輸電線路鐵塔基礎變形實驗系統(tǒng)的設計

劉冠辰　王　孟　徐　輝,2　劉榮海

(1.華北電力大學 機械工程系, 保定 071003; 2.華北電力大學云南電網公司研究生工作站, 昆明 650217;

3.云南電網有限責任公司電力科學研究院, 昆明 650217)

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輸電線路鐵塔基礎變形實驗系統(tǒng)的設計

劉冠辰1,2,*王孟1徐輝1,2劉榮海3

(1.華北電力大學 機械工程系, 保定 071003; 2.華北電力大學云南電網公司研究生工作站, 昆明 650217;

3.云南電網有限責任公司電力科學研究院, 昆明 650217)

摘要輸電線路我們日常生活中扮演著十分重要的角色,而輸電鐵塔的基礎對于線路的正常運行至關重要。對鐵塔基礎變形模擬實驗裝置進行了設計,選取了少自由度機構作為裝置模型并進行3D建模,之后進行運動仿真,驗證了利用該裝置來模擬實驗的可行性。仿真后選擇合適的裝置使得驅動方式滿足三個方向的行程需求,利用基于虛擬仿真技術的實時控制方式解決了裝置的控制問題,并根據使用條件對該裝置進行了剛度和強度設計。

關鍵詞基礎變形, 輸電鐵塔, 少自由度機構, ADAMS仿真

Design of an Experimental System for Tower FoundationDeformation Testing

LIU Guanchen1,2,*WANG Meng1XU Hui1,2LIU Ronghai3

(1.Department of Mechanical Engineering,North China Electric Power University, Baoding 071003, China;

2.Graduate Workstation of North China Electric Power University & Yunnan Power Grid Corporation, Kunming 650217, China;

3.Electric Power Research Institute,Yunnan Electric Power Test & Research Institute Group Co Ltd, Kunming 650217, China)

AbstractTransmission lines are important infrastructure and the foundation stabilityof the transmission towers is essential for the power line safety. This paper presents the design of a foundation deformation experimental simulator, which selectsa lower-mobility parallel mechanism as the device model. With the help of the Pro/E and ADAMS, this paper simulated and finally validated the feasibility of this device. Through the use an appropriate driving method, it can achieve the route demands in three directions. With the advantage of a real-time control function based on the simulation technology, control issues were solved. Finally, on the basis of the working condition, the rigidity design of the device was completed.

Keywordsfoundation deformation, transmission tower, lower-mobility parallel mechanism, ADAMS

1研究背景

電力工業(yè)是國民經濟的基礎產業(yè),電力供應的安全穩(wěn)定直接關系到國民經濟的發(fā)展和社會的和諧[1]。在經濟全球化的大環(huán)境下,近十年來我國將成為世界制造業(yè)的中心,這對我國電力行業(yè)提出了更高的要求。一方面,迅速升高的用電量亟需大量電能支持;另一方面,我國能源分布嚴重不均,需要均衡資源。經濟發(fā)展對電能需求量大,電網密集對輸電走廊又有諸多限制,所以輸電線路不可避免地經過煤礦開采、凍土等基礎變形區(qū)[2]。受此類地形狀態(tài)的影響,輸電線路鐵塔基礎可能會發(fā)生沉降、傾斜、不均勻沉降、水平滑移等破壞,進而使鐵塔的根開和塔腿高差發(fā)生變化,塔體結構產生較大的附加應力,造成塔體局部破壞或整體發(fā)生倒塌,直接威脅鐵塔安全及線路的穩(wěn)定運行。比如內蒙古烏海伊公線50號鐵塔,山西省長治市境內的110 kV漳庫I、II回15-22號鐵塔[3]等,已有多處鐵塔基礎發(fā)生沉降、傾斜或滑移。這些安全隱患有可能導致許多不堪設想的事故。

2地表變形對鐵塔的損害機理

2.1　地表下沉對高壓輸電鐵塔的影響

輸電鐵塔屬于點式高建筑物,鐵塔基礎規(guī)模相對不大、單塔占地面積較小,承受動荷載能力強、允許變形量大。但鐵塔對傾斜變形非常敏感。因傾斜偏心矩的作用,這種高層構筑物在塔體任意截面內產生自重附加彎矩,在彎矩作用下,可能沿塔體中部某截面發(fā)生斷裂破壞。作為輸電線路的重要組成部分,鐵塔動態(tài)變形規(guī)律成為高壓輸電線路能否安全運行的關鍵。鐵塔突然的、局部陷落,可能導致線塔傾覆、斷電等安全事故,必須加以防范。

地表下沉將引起輸電鐵塔的基礎下沉,地下開采導致的地表下沉將引起高壓輸電鐵塔基礎的下沉,且鐵塔基礎底面的不均勻沉降將導致鐵塔上層部分產生附加應力,當鐵塔構件的內力在附加應力的作用下超過材料的容許應力時,將導致鐵塔結構的破壞,引發(fā)安全事故。根據電力部門的實踐經驗,對于根開在4~7 m的自立式直線塔的不均勻沉降量必須控制在12.7~25.4 mm之間才能保證其自身的穩(wěn)定性。相鄰鐵塔下沉的不一致對導線的近地距離也有一定的影響,這主要取決于沿線路的地形特征和相鄰鐵塔下沉的差異。鐵塔位于采空區(qū)中間,一般易引起鐵塔基礎下沉、內收、塔身變形;鐵塔位于采空區(qū)邊緣時,一般易引起鐵塔基礎一側下沉較多,并向各底滑落,塔身傾斜變形,如圖1所示。

