

由上述牽引繩和導(dǎo)線各點(diǎn)隨時(shí)間變化的軸向張力圖，可讀取某時(shí)刻的軸力值。將實(shí)際施工中的計(jì)算值與動(dòng)力學(xué)仿真的結(jié)果中相應(yīng)位置處的數(shù)值進(jìn)行分析比較。實(shí)驗(yàn)計(jì)算值與仿真值的比較如表3所示。由表3可知計(jì)算值與仿真值的誤差控制在5%左右。

由上述牽引繩和導(dǎo)線的Bushing軸套力圖，可得到導(dǎo)線、牽引繩在放線過程中的動(dòng)態(tài)張力變化趨勢(shì)，得到最大軸力的時(shí)間點(diǎn)，如牽引繩Bushing 509在30.2 s軸向張力達(dá)到43.08 kN，從而找出波動(dòng)的規(guī)律。通過對(duì)架線仿真系統(tǒng)的全面觀察，提取導(dǎo)線、牽引繩的張力值可發(fā)現(xiàn)牽引繩和導(dǎo)線在接近滑輪兩側(cè)時(shí)張力值增大發(fā)生波動(dòng)。因此在實(shí)際工程中應(yīng)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(huì)有較大的波動(dòng)，主要因?yàn)閷?dǎo)線由靜態(tài)通過施加牽引力產(chǎn)生牽引加速度，運(yùn)動(dòng)形式出現(xiàn)了變化。由于該工程中導(dǎo)線為大截面導(dǎo)線，自重大，且架線檔距較大，所需要的牽引力和制動(dòng)張力相應(yīng)增大，在仿真起始階段的0 s-10 s內(nèi)，動(dòng)態(tài)張力波動(dòng)較大，又因?yàn)榫嚯x#1塔較近，約20 s左右到達(dá)放線滑車，所以在通過#1塔之前波動(dòng)一直持續(xù)，牽引繩瞬時(shí)最大動(dòng)態(tài)張力可達(dá)到51.25 kN，導(dǎo)線瞬時(shí)最大動(dòng)態(tài)張力可達(dá)25 kN。初始階段穩(wěn)定性較差，會(huì)影響整個(gè)架設(shè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故在開始放線時(shí)，應(yīng)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(yàn)證正確可行，可以得出導(dǎo)線和牽引繩在牽引過程中的動(dòng)態(tài)張力變化，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)理論公式只針對(duì)桿塔兩側(cè)位置成立的缺點(diǎn)，采用動(dòng)態(tài)仿真形式，可以觀察架線全程的變化，得出導(dǎo)線、牽引繩的速度、加速度、軸向張力以及對(duì)地安全高度等。而且，張力架線仿真形象生動(dòng)，以動(dòng)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(shí)際服務(wù)。

3 結(jié) 論

通過對(duì)ADAMS二次開發(fā)的研究，選擇了最適合本模型導(dǎo)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(dǎo)線、牽引繩動(dòng)張力隨時(shí)間的變化及其他特性，且模型的可靠性和有效性通過與實(shí)際施工中的計(jì)算數(shù)據(jù)得以驗(yàn)證。主要結(jié)論有以下兩點(diǎn)：

(1)利用ADAMS二次開發(fā)功能，通過編制Macro命令語言，完成導(dǎo)線、牽引繩的快速建模。通過簡(jiǎn)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(dǎo)線、牽引繩的動(dòng)態(tài)特性，還可精準(zhǔn)得出各個(gè)時(shí)間段的張力值大小和位置，方便更好的指導(dǎo)工程實(shí)際。

[1] 劉振亞.中國電力與能源[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2] 宇潔.從于SpringMVC的輸電線路張力架設(shè)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2011.

[3] Yang Wenguo，Guo Tiande.The Non-uinform Property of Energy Consumption and its Solution to the Wireless Sensor Network [J].Education Technology and Computer Science (ETCS)，2010(2)：186-192.

[4] 蘇丹，趙宏梅.驅(qū)動(dòng)橋集成建模方法的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010(1)：235-236.

[5] Andrew S E.Efficient Modeling of Extensible Cables and Pulley Systems in Adams[C].In Europe Adams Conference，London，2002：1-10.

[6] 田春偉，馬軍星，王進(jìn)，等.基于ADAMS的鋼絲繩建模方法研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(29)：108-112.

[7] 王定賢，殷亮，李穎，等.鋼絲繩的建模及動(dòng)力學(xué)仿真分析[J].礦山機(jī)械，2010，38(8)：20-23.

[8] 葛中原，殷晨波.橋式起重機(jī)碰撞安全仿真分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2015，41(8)：39-42.

[9] 王得勝，孔德文，趙克利.機(jī)械式礦用挖掘機(jī)鋼絲繩在MSCADAMS中的建模方法[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2006，15(21)：364-366.

[10] 袁志剛，臧鐵鋼.基于ADAMS平臺(tái)的鋼索系列物體建模環(huán)境的研究[J].機(jī)械工程師，2005，29(6)：484-487.

[11] 秦力，張超.分裂導(dǎo)線-間隔棒體系扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34(1)：73-79.

[12] 奏力，李亞男，魏曉光.覆冰四分裂導(dǎo)線舞動(dòng)數(shù)值模擬方法[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2014,34(1)：80-87.

[13] 孔偉，朱明偉，付豪.架空輸電線路導(dǎo)線在SNSYS中的找形分析[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(5/6)：64-67.

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(xué)建筑工程學(xué)院教授，碩士，主要研究方向：輸電線路防災(zāi)減災(zāi)、輸電線路及桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論及設(shè)計(jì)方法.

1005-2992(2016)06-0077-07

TP29

A