720K900Z型扩径导线卡线器的设计要点

720K900Z型扩径导线卡线器的设计要点

陈曼龙，张琦

(陕西理工学院 机械工程学院， 陕西 汉中 723000)

[摘要]由于结构原因，大截面扩径导线在架线施工中需要使用专用的卡线器。通过对一种大截面扩径导线的结构分析，说明了扩径导线卡线器的设计要点、难点。在给出扩径导线卡线器设计中材料选择的基础上，根据设计要点和难点给出了大截面扩径导线卡线器的设计方案以及设计难点的解决办法。根据设计要求提出了扩径导线卡线器的设计准则，并依据主要设计参数给出了结构件参数的选择方法、材料热处理方法和强度校核方法。最后给出了一种可供参考的扩径导线卡线器的结构。

[关键词]电力工具设计；扩径导线；卡线器；设计要点

[文章编号]1673-2944(2015)05-0011-05

[中图分类号]TH134; TM752

收稿日期：2015-04-10

基金项目：陕西省科技厅科研计划项目(2014K06-44)

作者简介：陈曼龙(1968—)，男，陕西省汉中市人，陕西理工学院副教授，硕士生导师，硕士，主要研究方向为精密测量与精密仪器设计；张琦(1983—)，女，陕西省南郑县人，陕西理工学院讲师，硕士，主要研究方向为测控技术与仪器。

卡线器是架线工程施工中必不可少的安装工具。在施工中将卡线器锚绳与导线相连接，通过锚绳起到收放导线、调整导线弧垂、修补和对接导线、安装或更换导线上的连接紧具的作用[1]。扩径导线卡线器是专为扩径导线放线施工的专用工具[2]。扩径导线种类繁多，结构各异，为保证施工顺利和防止损坏导线，每种类型扩径导线需要不同结构形式的卡线器进行施工[3-4]。本文介绍一种适用于扩径比为1.25的扩径导线卡线器的设计过程和设计要点，希望能对同类卡紧装置的设计提供参考。

1设计分析

1.1　720K900Z型扩径导线的结构

由于扩径导线与一般导线不同，扩径导线按比例抽股，导致结构松散[5]。图1所示为720K900Z高密度聚乙烯支撑型扩径导线断面结构示意图，其内圈全部抽空，中间钢芯用绝缘材料包裹，再以十字形支撑外圈，外圈以Z字形铝导线相扣[6]。这种结构会使导线破断力比一般导线小的多，导线抗压力也非常小[7]。

图1　 720K900Z型扩径导线结构示意图

1.2　设计要点

卡线器属高空作业工具，结构上须力求简单实用[8]。扩径导线结构松散，易于损坏，设计时必须兼顾这两个特点。归纳起来扩径导线卡线器设计必须满足以下几方面要求：(1)重量轻、操作简单；(2)既要可靠夹持，又不能损伤导线；(3)满足施工中对卡线器4种工况的要求，即不移位收、放线，移位收、放线；(4)满足导线额定负载(张力)要求。

720K900Z扩径导线主要技术参数：工作负荷P=60 kN，静试验负荷Q=150 kN，安全系数S=2.5，导线直径40 mm。

1.3　设计难点

扩径卡线器设计难点主要是如何减小扩径导线在夹持受力时的变形量。扩径导线额定负载大(一般在200 kN以上)，而扩径导线结构松散，在受挤压过程中容易变形。卡线器在夹线过程中不允许夹伤导线，扩径导线卡线器甚至被要求卡线时导线变形量小于70%。

2扩径卡线器设计

2.1　材料选择

扩径导线卡线器的材料选择主要从重量、摩擦系数、强度以及硬度等几个方面来考虑。重量方面主要考虑到扩径导线卡线器作为高空作业工具，卡线器应该重量轻；摩擦系数方面要求所选材质(特别是钳口)与铝合金导线表面应该有较大的摩擦系数，以防止导线相对卡线器钳口滑动；强度上要求所选材质强度应与钢材相近，以满足导线额定张力的要求；为防止过硬的钳口损伤导线，硬度方面要求卡线器材质表面硬度不能过高。根据以上要求，初步选择材料有LC4与45#钢。表1为LC4与45#钢相关性能对比。综合比较表1中两种材料的性能情况，可以看出高强度铝合金材料LC4更符合要求。

