譚永殿，馬 儉，楊 鵬

(中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司百色局，廣西 百色 533000)

0 前言

我國輸電線路跨越了廣闊的地域，在雷雨季節(jié)容易遭受雷擊而引起送電中斷，這是電力系統(tǒng)中發(fā)生停電事故的主要原因之一。布設(shè)架空地線是保護(hù)架空輸電線路免遭雷閃襲擊的重要措施，因此對架空地線的日常維護(hù)是一項(xiàng)非常重要的工作。

國內(nèi)500 kV架空地線檢修作業(yè)使用的滑車在現(xiàn)場適應(yīng)能力欠佳，存在布設(shè)時間長、越障能力不足、綜合移動性能差等諸多缺陷，同時也缺乏良好的安全防護(hù)措施。為響應(yīng)現(xiàn)實(shí)需求，提出了一種形封閉鎖合型、錐形導(dǎo)輪導(dǎo)向兼具剎車定位功能的地線滑車裝置。

1 架空地線滑車裝置的構(gòu)型設(shè)計與分析

這種架空地線滑車裝置的整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括座板部件、鎖合、越障導(dǎo)向和剎車機(jī)構(gòu)(詳見圖2)。其中，座板部件用于承受高空作業(yè)人員的重量；形封板與橫軸形成可拆卸的連接可使裝置形鎖合；兩側(cè)的越障導(dǎo)向輪則在地線上滑動導(dǎo)向，同時可越過防振錘等障礙；剎車機(jī)構(gòu)用于定點(diǎn)作業(yè)時固定操作人員的位置。

越障導(dǎo)向與剎車制動是該裝置的主要功能，越障導(dǎo)向輪的兩端為圓錐體，通過中部的圓柱體連接。通常情況下，越障導(dǎo)向輪的圓柱部分在圓柱狀的地線上滑動，兩端的錐體則產(chǎn)生限位定心的作用，在越過大于圓柱部分寬度的障礙時越障導(dǎo)向輪圓錐部分便開始工作。剎車機(jī)構(gòu)中驅(qū)動桿與槽型頂架之間采用螺紋連接，驅(qū)動桿上移時兩側(cè)的剎車臂便抱死架空地線，由此完成剎車功能。

圖1 架空地線滑車的整機(jī)結(jié)構(gòu)示意

2 地線滑車裝置的主要性能分析

2.1 剎車機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)性能與相關(guān)性參數(shù)

剎車機(jī)構(gòu)單側(cè)剎車臂的運(yùn)動如圖3所示。該機(jī)構(gòu)為驅(qū)動桿做平移運(yùn)動的四桿機(jī)構(gòu)，平移運(yùn)動通過中間桿的平面運(yùn)動后轉(zhuǎn)化為剎車臂的定軸轉(zhuǎn)動。

圖3 剎車機(jī)構(gòu)運(yùn)動示意

由圖3可以求得：

在ΔABC中運(yùn)用余弦和正弦定理可得：

得出：

由此，在ΔAOC中可根據(jù)正弦定理求得lAO，lCO，O點(diǎn)為A點(diǎn)和C點(diǎn)的速度瞬心，可得：

再由υH/l4=υC/l3可求得剎車臂接觸點(diǎn)的速度為：

對υH關(guān)于時間求導(dǎo)后可得：

2.2 剎車臂與接地線剎車接觸力的計算

地線與剎車臂的前端存在正壓力，在剎車臂與地線之間形成的接觸力便是剎車力。帶隨機(jī)相位的雙變量Weierstrass-Mandelbrot函數(shù)能仿真加權(quán)、隨機(jī)重疊的隆起部狀各向異性分形表面，該函數(shù)在直角坐標(biāo)系下的表達(dá)式為：

式中：γ——分形粗糙面尺度因子；M——構(gòu)造表面重疊隆起部的個數(shù)；n——頻率指數(shù)；φm，n——在(0，2π)范圍內(nèi)均勻分布的隨機(jī)相位；D——分形粗糙面分形維數(shù)；G——分形粗糙度；L——取樣長度。

