韓志軍 于智博 韓東峰 常彥 張斌
摘要:目前使用的更換絕緣子工具和儀器在更換輸電線路上的絕緣子串時(shí),不能及時(shí)更換輸電線路側(cè)第一個(gè)損壞得絕緣子,在效率和通用性方面存在很大的不足。為了使特高壓線路更穩(wěn)定、更安全地運(yùn)行,本文開(kāi)發(fā)了一種新型通用卡具,可及時(shí)更換損壞的絕緣子,提高了特高壓線路的運(yùn)維效率。通過(guò)有限元法對(duì)新型卡具的力學(xué)性能進(jìn)行分析,通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了新型卡具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。
關(guān)鍵詞:高壓輸電線路,絕緣子串,通用卡具,有限元分析
1.引言
越來(lái)越多的特高壓交直流輸電線路投入運(yùn)行[1],特高壓骨干網(wǎng)已逐步形成。目前,550kN絕緣子主要用于特高壓線路的耐張塔。由于受電場(chǎng)的影響,輸電線路側(cè)絕緣體上的電壓大于其他部位[2]的絕緣體,容易發(fā)生斷裂。目前,更換絕緣子工具和儀器在效率和通用性方面存在很大的不足。
實(shí)際工程中使用的絕緣子和金具的規(guī)格有很多??ň咝枰鶕?jù)管件類型進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì)制造,應(yīng)用條件苛刻且專業(yè)。對(duì)于不同的配件,需要相應(yīng)的卡具來(lái)滿足實(shí)際需要,這樣會(huì)造成工具的積壓和浪費(fèi)。倉(cāng)儲(chǔ)卡具規(guī)格的增加,無(wú)形中造成了庫(kù)存管理的專業(yè)性和相關(guān)負(fù)責(zé)人的專業(yè)性,對(duì)操作人員的專業(yè)性提出了更高的要求[3]-[4]。為減輕倉(cāng)庫(kù)管理及相關(guān)負(fù)責(zé)人和操作人員的工作強(qiáng)度,有效降低管理成本,工具的通用化、易操作、輕量化、智能化已成為工具發(fā)展的方向。許多研究人員對(duì)絕緣子串更換線夾進(jìn)行了相關(guān)研究。例如,文獻(xiàn)[5]研究了500kV輸電線路更換絕緣子卡具,文獻(xiàn)[6]研究開(kāi)發(fā)了L形絕緣子更換卡具。但上述研究并未考慮夾具的通用性,應(yīng)用范圍存在局限。
基于以上分析,本文研制了一種新型通用卡具,可及時(shí)更換損壞的絕緣子,提高了特高壓線路的運(yùn)維效率。并通過(guò)有限元法對(duì)新型夾具的力學(xué)性能進(jìn)行分析,通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了新型卡具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。
2.通用卡具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1)材料參數(shù)
比強(qiáng)度是材料的抗拉強(qiáng)度與表觀密度的比值,也稱為強(qiáng)度重量比。比強(qiáng)度是材料輕量化的重要指標(biāo)。優(yōu)質(zhì)的材料必須具有較高的比強(qiáng)度,即強(qiáng)度高、重量輕。通過(guò)比較不同材料的比強(qiáng)度,選擇性能更高的材料進(jìn)行通用卡具的設(shè)計(jì)和制造。表1所示為不同材料的比強(qiáng)度。從表1中可以看出,滿足高強(qiáng)度輕量化要求的高強(qiáng)度鋁合金和高強(qiáng)度鈦合金比其他材料具有更高的比強(qiáng)度,便于現(xiàn)場(chǎng)施工和高空施工要求。此外,高強(qiáng)度鈦合金的剛度比明顯優(yōu)于其他材料。因此,本文選用高強(qiáng)度鈦合金制作萬(wàn)能夾具。
2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與受力分析
本文以1000kV特高壓輸電線路單片瓷絕緣子更換鈦合金卡具為例進(jìn)行
分析。通用卡具尺寸及結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,其中a為通用卡具前夾,b為絲桿,c為通用卡具后夾。通用卡具代替原絕緣子承受拉力。受力示意圖如圖1所示。
通用卡具工作時(shí),需要擰緊絲桿,卡箍與剛性帽的接觸部分可視為固定約束,左右端耳板可視為加載端。在分析通用卡具的力學(xué)性能時(shí),前后夾具可以等效為一個(gè)簡(jiǎn)單的梁,受3點(diǎn)力平衡,可以認(rèn)為前后卡具上的力相同。根據(jù)通用卡具的受載特性和邊界條件可知,該結(jié)構(gòu)主要承受彎矩和剪切力,整體結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為如圖2所示。
