新型钥匙扣式导线端线夹的设计与仿真分析

2015-10-30李岩舟班彩霞潘荣安

制造业自动化 2015年11期

李岩舟，班彩霞，潘荣安，郭宁

（广西大学机械工程学院，南宁 530004）

0 引言

短路接地线用于将输电线路接地，是保障电力检修人员人身安全的必备装置。短路接地线主要由接地端线夹、接地线、导线端线夹等组成，其中，导线端线夹是影响接地线路性能和操作的关键。为保证电力工作人员工作安全、防止设备突然来电和邻近高压带电设备产生感应电压对人体的危害，同时释放断电设备的剩余电荷[1,2]，在对高压设备进行停电检修时必须要挂接导线端线夹。目前，短路接地线常用的导线端线夹大多存在装拆困难、与输电线连接不可靠、紧固力低、稳固性差等缺陷。从保证安全和提高工作效率出发，本文研究设计了一种基于钥匙扣原理的新型导线端线夹装置，旨在克服传统短路接地线的弊端，使其具有夹紧力大、装拆效率高、安全可靠的特点。该装置具有很好的应用前景，在临时故障抢修中能显著缩短停电时间，使电力系统尽快恢复正常和减少停电损失，同时有利于电网的安全稳定运行。

1 新型导线端线夹装置的整体结构与工作原理

1.1 现有普通导线端线夹结构的优缺点

国外对短路接地线的研究比较早，目前普遍采用可分离式绝缘操作杆旋转导线端线夹的螺杆来实现线夹与导线间的夹紧与松放。国内市面上常见的携带型短路接地线的导线端线夹，按导线夹紧机构工作原理分类有螺旋压紧式和弹簧压紧式两种。而在实际使用中，根据现场情况的不同从这两种工作原理的线夹又演变出单舌弹簧式、双舌弹簧式、平口式和颚口式[3]等样式的线夹。

通过比较我们发现，无论线夹如何变化，虽然在导线端线夹的性能上有所改进，但却无法改变螺旋压紧式和弹簧压紧式线夹各自所固有的缺陷。螺旋压紧式线夹为了保证能够适应不同线径的导线，一般开口较大，且螺纹自锁的特性保证了其连接牢固。但拆装复杂，工作强度大，且容易出现由于工作人员疏忽而没有拧紧，从而产生触电事故的危险。弹簧压紧式线夹安装较为方便，但存在对不同线径适应性差，连接不牢固，在大风作用下容易产生导线剧烈摆动而脱落的危险。

通过上述分析及施工现场的实地调研了解到，如能设计一款新型线夹，其能结合弹簧压紧式简易操作的优点及螺旋压紧式牢固不易脱落的优点进行设计，将能降低挂接操作不易的难题，同时提高接地装设工作的安全性。通过对上述导线端线夹的分析，确定主要的研究思路如下：在传统的双舌弹簧式导线端线夹的基础上进行改进，结合钥匙扣开合的原理，使新型的导线端线夹能够轻易上夹且不易脱落。线夹尾部增加的万向节[4]又能使线夹轻松逾越耐张塔绝缘子对导线进行接地挂接，在保证工作人员安全的前提下实现可靠的挂接作业。

1.2 新型导线端线夹的整体结构设计与工作原理

新型导线端线夹主要由U型夹、弹片、线卡、挡板、牵引绳和万向节[5]组成，其中：U型夹弯曲部顶面上开有两个对称布置的左凹槽和右凹槽，左凹槽用于放置左弹片，右凹槽用于放置右弹片，左弹片与右弹片呈八字形相向对称布置，其结构与钥匙扣开合的结构原理相同，左弹片与U型夹及右弹片与U型夹之间均设有复位弹簧，该复位弹簧为扭簧；挡板是线卡中间的连接板，挡板与U型夹之间也设置有复位弹簧，该复位弹簧为扭簧；挡板前端固定牵引绳，牵引绳为绝缘绳，牵引绳穿过夹体引至绝缘杆操作端；线卡为四边形结构，其中一个顶角为圆弧形卡扣，用于托住高压导线，整个线卡与U型夹通过销连接，可在平行于U型夹侧面的平面内转动；万向节设置在U型夹的底端，与U型夹通过销连接。

工作原理：工作时，对整个U型夹施加向下的作用力，使高压导线与线卡的底部边缘相接触并同时开始顶开线卡。线卡开始顺时针转动，线卡与U型夹之间的扭簧进一步被压缩，高压导线侧身挨着U型夹继续向上运动，然后进入至左弹片和右弹片形成的八字形夹口内。当左右弹片与U型夹之间的扭簧达到压缩最大值时，高压导线的位置得以固定。与此同时，高压导线与线卡便开始松开接触，线卡在扭转弹簧作用下逆时针转动，直至回复到初始位置。此时，线卡顶部的圆弧形卡口便抵在高压导线的下边缘，使高压导线不能向下运动，高压导线的位置完全被固定，即使在大风环境，导致高压导线产生舞动，也能防止高压导线从线夹中脱出。当需要拆卸时，拉动牵引绳，使线卡顺时针转动。当线卡底边转至与U型夹侧边平行时，向上提起整个U型夹，高压导线便可从U型夹中脱出，完成拆卸过程。