為簡化計算，將本項(xiàng)目的圓柱狀地線視為一個凸起，因此M=1，m=1，便可將式(9)變化為單自變量的函數(shù)：

球體狀凸體與剛性光滑平面的彈性接觸如圖4所示。

式中：r′——凸體微接觸截面積的半徑；r——凸體實(shí)際微接觸面積的半徑；E′——綜合彈性模量； R——分形表面凸體頂端的曲率半徑；δ——1個凸體頂端的變形量；pe——凸體所承受的法向彈性載荷。

1個凸體波形式的最長波長為2r，如果選擇截止長度Ls=2r′，則此截止長度對應(yīng)的頻率指數(shù)的表達(dá)式為：

圖4 地線與剎車臂的彈性接觸

該函數(shù)的最大輪廓高度為：

對圖4中的直角三角形利用勾股定理得：

由于δ遠(yuǎn)小于R，故：

將式(16)代入式(12)得：

1個微凸體實(shí)際微接觸面積的半徑為：

式中：E′——綜合彈性模量。

由式(18)得：

1個凸體承受的法向彈性載荷也可寫為：

根據(jù)式(20)和式(21)可得：

將式(16)代入式(22)得：

將式(23)代入式(20)中可得：

將式(17)代入上式中可得接觸面的壓力載荷為：

式(26)表明接觸面的壓力載荷與分形粗糙面尺度因子、分形粗糙度和綜合彈性模量呈正相關(guān)關(guān)系，分形維數(shù)的增加不利于提高接觸面的壓力載荷。

2.3 越障導(dǎo)輪的越障能力分析

地線上安裝的障礙物截面形狀主要分為圓形截面(如防振錘)和方形截面，這2種截面與越障導(dǎo)輪的相對位置關(guān)系如圖5所示。

圖5 障礙物與越障導(dǎo)輪的相對位置

其中：G——滑車及操作人員的重力；m——障礙物上的支點(diǎn)；f牽——水平越障牽引力，沿滑車前進(jìn)方向與越障導(dǎo)輪垂直；Δz——牽引力的力臂；α——地線與重力方向的夾角。

滑車順利越過障礙物需要滿足：

對于圖5中2種情況下滑車的越障原理相同，均分為如下2種情況：

① 當(dāng)Δz≤d/2時，

則只要滿足式(29)，滑車便可順利通過障礙物。

② 當(dāng)Δz＞d/2時，f牽的力矩方向與G相同：

綜上所述，越障導(dǎo)輪中部柱體直徑d與障礙物高度Δz間的關(guān)系是影響滑車越障能力的主要因素，只有滿足Δz≤d/2時，滑車才能順利通過障礙物。

3 地線滑車剎車機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真

3.1 建立虛擬樣機(jī)

該項(xiàng)目包含的剎車機(jī)構(gòu)是確保操作人員定點(diǎn)和安全作業(yè)的主要保證，各項(xiàng)性能指標(biāo)均受結(jié)構(gòu)的功能尺寸、材料、接觸狀況等的影響。結(jié)合現(xiàn)代仿真手段有助于快速深入地分析指標(biāo)與影響因素之間的定量關(guān)系。由于剎車機(jī)構(gòu)具有完全的空間對稱性，且Adams本身自帶的幾何建模模塊不夠精準(zhǔn)和逼真，所以根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖建模時只能反映與運(yùn)動特性有關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸，仿真模型如圖6所示?；噭x車機(jī)構(gòu)的約束類型如表1所示。

圖6 剎車機(jī)構(gòu)的實(shí)際結(jié)構(gòu)與仿真模型

表1 滑車剎車機(jī)構(gòu)的約束類型

3.2 仿真分析

調(diào)用ADAMS/Solver進(jìn)行仿真分析獲得各構(gòu)件的運(yùn)動特性。設(shè)置仿真時間end time為12，步數(shù)為500，驅(qū)動桿的移動函數(shù)為15sin(0.542×time)，然后進(jìn)行仿真。在仿真計算結(jié)束后，進(jìn)入PostProcessor進(jìn)行后處理。

