徐勇明，湯一帆，張 盛，史建勛，郁云忠，張 征

（1.國網(wǎng)浙江嘉善縣供電有限公司，浙江 嘉興 314100；2.浙江工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014）

線纜矯直是線纜預(yù)制的一道重要工序［1］。為了提高線纜預(yù)制的質(zhì)量，須對線纜進行精準(zhǔn)矯直［2］。目前大多通過人力進行線纜矯直，費時且精度難以達到線纜預(yù)制的要求［3］。因此，研制高精度、自動化線纜矯直機對提高線纜預(yù)制的工作效率和標(biāo)準(zhǔn)化水平有著重要的意義。

國外對線纜矯直機的研究較早，在20世紀(jì)20年代，已經(jīng)在線纜矯直理論上取得了重大突破，近年來也取得了不少研究成果。如：Petruska等［4］對圓形棒材交叉輥子的矯直過程進行了有限元仿真，利用歐拉公式對彈塑性棒材多輥矯直過程進行了描述，提出了一種新的有限元模型，并簡化了矯直輥的幾何形狀等輸入?yún)?shù)和曲率等輸出結(jié)果的計算過程，優(yōu)化了輥子的嚙合過程；Galvis等［5］基于材料彈塑性行為進行彎曲軸矯直的數(shù)學(xué)模型開發(fā)，以確定彎矩和修復(fù)彎曲軸所需的最大矯直力，為延長矯直機壽命提供了理論基礎(chǔ)。國內(nèi)對線纜矯直機的研究較晚，直到20世紀(jì)70年代，國內(nèi)學(xué)者才開始對矯直機的輥子形狀進行分析，此后對矯直機各參數(shù)開展了研究［6-8］。此外，劉志亮［9］從研究矯直原理入手，對二輥矯直機輥形參數(shù)的計算公式進行推導(dǎo)，確定了輥子段、輥腹段、輥胸段的長度及輥子各段輥形半徑等參數(shù)，為二輥矯直機的設(shè)計提供了依據(jù)。Zhang等［10］提出了一種可變跨度多步矯直工藝，以提高矯直精度并減少長直線導(dǎo)軌多步矯直的矯正步驟。經(jīng)過試驗檢驗，該工藝可有效提高矯直精度和矯直速度，還可以有效地處理由單步矯直工藝引起的無效性。綜上，國內(nèi)外學(xué)者對矯直理論及工藝進行了深入研究，但目前線纜矯直的精度仍不理想，且在設(shè)計矯直機時缺乏可依賴的理論支撐，所需參數(shù)主要依靠經(jīng)驗公式和歷史數(shù)據(jù)來確定［11-12］，這使得線纜矯直機的設(shè)計及優(yōu)化成為一個難題［13］。本文以6組不同內(nèi)徑的線纜為研究對象，采用有限元軟件ANSYS workbench進行線纜矯直仿真，重點研究線纜壓入量、線纜內(nèi)徑和進給速度對矯直精度的影響，并在自動化電力矯直機上進行實驗驗證。以期通過仿真數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果的對比與分析，得到較為可靠的線纜撓度變化規(guī)律，為線纜矯直機的設(shè)計優(yōu)化提供參考。

1 線纜和矯直機模型的構(gòu)建

線纜矯直是一個利用線纜回彈實現(xiàn)其較高直線度的動態(tài)彈塑性變形過程［14-15］。為了準(zhǔn)確模擬線纜的變形過程及結(jié)果，采用ANSYS workbench 的瞬態(tài)動力學(xué)模塊對線纜矯直進行仿真分析。其中，線纜矯直精度用線纜直線度表示。線纜矯直后，取線纜表面的2 個節(jié)點，這2 個節(jié)點在豎直方向的位移差與這2 個節(jié)點間線纜長度的比值即為線纜的矯直精度。比值越小，代表線纜直線度越好，矯直精度越高。

1.1 線纜和矯直機模型的簡化

為提高仿真效率，保證模型的收斂性，須對線纜和矯直機模型進行適當(dāng)簡化。

線纜選用型號為JKTRYJ-10kV-35mm2的預(yù)制線纜。線纜分為內(nèi)層與外層，外層材料為交聯(lián)聚乙烯，內(nèi)層材料為軟銅。線纜的材料屬性如表1所示。內(nèi)層由多根銅線螺旋纏繞絞制而成，仿真中，若不對其結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)簡化，相互螺旋纏繞的銅線會使線纜的內(nèi)外層發(fā)生穿透，進而導(dǎo)致計算精度降低。同時，若線纜模型過于復(fù)雜，會極大地增加計算時間和難度。因此，將線纜內(nèi)層的銅線簡化為圓柱形單根銅線，線纜呈直徑為800 mm的半圓形彎曲。

