异形齿轮高空接线钳设计与仿真分析

曾星宏，张耀山，陈光

（超高压输电公司南宁局，广西南宁530021）

异形齿轮高空接线钳设计与仿真分析

曾星宏，张耀山，陈光

（超高压输电公司南宁局，广西南宁530021）

高空接线测试设备是电力部门进行预防性试验和状态检修测试所使用的一种必要装备，其性能的优劣将直接决定试验过程的安全性、准确性及效率。针对现有接线钳存在的一些问题，设计出一款基于异形齿轮的新型高空接线钳，对其整体结构和工作原理进行了介绍，对关键部件进行了应力分析和材料的选择，研究结果表明：该高空接线钳结构简单，操作简便，能满足工作要求，同时减轻了工作人员的劳动强度。

异形齿轮；高空接线钳；应力分析；仿真分析

随着科技的进步，电力事业的发展也越来越快，电力检修任务也日益加重，其中牵涉对电气设备进行接触电阻、回路电阻、电流互感器（TA）等高空及接电试验。在这些位置较髙、不能直接接触到的电气设备进行试验时，就需要使用高空接线钳进行试验工作［1，2］。使用高空接线钳可以提高现场作业人员的安全系数，降低劳动强度以及提高工作效率，所以高空接线钳已经成为电力部门必不可少的工具。现有的高空接线钳存在诸多缺点：一是上、下钳口在同一直线上，操作时下钳口往往遮挡上钳口从而妨碍操作者把接线钳勾挂到高空中的高压线，导致操作困难；二是结构复杂，零件数较多，整体重量大，举杆连接导线时容易晃动，重心不稳，容易发生倾覆，存在安全隐患；三是接线过程费时费力［3］。针对现有高空接线钳存在的问题，本文设计了一款基于异形齿轮的新型高空接线钳。

1　高空接线钳的工作环境

高空接线钳的工作环境非常复杂，测试地点通常为野外，有平原地区，也有海拔较高的山地。接线钳工作对象是高压线，需要工作人员将其高举6～8 m勾挂到高压电线上并带电作业，而我国绝大部分地域为亚热带气候，常年伴随有较强的季风，从而使高压线产生随机性的舞动干扰测试工作，这些因素无疑给作业人员带来一定的安全隐患，高海拔地区更使得安全隐患加倍［4］。可见，性能优异、操作简便的高空线路检测设备对于目前任务繁重、人手不足的电力部门来说具有非常重要的意义。

2　异形齿轮高空接线钳的整体结构及工作原理

2.1异形齿轮高空接线钳的整体结构

如图1所示，异形齿轮高空接线钳包括：钳座、上钳口、异形齿轮下钳口、齿条、绝缘杆、棘轮勾与扭转弹簧。上钳口焊接在钳座上部，异形齿轮下钳口位于上钳口正下方并铰接于钳座上，上、下钳口之间形成与高压线相匹配的夹口；钳座上安装有与异形齿轮啮合的齿条并设有位移限制机构；钳座上还安装有用于向上推动异形齿条的绝缘杆。

图1　异形齿轮高空接线钳结构示意图

2.2异形齿轮高空接线钳的工作原理

异形齿轮接线钳的工作原理是利用齿轮齿条啮合将直线运动转化为转动，从而实现钳口的开合。其工作过程如下：检测时，将绝缘杆向上推动，在力的作用下，钳座上的棘轮机构被打开，接线钳解锁，齿条向上移动，使得与齿条啮合的异形齿轮顺时针滚动，带动下钳口向下翻转，从而使钳口打开至最大；将接线钳高举并使上钳口勾挂在高压电线上，向下拉绝缘杆，使齿条向下移动，迫使异形齿轮逆时针滚动，使上钳口和下钳口闭合，此时钳座上的棘轮机构将限制齿条向上移动，锁住下钳口，使接线钳牢牢的夹紧电线。此时可以进行检测工作，当检测工作完成后，推动绝缘杆向上运动，在力的作用下，钳座上的棘轮机构被打开，接线钳解锁，齿条向上移动，迫使与之啮合的异形齿轮顺时针滚动，从而使钳口打开，取下高空接线钳，工作结束。

本设计方案的优点：

（1）过齿轮齿条啮合，把绝缘杆的直接垂直运动转化为下钳口的转动，钳口开口角度可达56°，有效避免了开口过小引起的视线遮挡问题。这一创新给操作人员提供了很大的便利，很大的提升了工作效率。

（2）结构简单，操作便捷，只需向下拉绝缘杆以及向上推绝缘杆就可以完成所有的工作。

（3）工作可靠性提高，零件少，加工成本低廉，可行性高。

（4）省时省力。齿轮、单向齿条啮合本身带有一定杠杆特性，当上钳口勾挂到高压线上后绝缘杆的自重会成为上钳口与下钳口闭合的动力，可减轻工作人员的劳动强度。

3　异形齿轮高空接线钳的关键几何参数设计及应力分析

3.1异形齿轮高空接线钳的关键几何参数设计

国内的高压线多采用钢芯铝绞线，其外径尺寸为：18 mm～51.5 mm的不同型号［5］。本文以外径为30 mm的高压线为基准进行设计，由高压线的外径确定上、下钳口夹紧高压线后的相对距离为30 mm，由此可知齿轮半径最大不能超过30 mm，考虑到接线钳的整体重量，以及接线钳的整体尺寸，根据齿轮分度圆直径计算公式：