3.2.1 剎車臂的運(yùn)動性態(tài)與相關(guān)因素

剎車臂的運(yùn)動性態(tài)主要體現(xiàn)為開合效率、閉合時對滑車穩(wěn)定性的影響，其與主要因素之間的關(guān)系如圖7，8所示。

圖7 不同因素水平下剎車臂與地線接觸點(diǎn)角加速度對比

圖8 不同因素水平下剎車臂與地線接觸點(diǎn)角速度對比

在圖6中，brake_x和brake_y反映了剎車臂與驅(qū)動桿之間的距離，motion_x則體現(xiàn)了驅(qū)動桿的橫向桿長，distance則顯示了中間桿與剎車臂之間的鉸接位置，圖中計算了5個點(diǎn)位的目標(biāo)值。由圖7可知，brake_x和brake_y分別為152 mm和32.5 mm時剎車臂與地線接觸點(diǎn)的角加速度值最低，目標(biāo)值呈現(xiàn)下降趨勢，distance和motion_x對目標(biāo)值的影響規(guī)律相似，分別為60 mm和56 mm時目標(biāo)值最低。從圖7中可得出，增加剎車臂固鉸點(diǎn)與驅(qū)動桿的之間的距離有助于提高剎車臂的平穩(wěn)性。在4個因素中，中間桿與剎車臂的鉸接位置對目標(biāo)值的影響較為敏感。

圖8中3條曲線呈現(xiàn)下降趨勢，1條曲線呈現(xiàn)上升趨勢。為提高剎車臂的開合效率，應(yīng)減小brake_x，brake_y和distance，同時增加motion_x的值。

3.2.2 剎車臂接觸力與相關(guān)因素關(guān)系及優(yōu)化

剎車臂的接觸力體現(xiàn)了滑車制動能力的大小，是關(guān)鍵功能參數(shù)之一。在驅(qū)動桿上施加35 N的向上牽引力，剎車臂與地線之間添加接觸副，運(yùn)行后得brake_x，brake_y，distance以及motion_x對剎車接觸力的影響，如圖9所示。

圖9 接觸力與不同因素水平的關(guān)系

以剎車接觸力contact_Force最大為目標(biāo)，設(shè)：

x1=brake_x，x2=brake_y，

x3=distance，x4=motion_x。

則優(yōu)化模型為：

在圖9的敏感性分析曲線中找到單因素下的各變量最佳值：

x0=[143 32.5 75 56]

以其為優(yōu)化的設(shè)計變量初始值對仿真變量進(jìn)行更改，隨后進(jìn)行優(yōu)化，迭代曲線圖10所示。

圖10 剎車機(jī)構(gòu)接觸力迭代曲線

經(jīng)過7次迭代后計算收斂，此時接觸力達(dá)到12.36 N，較初始值提升2.06倍，優(yōu)化效果明顯。以驅(qū)動桿水平段長度為基準(zhǔn)長度，可算得各桿的最佳長度比，即驅(qū)動桿∶中間桿∶distance=1∶1.86∶1.27。

4 結(jié)論

(1) 通過對裝置的構(gòu)型特征進(jìn)行分析，表明本項(xiàng)目的機(jī)構(gòu)具有形封閉的鎖合能力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)，建立在制動能力上的定點(diǎn)作業(yè)適應(yīng)性好。

(2) 通過計算可知，剎車機(jī)構(gòu)的開合效率和平穩(wěn)性與剎車臂長成正比，與擺角影響長度l3成反比，并且與中間桿、剎車臂安裝位置和驅(qū)動桿長均有密切關(guān)系。

(3) 接觸力的計算結(jié)果表明，分形粗糙面尺度因子、分形粗糙度和綜合彈性模量均能正向影響接觸面間壓力載荷；改變接觸面材料性質(zhì)是增加接觸力較直接的手段。

(4) 滑車越障能力分析表明，要使滑車順利越過障礙物，需要障礙物的頂端低于越障導(dǎo)輪的滾動中心。

(5) 仿真分析表明，中間桿與剎車臂的鉸接位置對剎車臂的速度、加速度影響最為顯著。按如下配置剎車機(jī)構(gòu)各桿的最佳長度比，即驅(qū)動桿∶中間桿∶distance=1∶1.86∶1.27有利于提高剎車臂與地線之間的接觸力。