張仁奇 張義釗

摘? 要：為解決傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線與地線壓接工藝中容易因鋼管與鋼絞線硬度不匹配，導(dǎo)致出現(xiàn)欠壓、松股、過壓、鋼絲表面損傷等問題，提出將鋁嵌入鋼絲內(nèi)部并利用鋁鋼摩擦提高握著力的方法。通過理論計(jì)算進(jìn)行了新型鋼絞線對(duì)接嵌鋁壓接管的設(shè)計(jì)，并基于該設(shè)計(jì)制作了檢驗(yàn)性試件。試件的握力試驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)的握著力滿足標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：鋼芯鋁絞線;金具;壓接工藝;握著力

0? ? 引言

傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線與地線的接續(xù)工藝中，鋼絞線接頭均用鋼管直接套住鋼絞線液壓連接，當(dāng)鋼管與鋼絞線硬度不匹配、壓接模具尺寸不合理、壓接壓力不足時(shí)，容易出現(xiàn)欠壓、松股、過壓、鋼絲表面損傷等缺陷，導(dǎo)致接頭的握著力不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[1-2]。在造成鋼芯鋁絞線與地線壓接缺陷的因素中，鋼管與鋼絞線硬度不匹配是主要原因[3-6]。鑒于此，有必要研究新型的鋼絞線嵌鋁壓接技術(shù)。

1? ? 鋼絞線對(duì)接嵌鋁壓接管

1.1? ? 設(shè)計(jì)思路

新型的鋼絞線對(duì)接嵌鋁壓接管，由外層鋼管和內(nèi)層鋁合金管構(gòu)成，如圖1所示。外層鋼管提供鋼絞線對(duì)接主要的抗張力和接頭壓力，內(nèi)層鋁合金管提供鋼絲嵌入填充材料，利用鋁合金的高靜摩擦系數(shù)將接頭壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榭箯埩Γ岣呓宇^的握著力。

1.2? ? 壓接管嵌層鋁管計(jì)算

1.2.1? ? 鋼芯絞線螺紋中徑

按螺栓螺紋參數(shù)定義，鋼芯絞線螺紋中徑為d2，即圖2中大圓O的直徑，其半徑為R，對(duì)于7根鋼絲的鋼芯絞線，圓O與圓P相交的弧長(zhǎng)等于圓O周長(zhǎng)的1/12。即：

式中：R為鋼芯絞線螺紋中徑d2的一半;θ為鋼芯絞線螺紋中徑圓弧角。

根據(jù)圖2中圓O與圓P的方程，即：

x2+y2=R2（x-2r）2+y2=r2x=Rcos θy=Rsin θ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

可求得兩圓半徑關(guān)系，即：

R=2.787 5rd2=5.575r? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

1.2.2? ? 壓接應(yīng)力計(jì)算

鋼芯接續(xù)管壓接成型后壓力機(jī)未停時(shí)，如圖3所示，鋼管內(nèi)半徑為rfe，鋼管中心厚度為dfe，鋼芯絞線螺紋中徑為d2，鋁管中徑厚度為dal。

鋼芯接續(xù)管壓接成型后壓力機(jī)停機(jī)移開，假設(shè)鋁管壁受壓應(yīng)力為σ1，鋼管內(nèi)半徑為rfe+Δrfe，鋼管中心厚度為dfe+Δdfe，鋼芯絞線螺紋中徑圓半徑為R+ΔR，鋁管中徑厚度為dal+Δdal，且有如下關(guān)系：

鋼芯接續(xù)管壓接成型后壓力機(jī)壓力解除，這些厚度增量關(guān)系為：

則鋼芯接續(xù)管壓接成型后壓力機(jī)壓力解除，鋼芯、嵌層鋁管、鋼管之間的壓應(yīng)力為：

1.2.3? ? 嵌層鋁管計(jì)算

（1）鋼芯接續(xù)管壓接成型后嵌入鋼絞線間的鋁材量S：

式中：r為鋼芯絞線鋼絲半徑。

（2）嵌入需要的鋁管厚度：

則嵌層鋁管厚度為δal：

δal=δq+1? ?（9）

（3）嵌層鋁管外徑Dal為：

Dal=6r+1+2δal? ?（10）

（4）嵌層鋁管長(zhǎng)度：

根據(jù)資料，鋁合金與鋁合金的靜摩擦系數(shù)為1.05～1.35，鋁合金與低碳鋼的靜摩擦系數(shù)為0.61。對(duì)于鋁包鋼絞線、鍍鋅鋼絞線，都按鍍鋅鋼絞線與鋁合金嵌層管靜摩擦力計(jì)算，嵌層鋁管螺紋損壞臨界壓接長(zhǎng)度lqmin為：

式中：Fb為導(dǎo)線計(jì)算破斷力;R為鋼芯絞線螺紋中徑d2的一半。

經(jīng)計(jì)算，嵌層鋁管螺紋損壞臨界壓接長(zhǎng)度lqmin小于鋼芯絞線節(jié)距，鋼芯絞線節(jié)距一般為lqmin的3～4倍，因此為了安全起見，嵌層鋁管長(zhǎng)度取2個(gè)鋼芯絞線節(jié)距（1個(gè)鋼芯絞線節(jié)距為鋼芯直徑的18倍）。