D=mz

选取齿轮，齿条模数m=2，齿数z=20.将建好的各零件三维模型装配，在三维软件中进行调试确定齿条所需长度以及其它尺寸。钳座高度主要由上、下钳口张开角度和齿条的长度确定。如图2所示，在接线钳钩挂到高压线的过程中当上、下钳口夹角刚好为56°时，下钳口不遮挡上钳口的视线。接线钳主要尺寸参数如表1所示。

图2　上、下钳口打开结构示意图

表1　异形齿轮高空接线钳主要尺寸参数

3.2异形齿轮高空线钳建模

本文运用SolidWorks软件进行建模，由于上、下钳口上用于除锈的锯齿不影响整体的结构强度，而在划分网格过程中会对网格质量产生很大的影响，因此，在建立仿真模型时为了减少计算量而忽略这些锯齿。另外，在夹持高压线的过程中，从总体的受力上看，该接线钳强度最薄弱的地方在异形齿轮和齿条的啮合齿之间，为了减少计算量将模型进行简化，进行应力分析时只对异形齿轮和齿条进行应力分析。接线钳的三维模型如图3所示。

图3　接线钳三维模型（整体）

打开插件COSMOSWorks，建立网格类型为实体网格，分析类型为静力学分析。模型建立的步骤为：

（1）定义材料：接线钳作为长距离的（6 m左右）的操作对象，要求钳体材料尽可能的轻，而作为夹持机构又要求钳体有足够的强度，而且作为导电体，钳体必须有良好的导电性和热导率。同时由于钳体加工比较复杂，这样就要求材料易加工，且为了降低成本，希望材料来源丰富，价格低。综合以上要求选择铸铝合金ZAlSi7Cu4（ZL107）［6］。该合金的气密性、焊接性及切削加工性好，但耐蚀性不高，需变质处理。材料定义后，其中的泊松比、弹性模型、密度等信息自动赋予相应的零部件；

（2）定义载荷/约束：在齿条的下表面定义固定约束，在异形齿轮的轴孔定义铰链约束，根据国家标准的要求，夹持力不小于100 N，所以在异形齿轮的夹持面定义一个大小为100 N的夹持反作用力；

（3）定义接触/缝隙：在齿轮、齿条的传动中，通常是两个齿同时啮合，因此在异形齿轮和齿条之间定义两个接触面组；

（4）网格划分：为了获得较高质量的网格，在异形齿轮和齿条啮合的两个齿附近定义网格控制，同时，网格参数设置为良好，进行网格划分，划分结果如图4所示。

图4　网格划分模型

3.3异形齿轮高空线钳的仿真分析

仿真结果如图5和图6所示，其中，图5是异形齿轮和齿条的应力图，图6是异形齿轮和齿条的位移图。从图6可以看出，异形齿轮和齿条的最大应力为4.374 MPa.

图5　应力图

图6　位移图

查机械手册知，ZAlSi7Cu4（ZL107）的屈服强度δs＝125 MPa，安全系数ns＝1.5.满足强度要求［7］。从图5可知，下钳口最大变形量为0.008 8 mm，变形非常微小，接线钳不会脱落，满足设计要求。

4　结束语

本文对传统高空接线钳进行改进和完善，基于异形齿轮齿条啮合设计了一款新型的高空接线钳，并对接线钳的关键几何参数进行了设计，同时进行了仿真分析。物理样机如图7所示。试验结果表明，本文设计的新型高空接线钳操作简便，能满足工作要求，同时减轻了工作人员的劳动强度。

图7　物理样机

［1］董国威，宋根华.新型升降式高空接线钳的研制及应用［J］.安徽电力，2014，（3）：70-74.

［2］陈凤银，田保坤，赵飞桃.便携式角度可调电力高空测试钳的改进［J］.电气设备，2014，（7）：82-86.

［3］李昌兵，周子明，安平月.伸缩式高空试验接线器田.农村电气化，2012，（6）：44-46.

［4］高代勇，马永勇，彭沧钿，等.浅析高海拔地区10 kV配电线路带电作业风险［J］.科技与创新，2016，（3）：58-61.

［5］陈叔刚.超高压输电线路运行与检修实用教程［M］.北京：中国电力出版社，2014.

［6］张志坚，司乃潮，刘光磊，等.ZAlSi7Cu4在不同工艺条件下的热疲劳性能［J］.特种铸造及有色合金，2012，32（004）：381-385.

［7］李洁，李骏带.机械设计手册［M］.北京:电子工业出版社，2007.

Simulation Analysis of Special-Shaped Gear High Altitude Wiring Clamp

CENG Xing-hong，ZHANG Yao-shan，CHEN Guang
（Bureau of Nanning Extra-high Voltage Power Transmission Company，Nanning 530004，China）

High altitude wiring test equipment is preventive test of power department and the state overhaul test used by a kind of essential equipment and the pros and cons of its performance will directly determine the safety，accuracy and efficiency of its test.Aiming at some problems of the existing terminal clamp，designed a specialshaped gear high altitude wiring clamp.Introduced of its overall structure and working principle.Analysed the stress and select material on the key components.The results show that:the structure of the high-altitude wiring clamp was simple and the operation of it is convenient.It can satisfy the working requirements and reduce the labor intensity of the workers at the same time.

special-shaped gear；High altitude wiring clamp；stress analysis；simulation

TM452

A

1672-545X（2016）08-0110-04

2016-05-05

曾星宏（1972-），男，广西岑溪人，高级工程师，工学硕士，主要从事变电检修工作。