表1 線纜的材料屬性Table 1 Material property of cable

通過分析線纜的矯直過程可知，線纜通過與矯直機的摩擦輪、矯直輥子接觸實現(xiàn)矯直，所以在簡化模型中只須設(shè)置矯直機的摩擦輪和矯直輥子，然后根據(jù)設(shè)計的矯直參數(shù)對線纜、摩擦輪、矯直輥子進行位置固定。七輥式矯直機簡化模型如圖1所示。其中：摩擦輪的半徑為25 mm，厚度為20 mm；矯直輥子的半徑為27.5 mm，厚度為60 mm。

圖1 七輥式矯直機簡化模型Fig.1 Simplified model of seven-roller straightener

1.2 線纜和矯直機模型參數(shù)和邊界條件的設(shè)置

在線纜矯直仿真中，線纜作為主要研究對象，設(shè)置為彈塑性材料，摩擦輪和矯直輥子設(shè)置為剛性材料。采用20 節(jié)點六面體實體單元Solid186 劃分線纜、摩擦輪和矯直輥子模型；按照表1參數(shù)設(shè)置相應(yīng)的材料屬性，并采用“Bonded”連接線纜模型的內(nèi)層與外層。線纜模型外層與摩擦輪、矯直輥子表面的接觸均設(shè)置為“Frictional”接觸。

為了獲取較高質(zhì)量的網(wǎng)格并減小計算量，對線纜、摩擦輪和矯直輥子模型進行面映射網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為6 mm，劃分單元數(shù)為12 580個。其網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。線纜矯直運動主要包括線纜的直線移動和摩擦輪、矯直輥子的轉(zhuǎn)動。在線纜矯直剛開始時，線纜完全依靠摩擦輪的轉(zhuǎn)動而移動，故不對線纜進行運動設(shè)置，而對摩擦輪施加轉(zhuǎn)速載荷。仿真時只考慮線纜單方向的撓度情況，故對線纜水平方向施加固定位移約束。綜上所述，線纜矯直機模型的邊界條件為：對線纜表面設(shè)置水平方向的固定位移約束，摩擦輪和矯直輥子位置固定不動，并對摩擦輪和矯直輥子設(shè)置轉(zhuǎn)動副，轉(zhuǎn)速設(shè)置為0.5～3 r/s。線纜矯直機模型的邊界條件設(shè)置如圖3所示。

圖2 線纜、摩擦輪和矯直輥子模型的網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh generation of cable, friction wheel and straightening roller models

2 線纜矯直仿真

2.1 線纜壓入量對矯直效果的影響

圖3 線纜矯直機模型的邊界條件設(shè)置Fig.3 Boundary condition setting of cable straightener model

線纜壓入量對線纜矯直機的設(shè)計及線纜矯直效果影響較大。壓入量過大可能導(dǎo)致線纜尺寸發(fā)生變化甚至線纜受到破壞，壓入量過小則會導(dǎo)致達不到預(yù)期的矯直效果。目前針對電力線纜矯直所需的壓入量沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)或研究。為避免對線纜造成過度擠壓，破壞線纜的導(dǎo)電性和安全性，選定壓入量0.5 mm作為固定值。設(shè)置線纜內(nèi)徑為8.4 mm，進給速度為0.36 r/s，進行線纜矯直仿真。

線纜矯直效果如圖4所示。由圖可知，矯直后線纜形狀近似于直線，說明矯直效果較好。

圖4 線纜矯直效果示意Fig.4 Schematic of straightening effect of cable

矯直后測量如圖4所示1與2之間均勻設(shè)置的線纜49個位置的撓度，以檢驗矯直效果。其中：位置2為線纜的始端，位置1與位置2的間距為250 mm。

不同位置處線纜撓度的仿真結(jié)果如圖5 所示。由圖可知，越接近線纜始端，線纜撓度越大，且近似呈線性增大。最大撓度出現(xiàn)在線纜始端，約為7.6 mm。仿真結(jié)果表明，矯直后線纜撓度較小，矯直精度較高，壓入量為0.5 mm時矯直效果較好。