1.2.4? ? 鋼管計(jì)算

（1）鋼管內(nèi)徑：鋼芯絞線的接續(xù)鋼管內(nèi)徑等于嵌層鋁管外徑。

（2）鋼管外徑：

鋼絞線總破斷力為Fb，鋼管的屈服強(qiáng)度為σsfe，則鋼管厚度δfe為：

則鋼管外徑為：

Dfe=Dal+2δfe? ? ? ? ? ? ? （13）

（3）鋼管的長(zhǎng)度：鋼管長(zhǎng)度與嵌層鋁管相同，為2個(gè)鋼芯絞線節(jié)距。

1.2.5? ? 模具參數(shù)計(jì)算

（1）壓接模具壓接截面積：

鋼芯壓接截面積為：

式中：r為鋼芯絞線鋼絲半徑。

嵌層鋁管截面積為：

式中：Dal為嵌層鋁管外徑。

鋼管截面積為：

式中：Dfe為鋼管外徑;Dal為嵌層鋁管外徑。

壓接模具的壓接截面積為：

（2）由此可以得到正六邊形壓模的邊長(zhǎng)為：

正六邊形壓模對(duì)角線為：

2? ? 安全運(yùn)行溫度計(jì)算

由于鋼鋁之間的熱膨脹系數(shù)不同，因此需要對(duì)于新型接續(xù)管的安全運(yùn)行溫度進(jìn)行計(jì)算。

假設(shè)接續(xù)管安裝時(shí)環(huán)境溫度為t0，鋼芯及鋼管的線膨脹系數(shù)為afe，嵌層鋁管線膨脹系數(shù)為aal，當(dāng)運(yùn)行溫度為t1時(shí)：

（1）鋼芯半徑膨脹量：

ΔRt=Rafe（t1-t0）? ? ? ? （20）

（2）嵌層鋁管膨脹量：

Δdalt=dalaal（t1-t0）? ?（21）

（3）鋼管內(nèi)徑膨脹量：

Δrfet=rfeafe（t1-t0）? ? ? ? ?（22）

（4）安全溫度：

當(dāng)溫度升高時(shí)：

即接續(xù)管運(yùn)行溫度增加量應(yīng)滿足：

式中：dal為鋁管等效厚度;σ為壓力機(jī)解除前鋼芯、鋁管、鋼管之間的壓應(yīng)力;σ1為壓力機(jī)壓力解除后鋼芯、鋁管、鋼管之間的壓應(yīng)力;Eal為鋁合金的楊氏模量;R為鋼芯絞線螺紋中徑d2的一半;rfe為壓接后鋼管內(nèi)半徑;aal為鋁的線膨脹系數(shù);afe為鋼的線膨脹系數(shù)。

當(dāng)溫度降低時(shí)：

即接續(xù)管運(yùn)行溫度降低量應(yīng)滿足：

式中：dal為鋁管等效厚度;σ為壓力機(jī)解除前鋼芯、鋁管、鋼管之間的壓應(yīng)力;σ1為壓力機(jī)壓力解除后鋼芯、鋁管、鋼管之間的壓應(yīng)力;Eal為鋁合金的楊氏模量;Fb為導(dǎo)線計(jì)算破斷力;R為鋼芯絞線螺紋中徑d2的一半;rfe為壓接后鋼管內(nèi)半徑;afe為鋼的線膨脹系數(shù);aal為鋁的線膨脹系數(shù)。

3? ? 設(shè)計(jì)實(shí)例

筆者在項(xiàng)目研究中應(yīng)用鋼芯鋁絞線LGJ-240/30與LGJ-

500/45的鋼芯參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，選取5A05鋁合金（屈服強(qiáng)度為115 MPa）作為嵌層鋁管材料，Q345B號(hào)鋼（屈服強(qiáng)度為245 MPa）作為鋼管材料，靜摩擦系數(shù)為0.61，經(jīng)過計(jì)算得到嵌層鋁管和鋼管的參數(shù)，根據(jù)參數(shù)制造出了對(duì)應(yīng)兩種鋼芯鋁絞線的新型鋼絞線對(duì)接嵌鋁壓接管，并在壓接后沿線方向剖開。如圖4所示，可以清晰看到在鋼芯無損傷的情況下鋁層嵌入了鋼芯縫隙之中。

對(duì)兩種對(duì)接嵌鋁壓接管進(jìn)行了握力試驗(yàn)，LGJ-240/30鋼芯鋼絞線嵌鋁壓接管在43.99 kN拉力下未滑移（鋼芯破斷），LGJ-500/45鋼芯鋼絞線嵌鋁壓接管在59.52 kN拉力下未滑移（鋼芯破斷），斷裂處均出現(xiàn)在嵌鋁壓接管之外，且接續(xù)管握著力超過了導(dǎo)線計(jì)算拉斷力的95%（LGJ-240/30計(jì)算拉斷力為40.2 kN，LGJ-500/45計(jì)算拉斷力為54.7 kN），達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

4? ? 結(jié)語

本文提出的新型鋼絞線對(duì)接嵌鋁壓接管的設(shè)計(jì)避免了壓接鋼管與鋼絞線硬度不匹配的問題，可以防止壓接時(shí)出現(xiàn)欠壓、松股、過壓、鋼絲表面損傷等缺陷，并且由于鋁嵌入了鋼絲之中，利用鋼鋁之間的摩擦力可以進(jìn)一步加大壓接管的握著力，防止出現(xiàn)握著力不足的情況。

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收稿日期：2020-06-30

作者簡(jiǎn)介：張仁奇（1968—），男，貴州三都人，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)高電壓設(shè)備失效分析工作。

張義釗（1993—），男，貴州三都人，碩士研究生在讀，研究方向：輸電工程。