根據(jù)圖2,可以計(jì)算出前后卡具的相關(guān)參數(shù)。假設(shè)前后卡具受力相同,等效示意圖如圖2所示。由于橫截面結(jié)構(gòu)的不同,前后夾鉗的相關(guān)參數(shù)將分別進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。
3.通用卡具機(jī)械特性分析
本文采用AitairHyperWorks軟件用作有限元分析工具。為減少計(jì)算規(guī)模,盡可能真實(shí)地反映通用卡具的主要力學(xué)性能,需要對(duì)通用的三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,如對(duì)零件表面進(jìn)行平滑處理等。圖5所示為有限元分析的流程圖。
施加載荷和邊界條件后進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和分析。采用SolidWorks3D建模軟件用于對(duì)通用卡具進(jìn)行建模。根據(jù)通用卡具圖紙和受力邊界條件,建立卡具結(jié)構(gòu)的三維有限元模型和幾何模型。紅色部分代表約束,綠色部分代表施加載荷。有限元模型的單元總數(shù)和節(jié)點(diǎn)總數(shù)分別為272875和56778。圖6所示為通用卡具的三維模型。圖7-圖9所示為施加載荷和邊界條件后的通用卡具的有限元模型,以及整個(gè)模塊的應(yīng)力云圖和位移云圖。從上圖可以看出,裝置受力時(shí)的最大應(yīng)力為618.3Mpa,出現(xiàn)在A-A截面上。材料屈服強(qiáng)度為824Mpa,滿足強(qiáng)度要求。此外,其他構(gòu)件的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力均小于相應(yīng)的許用應(yīng)力,強(qiáng)度符合要求。萬(wàn)能夾最大位移為1.82mm,滿足設(shè)計(jì)要求。
4.通用卡具機(jī)械實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
1)通用卡具制作工藝分析
根據(jù)鈦合金材料的特點(diǎn),本文制定了通用卡具制造工藝。鈦合金硬度大于300HBS~350HBS時(shí),切削困難。造成加工困難的原因不僅在于材料硬度,而是鈦合金的機(jī)械、化學(xué)和物理性能的綜合。變形系數(shù)小是鈦合金切削的最大優(yōu)點(diǎn)。這是因?yàn)殁伜辖鸬乃苄孕?,切削收縮也小。但在切削過(guò)程中,切削部件的主切削力比45鋼小,背力比45鋼大20%。切削鈦合金時(shí),切削溫度比同等條件下切削其他材料高1倍以上。并且最高溫度在刀具附近的小區(qū)域內(nèi)。原因是鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)小,切屑接觸長(zhǎng)度短(僅為45鋼的50%~60%)。切削鈦合金時(shí),由于切削熱量大,切削溫度高,附近切削集中,月牙形凹坑會(huì)迅速發(fā)展為切削刃損傷。由于鈦的化學(xué)親和力高,再加上切屑的高溫高壓作用,切削時(shí)容易發(fā)生嚴(yán)重的粘著現(xiàn)象,導(dǎo)致刀具的結(jié)合磨損。圖10所示為本文設(shè)計(jì)的通用卡具實(shí)物圖。
4.通用卡具機(jī)械實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
2)通用卡具機(jī)械實(shí)驗(yàn)
在大型拉力機(jī)上進(jìn)行通用卡具的力學(xué)實(shí)驗(yàn)。圖11所示為實(shí)驗(yàn)裝置圖。通用卡具和絕緣子串組裝安裝在拉力機(jī)上。設(shè)備的張力根據(jù)輸送線實(shí)際張力增加2.5倍以上,然后啟動(dòng)拉力機(jī)。
當(dāng)施力增加到輸電線路實(shí)際張力的2.5倍時(shí),通用卡具沒(méi)有出現(xiàn)損壞,最大變形為4.25mm。拉力機(jī)卸載后,通用卡具無(wú)變形,無(wú)損壞跡象,符合設(shè)計(jì)要求。圖11所示為通用卡具安裝示意圖。
總結(jié)
為了使特高壓線路運(yùn)行更穩(wěn)定、更安全,本文研制了一種新型通用卡具,可以及時(shí)更換損壞絕緣子,提高了特高壓線路的運(yùn)維效率。對(duì)于不同類型的連板,可以更高效地完成輸電線路側(cè)第一個(gè)損壞絕緣子的更換。通過(guò)有限元法對(duì)新型卡具的力學(xué)性能進(jìn)行分析,通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了新型卡具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。
致謝
本項(xiàng)目由國(guó)網(wǎng)山西省電力公司科技項(xiàng)目資助,項(xiàng)目編號(hào)52051018001A。
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