表1　LC4与45 #钢材料性能对比

2.2　设计方案

为减轻重量和便于操作，扩径导线卡线器的结构采用杠杆连杆式机构，主要由拉环、拉板、动压板、上压板和定压板组成，如图2所示。工作时拉拽拉环1，通过定压板2带动动压板3顺时针旋转，使得上夹板4将扩径导线6压紧在下夹板5上，由导线与夹板产生摩擦力克服导线的拉力，达到夹持导线的目的。圆环槽7保证上、下夹板夹紧或松开时始终保持平行。

1.拉环　2.定压板　3.动压板　4.上夹板5.下夹板　6.扩径导线　7.圆环槽 图2　扩径卡线器机构原理图

2.3　设计难点的解决途径

由于导线要求变形量小，而卡线器夹持力又要足够大，所以要求卡线器对扩径导线的包容量大。要扩大卡线器对扩径导线的包容量有两个方法，即加长钳口和增加上夹板与增大下夹板的夹持槽槽深。

卡线器钳口长度应大于或等于8.5d~20d(d为导线直径，单位：mm)[9]。需要指出的是，过多地加长钳口会导致定压板尺寸偏大。扩径卡线器是一个杠杆连杆式机构，为使在夹紧导线时各杆件间夹角基本保持不变，就需要加大各零件尺寸，造成卡线器重量过大，携带不方便，给高空作业也带来一定困难。

夹板的夹持槽深与所夹持导线直径密切相关，为使夹持可靠，夹持槽深必须小于导线直径。而扩径导线结构松散，受力后变形较大，为防止夹紧时上夹板压在下夹板上，引起夹持失效，就必须确保卡线器在夹线后上夹板与下夹板间留下足够的空隙δ，见图3。

图3　钳口截形

2.4　钳口截形设计

卡线器上夹板4和下夹板5的钳口截形应能减少二者在夹紧导线时引起的导线变形量。为此，采用钳口形状为与扩径导线外形面相贴合的圆弧面，使得上下夹板夹紧导线时所形成的一个圆柱腔体紧密地与导线啮合在一起，保障足够大的包容面积，减小由正压力挤压引起的导线的变形量[10]。为防止工作过程中上、下夹板棱角切断导线和作业中碰伤导线表面，将上、下夹板两端及所有边棱设计成光滑的圆弧面过渡，见图3中r1、r2，r1可取值2~5 mm，r2一般取为5~8 mm。

3选择设计参数

3.1　确定工作负载

当安全系数取为2.5时，导线最大使用张力可按导线计算破断力保证值的30%选取，720K900Z扩径导线的额定负载为186 kN，由此确定卡线器工作负载为60 kN，其静试验负载为Q=2.5×60 kN=150 kN。

3.2　设计准则

(1)σj≤[σj]。即为防止扩径导线受到过大挤压力而发生损伤，要求上、下夹板对导线产生的挤压应力应小于导线材料允许的挤压应力。

(2)Ff≥FL。为保证工作时导线可靠夹持的目的，上、下夹板因夹持导线而产生摩擦力Ff必须能克服导线的拉力FL，保证导线不会因受拉力作用而滑出。

3.3　杆件间几何关系要求

为保障牵引卡线器时导线与上、下夹板间不会产生相对滑动，卡线器设计的关键点在于要确保拉环上的力能最大限度地施加到上夹板上，且当上、下夹板夹紧导线后实现自锁。为此就必须严格设计好拉环与定压板、定压板与动压板、动压板与上夹板之间的夹角。为便于对各杆件几何关系做分析，将机构图2简化为图4。

图4　扩径卡线器机构杆件几何关系

依照图4，就扩径导线卡线器设计中的要点做以下归纳：

(1)合理选择β值。从动力学方面而言，β角取值主要以保证施工时导线不会松脱为前提，即保证动压板与上夹板的夹紧力造成的摩擦力始终大于工作拉力P；从运动学方面，β角取值要力图保证上夹板运动轨迹始终平行于下夹板，避免刮伤导线；此外，还要使得动压板和上夹板长度尺寸较小，以利于高空作业。