2.2 線纜內(nèi)徑對矯直效果的影響

線纜內(nèi)徑是影響線纜矯直效果的重要因素之一。基于上述模型，對不同內(nèi)徑的線纜進行矯直仿真分析。選取6種不同規(guī)格的JKTRYJ-10kV-35mm2線纜，其具體規(guī)格如表2所示。

圖5 不同位置處線纜撓度的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of cable deflection at different positions

表2 JKTRYJ-10kV-35mm2線纜的6種規(guī)格Table 2 Six specifications of JKTRYJ-10kV-35mm2 cable

線纜的撓度取自圖4中位置1的值，即線纜矯直后距離線纜始端250 mm 處的撓度（下同）。固定線纜絕緣層厚度7 mm 不變，當(dāng)壓入量為0.5 mm，進給速度為0.36 r/s時，線纜撓度與線纜內(nèi)徑的關(guān)系曲線如圖6所示。由圖可知，隨著線纜內(nèi)徑增加，線纜撓度逐漸增大。當(dāng)線纜內(nèi)徑從6.4 mm增加到11.4 mm時，其撓度大約增加了17 mm；當(dāng)線纜內(nèi)徑從7.4 mm增加到8.4 mm時，其撓度幾乎不變；當(dāng)線纜內(nèi)徑超過8.4 mm 后，撓度增加的趨勢較為明顯?？梢娋€纜內(nèi)徑對線纜矯直效果的影響較為顯著。

圖6 線纜撓度與線纜內(nèi)徑的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curve between cable deflection and cable inner diameter

2.3 進給速度對矯直效果的影響

矯直機摩擦輪的最高轉(zhuǎn)速為3.0 r/s，故仿真分析在0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 r/s 進給速度下線纜的撓度。當(dāng)壓入量為0.5 mm，線纜內(nèi)徑為8.4 mm 時，線纜撓度與進給速度的關(guān)系曲線如圖7所示。由圖可知，當(dāng)進給速度從0.5 r/s增加到3 r/s時，其撓度大約增加了4 mm；隨著進給速度的提高，線纜矯直精度逐漸下降，但并非呈線性下降；進給速度從0.5 r/s增加1 r/s 時，對矯直精度的影響較大；進給速度從1.5 r/s增加到2 r/s時，撓度增加較為緩慢，對矯直精度影響不大。

圖7 線纜撓度與進給速度的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curve between cable deflection and feed rate

3 線纜矯直實驗

3.1 實驗裝置

為了驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，進行線纜矯直實驗。線纜矯直實驗裝置如圖8所示。其中：采用7個矯直動力輥子實現(xiàn)不同外徑的線纜自適應(yīng)矯直功能；設(shè)備前端配置了線纜驅(qū)動裝置；采用對心伺服調(diào)整方式來保證線纜加工中心線高度和水平位置，實現(xiàn)不同外徑系列的配電網(wǎng)電力線纜的矯直加工工藝。

圖8 線纜矯直實驗裝置Fig.8 Cable straightening experiment device

3.2 線纜試件的制備

將線纜折彎成與仿真一致的直徑為800 mm 的半圓形。線纜纏繞在線盤后固定24 h，以保證折彎效果，然后用剪線鉗剪下合適的長度（在剪線過程中盡量保持切口平整）。

3.3 實驗結(jié)果與分析

取壓入量為0.5 mm，線纜內(nèi)徑為7.4 mm，進給速度為3 r/s，調(diào)節(jié)實驗樣機的操作系統(tǒng)，進行線纜矯直實驗。撓度測量：以矯直輥子中水平線纜中心線為基準(zhǔn)，測出矯直后線纜中心點與它的差值，即為矯直后線纜的撓度值。為了減小測量誤差和加工誤差，進行3次實驗，最終結(jié)果取測量平均值，得到撓度為34.40 mm，而相應(yīng)的仿真值為35.39 3mm。仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的誤差在10%之內(nèi)，可見線纜矯直有限元模型準(zhǔn)確有效，其仿真結(jié)果可為矯直機的設(shè)計提供參考。

3 結(jié) 論

1）在0.5 mm 的壓入量下線纜的矯直效果較好，且不會對電力線纜造成損傷。

2）在一定的矯直條件下，線纜內(nèi)徑對矯直精度的影響較大。在其他條件不變的情況下，線纜內(nèi)徑越大，線纜矯直后的撓度越大，矯直精度越小，且減小的趨勢呈非線性。

3）線纜矯直成形后的撓度與其進給速度有關(guān)。隨著線纜進給速度的增大，其撓度逐漸增加，且增加的趨勢呈非線性。