鄭孝干，余 棟，蔡嘉煒，馮振波

（1.國網(wǎng)福建省電力有限公司福州供電公司，福建 福州 350009；2.福州億力電力工程有限公司，福建 福州 350004）

輸電線路是電網(wǎng)的重要組成部分，耐張線夾作為將導(dǎo)線固定在桿塔上的電力金具，其質(zhì)量直接影響電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[1-6]。目前廣泛采用的壓縮型耐張線夾受壓接工藝、人員水平等因素的影響，壓接后部分耐張線夾的鋁管處存在不同程度的彎曲，耐張線夾在彎曲應(yīng)力作用下出現(xiàn)疲勞裂紋，最終導(dǎo)致線夾斷裂，影響輸電線路的安全[7-10]。

目前，對(duì)于各類輸電耐張線夾的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、失效機(jī)理及壓接工藝改良等，部分學(xué)者已開展了一定的研究[11-15]，但對(duì)于如何矯正彎曲耐張線夾的相關(guān)內(nèi)容還鮮有研究?，F(xiàn)階段主流的矯正方式僅通過敲打壓接管來實(shí)現(xiàn)，該方法易形成壓接管外部裂紋或內(nèi)部損傷，不符合規(guī)程要求，導(dǎo)致材料浪費(fèi)和成本增加。部分施工人員試圖通過多次壓接的方式矯正彎曲線夾，雖能夠使彎曲度滿足規(guī)程要求，但該矯正方法頻繁擠壓線夾內(nèi)部鋼芯，導(dǎo)致其變形、機(jī)械強(qiáng)度降低，最終引發(fā)線夾裂紋處斷裂[16]。

本文對(duì)壓縮型耐張線夾發(fā)生壓接彎曲后如何矯正的問題展開研究?；诮Y(jié)構(gòu)力學(xué)靜力計(jì)算[17]，分析了矯正工具高效、省力完成線夾彎曲矯正工作的可行性，并完成了成品設(shè)計(jì)與現(xiàn)場應(yīng)用。該研究和應(yīng)用結(jié)果對(duì)于彎曲耐張線夾的矯正具有指導(dǎo)和借鑒意義。

1 彎曲耐張線夾矯正過程的力學(xué)模型

對(duì)于壓縮型耐張線夾，其一旦液壓成型，便不可拆卸更換。DL/T 5285—2013《輸變電工程架空導(dǎo)線及地線液壓壓接工藝規(guī)程》7.0.7 條規(guī)定：壓接后的壓接管不應(yīng)有扭曲變形，其彎曲變形應(yīng)小于壓接管長度的2%，且有明顯彎曲變形時(shí)應(yīng)校直，校直過程中不應(yīng)出現(xiàn)裂紋或應(yīng)力集中，否則應(yīng)重新壓接[18]。將彎曲2%的耐張線夾作為力學(xué)模型，分析多大的壓力可順利完成矯正工作。

引入結(jié)構(gòu)力學(xué)靜力計(jì)算，計(jì)算簡支梁和兩端固定梁兩種模型下的結(jié)果，在誤差范圍內(nèi)，所需矯正壓力在兩者結(jié)果之間[17]。簡支梁的荷載模型如圖1 所示。

圖1 基于簡支梁模型的彎曲線夾矯正過程

將耐張線夾固定于矯正工具后，以線夾與矯正工具A固定點(diǎn)為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系。假設(shè)固定后，線夾在兩端固定點(diǎn)AB 間的長度為L，線夾最大彎曲處位于L/2 處時(shí)，所需矯正力F最小。此時(shí)，矯正力F滿足：

式（1）中：E為線夾彈性模量；I為線夾截面對(duì)主軸的慣性矩；ωmax為最大撓度。

對(duì)于彎曲2%的耐張線夾，其滿足：

式（2）中：Lyj為壓接長度。

線夾截面對(duì)主軸的慣性矩滿足：

式（3）中：d為線夾的直徑。

各參數(shù)取值如表1 所示。

表1 各參數(shù)取值預(yù)設(shè)

結(jié)合表1 中各參數(shù)預(yù)設(shè)值，由式（1）～式（3）可計(jì)算得所需矯正力近似為49 480 N。

兩端固定梁的荷載模型如圖2 所示。此時(shí)，矯正力F滿足：

圖2 基于兩端固定梁模型的彎曲線夾矯正過程

結(jié)合已知量，計(jì)算得所需矯正力近似為197 920 N。

耐張線夾在彎曲過程中，彎曲曲率過大時(shí)，線夾截面從底緣開始進(jìn)入塑性，到全截面進(jìn)入塑性的過程，因?yàn)榱?位移曲線不是線性關(guān)系，要計(jì)算位移很困難。不過全截面進(jìn)入塑性之后，可以根據(jù)受力平衡關(guān)系算出臨界矯正力。

全截面塑性之后，對(duì)于簡支梁模型和兩端固定梁模型，線夾截面受力分別滿足彎矩平衡式（4）和式（5）：

式（4）（5）中：σs為線夾材料屈服應(yīng)力；As為線夾截面半圓面積；l為線夾截面兩個(gè)半圓形心間的距離；F為臨界矯正力；L為固定點(diǎn)AB 間長度。