(2)选择杠杆动、阻力臂比。图4中DC和DB分别是阻力臂和动力臂，阻力臂DC值选取与上夹板与扩径导线的摩擦系数和上夹板夹紧行程有关，当上夹板与导线摩擦系数为0.15～0.3时，可选择杠杆动、阻力臂比1.8～3.0之间。该值取值较小时可以较好地保证自锁性，但也会使上夹紧板夹紧行程缩短，扩径导线结构松散，要求上夹板有较大的夹紧行程，应选择较大值。

(3)定压板与动压板传动角θ，即图4中∠ABD。首先，根据杆件机构设计要求，θ≥40°；其次，考虑到工作可靠性，应尽量保证拉环有足够大的行程L0(一般应大于70 mm)。

另外，考虑到人工搬运的便利性，和为不使得整个装置体积过于庞大，影响高空作业，机构最长杆尺寸应小于400 mm。

3.4　钳口圆心包角

为防止损坏导线，必须保证扩径导线在工作负荷下所受挤压应力小于导线材料允许的挤压应力。即σj≤[σj]。取上夹板和下夹板夹紧面积相同，并取实际有效接触面积是理论接触面积的0.5倍，则有

即

式中：α为上夹板或下夹板夹紧圆弧面圆心包角，单位(°)；F为卡线器在额定静负载下对导线的夹持力，单位N，可由F=P1f计算得到，P1为产生加持力的夹紧力，f为上、下夹板与扩径导线的摩擦系数，可取为0.3；[σj]为扩径导线许用挤压强度，单位N/mm2；R为夹紧圆弧面半径，取值为扩径导线半径，单位mm；L为上夹板或下夹板有效夹紧长度，单位mm。

3.5　钳口最大开口选择

卡线器最大开口δ是根据扩径导线的外径定的。卡线器要求导线可直接放进卡线槽或可直接从卡线槽中取出。720K900Z型扩径导线外径为40 mm，卡线器最大开口可稍大于扩径导线即可，δ可根据导线最小弯曲半径选择，弯曲半径较大时取较小值，取值在2~8 mm，本次设计将扩径导线卡线器的最大开口定为43 mm。

3.6　强度校验

扩径导线卡线器各杆件应全部采用锻压件，材质宜选用超硬铝LC4，各杆件要全部按所受最大负载进行强度校核。杆件间连接销钉(图4中A、B、C、D处)材质宜选为40Cr淬火，也要进行挤压和抗剪切强度校验。

3.7　总体结构与外观

设计完成的卡线器总体结构见图5(a)。图中卡线器拉板上装有扭簧a，能保证在没有外力作用时，有一定的夹紧力。使用时只须推动a，夹板张开，将导线放置于夹板中，松开卡线器，在扭簧的作用下，上下夹板即可夹住导线。图5(b)为所设计的720K900Z型扩径导线卡线器实物图。

(a) 结构图

(b) 实物图

4总结

电力架线施工属于高空作业，施工工具的易用性直接关系到施工人员的安全性。通常不同规格型号的扩径导线需要不同规格的卡线器进行施工。大截面扩径导线结构松散，收、放线施工更需要专门的卡线器。在分析扩径导线结构的基础上，结合720K900Z型扩径导线卡线器工程设计的成功案例，给出了一种大截面扩径导线卡线器的设计要点和设计中应该注意的事项，能为其它扩径导线卡线器设计提供帮助。

[参考文献]

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[10]贾炳斗.防止导线施工磨损的几项改进[J].电力建设,1984(9):39-40.

[11]中华人民共和国国家电网公司.Q/GDW389-2009架空送电线路扩径导线架线施工工艺导则[S].北京:中国电力出版社,2010.

[责任编辑：魏 强]

Key points in design of rope clamps for extended diameter wires

CHEN Man-long,ZHANG Qi

(School of Mechanical Engineering, Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000, China)

Abstract:Special rope clamps are needed for large section of extended diameter wires during transmission line construction because of structural reasons. Through the analysis of a large cross-section of extended diameter wires structure, the main and difficult design points are introduced. Base on material selection in design of the rope clamps, design scheme and solution to the difficult points are presented according to the main and difficult points. In response to the design requirement, the design criterion is provided. Ways of main design parameters selection, method of material heat treatment and strength check are given in designing clamps of extended diameter wires in accordance with main design parameters.A structure of extended diameter wires clamps engineering drawing is presented finally as a reference.

Key words:electric power tool design;extended diameter wires;rope clamps;main design points