该结构优点：由于在U型夹上通过销轴连接了可转动的线卡，线卡的下部侧边缘设成便于导线进入U型夹内的斜线，使高压导线在不需要拉动绝缘牵引绳便可顶开线卡进入两弹片内，使挂线操作变得简单。同时，线卡上部边缘设有与导线相配的弧形卡口，使被两弹片夹住的导线再被卡住，限制其向下运动，使高压导线完全被固定。即使在大风环境，甚至导线产生舞动，也能防止导线从线夹中脱出，这样线夹就有了双重的防脱落保护，从而保证施工中工作人员的人身安全和设备安全。另外，双弹片和卡口的夹紧配合，能适应不同的线径，增加了工作的灵活性。

2 新型线夹装置的应力分析与材料选择

2.1 U型夹和弹片之间的扭簧的设计计算[6,7]

设该扭簧的最小工作扭矩为T1=100N.mm，最大工作扭矩为Tn=400N.mm，自由状态下的角度为0φ=120°，工作扭转角为0φ=45°，根据设计要求，该扭簧为 Ⅲ 类弹簧，选碳素弹簧钢丝B级，初步假设钢丝直径d=1mm～2mm，查得：

图1 新型钥匙扣式导线端线夹

则许用弯曲应力pσΒ：

钢丝直径d：

其中：Tn=400N.mm，曲度系数K1=1.15。

取标准值d=1.6mm，B级，查表可知，bσ=1570MPa，大于Bpσ=1252MPa，故安全。

弹簧圈数n：

其中：系数E=206×103mm，弹簧中径D=10mm。

故，取整数值，n=6。

2.2 U型夹和挡板之间的扭簧的设计计算

设该扭簧的最小工作扭矩为T1=50N.mm，最大工作扭矩为Tn=100N.mm，自由状态下的角度为0φ=160°，工作扭转角为0φ=60°，根据设计要求，该扭簧为 Ⅲ 类弹簧，选碳素弹簧钢丝B级，初步假设钢丝直径d=0.6mm～0.9mm，查得：，取bσ=1700MPa，则许用弯曲应力pσΒ：

钢丝直径d：

其中：Tn=50N.mm（注：平列双扭弹簧是直臂扭转弹簧的两个组合，故取其中一半进行计算），曲度系数K1=1.15，取标准值d=0.8mm，B级。查表可知，，大于pσΒ=1360MPa，故安全。

弹簧圈数n：

其中：系数E=206×103mm，弹簧中径D=8mm。

故，取整数值，n=7。

2.3 夹体材料的选择

导线端线夹作为长距离的（5m左右）的操作对象，在材料方面需尽可能满足以下要求：1）要求夹体材料重量尽可能轻，减少繁重的操作过程；2）作为夹持机构，要求夹体要有足够的强度；3）夹体材料作为导电体，必须具有良好的导电性和热导率；4）由于夹体加工比较复杂且为了降低成本，希望材料价格低、易加工。综合以上要求选择铸铝合金ZAlSi7Cu4（ZL107）[8]。

ZL107为Al-Si-Cu系铸造铝合金，可热处理强化。其力学性能优于ZL104等铸造铝合金，但其铸造工艺性能如流动性及形成热裂倾向却比ZL102、ZL104要差。该合金的气密性、焊接性及切削加工性好，但耐蚀性不高，所以需变质处理。ZL107适用于铸造形状结构复杂，气密性好和强度适中的零件，如机架、汽车汽缸盖、内燃机曲轴箱、柴油机汽化器零件以及电气设备外壳、钢琴盖板等。

夹体材料为方形截面杆（如图2所示），长100mm，宽28mm，高18mm。承受轴向载荷F=100N的正向拉力，材料屈服强度sδ=125MPa，安全系数ns=1.5，对该杆进行强度校核。

杆的横截面上的正应力为：

许用应力为：

图2 夹体材料方形截面杆

3 ADAMS仿真模拟

为了能在模型制作出来之前就获得构件的动力学情况，避免出现运动功能上的缺失或者出现受力过大的死点，对模型进行仿真模拟[9～11]，检验和分析模型的不足之处，便于为以后的优化设计做准备。

针对U型夹装入导线的过程进行仿真。导线固定不动，U型夹向导线移动，模拟人为将U型夹挂入导线的过程。将建好的三维立体模型导入ADAMS，对材料进行定义。添加约束条件，给导线添加固定副，给U型夹添加移动副并与大地连接，移动副方向对准导线方向，给U型夹和两片弹片，U型夹和挡板弹舌均添加旋转副。对模型进行模拟仿真，仿真时间为3秒，步数为150步。导出相应的碰撞接触受力图，如图3～图5所示。

1）弹片1和2的碰撞接触力图：