利用表1 參數(shù)，可計(jì)算簡支梁和兩端固定梁模型下的臨界矯正力F分別為9 000 N 和18 000 N。

基于上述兩種模型的力學(xué)分析，彈性情況下計(jì)算得到的矯正力已超過臨界矯正力，因此可知彎曲2%的線夾已進(jìn)入塑性狀態(tài)，矯正力取9 000～18 000 N。

為達(dá)到所需矯正力，矯正壓塊和升降絲桿需配合，將矯正所需的垂直力轉(zhuǎn)化為更易操作的旋轉(zhuǎn)扭矩T。不計(jì)絲桿的摩擦力影響傳動(dòng)效率，則旋轉(zhuǎn)扭矩T與推力F滿足：

式（6）中：T為旋轉(zhuǎn)扭矩，滿足T=fl，其中f為所需旋轉(zhuǎn)力，l為旋轉(zhuǎn)手柄的有效力臂長，假定為25 cm；P為絲桿導(dǎo)程，假定為10 mm。

得到所需旋轉(zhuǎn)力在57～114 N 之間，該旋轉(zhuǎn)力由人工或電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)。

2 基于力學(xué)分析的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)力學(xué)分析，基于兩端固定，在線夾最大彎曲處施力矯正的模型，同時(shí)借助于升降絲桿將縱向矯正力轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)手柄的旋轉(zhuǎn)力，能夠快速、省力矯正彎曲耐張線夾。基于力學(xué)分析，完成了一種壓縮型耐張線夾彎曲矯正工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3 所示。

圖3 彎曲矯正工具的結(jié)構(gòu)示意圖

彎曲矯正工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由固定雙鉤、絲桿擠壓機(jī)構(gòu)及支撐部件組成。其中，固定雙鉤是兩邊起固定作用的金屬大鉤，雙鉤曲率與耐張線夾外徑相匹配，在彎曲矯正時(shí)保證線夾受到兩個(gè)固定向上的對(duì)稱力，不致因受力不均使線夾產(chǎn)生位移或滑落。

絲桿擠壓機(jī)構(gòu)如圖4 所示，由旋轉(zhuǎn)手柄、升降絲桿、活動(dòng)部件和矯正壓塊組成。當(dāng)旋轉(zhuǎn)手柄轉(zhuǎn)動(dòng)后，升降絲桿便會(huì)帶動(dòng)矯正壓塊垂直向下推動(dòng)擠壓線夾最大彎曲處，矯正壓塊的曲率同樣與線夾外徑相匹配，保證在矯正過程中線夾彎曲處弧面受力均勻且不破壞線夾外表面。活動(dòng)部件與升降絲桿采用螺母套接，其與圖3 中的支撐部件相配合，從而帶動(dòng)絲桿擠壓機(jī)構(gòu)在支撐部件的鏤空軌道上橫向水平移動(dòng)，進(jìn)而更加靈活地矯正調(diào)節(jié)線夾的不同彎曲位置。

圖4 絲桿擠壓機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

將液壓定型后有一定彎曲的壓縮式耐張線夾放置于固定雙鉤上，調(diào)整活動(dòng)部件，將絲桿擠壓機(jī)構(gòu)調(diào)整至線夾最大彎曲處正上方，旋轉(zhuǎn)手柄轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)升降絲桿垂直向下運(yùn)動(dòng)，線夾彎曲部位受到矯正力后，線夾整體由彎變直，從而實(shí)現(xiàn)矯正彎曲線夾的目的。應(yīng)用該工具矯正彎曲耐張線夾，平均約2 min 即可矯正一個(gè)壓接管，對(duì)比傳統(tǒng)敲打矯正方法，效率大幅提高。彎曲矯正工具與傳統(tǒng)敲打矯正法對(duì)比如表2 所示。從表2 中可以看出，本文中壓縮型耐張線夾矯正工具的靈活性好、通用性強(qiáng)、安全性高、方便攜帶，解決了目前公司系統(tǒng)在安裝壓縮式耐張線夾過程中存在的作業(yè)耗時(shí)耗力、壓接質(zhì)量不合格導(dǎo)致耐張線夾產(chǎn)生安全隱患等問題。

表2 彎曲矯正工具和傳統(tǒng)敲打矯正法的比較

3 結(jié)論

本文介紹了一種壓縮型耐張線夾彎曲矯正工具。首先推導(dǎo)計(jì)算了壓縮型耐張線夾彎曲矯正的力學(xué)模型，依據(jù)該模型可求得應(yīng)用研發(fā)工具后矯正所需的人力情況?；诹W(xué)模型完成了矯正工具的結(jié)構(gòu)和成品設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)敲打矯正法對(duì)比，該方法大幅提高了矯正效率，工藝效果得到明顯改進(jìn)。本文所設(shè)計(jì)研發(fā)的矯正工具實(shí)現(xiàn)了無損矯正耐張線夾，有效拓展了耐張線夾彎曲矯正的解決思路，保證了壓縮型耐張線夾的壓接質(zhì)量，提高了架空輸電線路運(yùn)行的可靠性和安全性。