圖1　地表不均勻沉降引起的鐵塔傾斜Fig.1　Tower tilting caused by surface uneven settlement

2.2　地表傾斜對高壓線塔的影響

高壓輸電鐵塔基礎底面積小,高度大,屬于桿狀構筑物,其對傾斜變形非常敏感。影響對象包括鐵塔及其基礎、絕緣子串、線路檔距等,主要體現在:①開采導致的地表傾斜將引起高壓線塔基礎發(fā)生相應的傾斜。②檔距的變化相應地引起線路弧垂、近地距離發(fā)生變化。鐵塔傾斜引起導線中的應力重新分布,為了保持各檔之間的應力平衡,懸垂串將發(fā)生偏移以平衡各檔間的不平衡張力,懸垂串將向張力大的一側偏斜,還可能引起導線對塔頭放電事故的發(fā)生。③鐵塔傾斜導致的導線松弛和傾斜后鐵塔實際高度的減小,可能引起導線近地距離的不足。

2.3　地表水平變形對高壓線塔的影響

地表水平變形通過鐵塔基礎的底面和側面,使塔基受到附加的拉伸或壓縮應力作用。地表水平變形對塔基的破壞作用很大,尤其是拉伸變形的影響[4]。塔基抵抗拉伸能力遠小于抵抗壓縮的能力,所以較小的地表拉伸變形可能使塔基產生開裂性裂縫。

2.4　地表曲率對塔基的影響

地表曲率變形表示地表傾斜的程度,由于出現了曲率變形,地表將由原來的平面變成曲面形狀。在正負曲率作用下,各有兩種情況,一種是塔基全部切入地基,另一種是塔基部分切入地基。塔基在受到正負曲率影響下,將使地基反力重新分布,改變了鐵塔各部分原有的應力平衡狀態(tài)。地表曲率的影響將使塔基受到附加的彎矩和剪力作用。一般情況下,地表的拉伸變形和正曲率變形同時出現,地表的壓縮變形和負曲率變形也同時出現。其具體影響過程見圖2[5]。

圖2　地基變形對高壓輸電線路的影響Fig.2　Effects of ground deformation onhigh-voltage transmission lines

3實驗裝置設計及幾何建模

3.1　實驗裝置模型要求

為了使實驗裝置可以模擬基礎變形,需同時滿足以下幾點要求:①能實現對鐵塔四個塔腳點X,Y,Z三個方向的位移調節(jié)。②四個塔腳點位移調節(jié)保證互不干涉。③根據實驗需求要有足夠的調節(jié)空間。④裝置在調節(jié)過程中須能實現

自鎖,保證某個方向的自由度為0。⑤保證足夠的機械強度和剛度的同時,盡可能地減小因裝置自身變形導致的誤差。⑥裝置調節(jié)過程中,每個方向力的施加最大值不應小于10 000 kN。

3.2　裝置模型選取及依據

目前關于基礎變形對鐵塔影響的研究以理論研究為主,或是對發(fā)生基礎變形區(qū)域的鐵塔進行測量和測試,收集數據進行研究,涉及單獨實驗很少[6]。本次設計需依據試驗對裝置的要求選取合適模型,目前能調節(jié)三個方向位移的機械結構主要有導軌式結構(圖3)和機器人中應用的多自由度結構(圖4)。

圖3　導軌式三自由度機構Fig.3　A rail with 3 degrees of freedom

圖4　六自由度平臺Fig.4　A plate with 6 degrees of freedom

對比兩種結構前者具有結構簡單易于調節(jié)的優(yōu)點,但此裝置需要有較好的承力性能,圖3所示的結構不具有此項功能。圖4所示的結構雖然較為復雜,但是結構穩(wěn)定、施力功能和剛度較好,能滿足實驗要求。由于其具有六個自由度的調節(jié)功能,且控制系統(tǒng)復雜,所以本次裝置選了類似的一種簡單的結構如圖5所示。

圖5　少自由度并聯機構Fig.5　Less DOF mechanism

3.3　少自由并聯機構介紹

所謂并聯機構,即有多自由度,而且驅動器分配在不同環(huán)路上的閉式多環(huán)機構,并聯機構具有剛度大、承載能力強、位置精度高、響應快等許多串聯機構所沒有的優(yōu)點。并聯結構有如下特點:

(1) 并聯機器人其末端件上平臺同時由3根或6根驅動桿支撐,因而剛度大,承載能力與整機質量比大,結構穩(wěn)定性好;

(2) 在位置求解上,反解容易而正解困難,由于實時控制中經常用到的是機構的逆解計算,所以說,實時控制比串聯機構簡單;

(3) 和串聯機器人不一樣,不存在誤差累積和放大,各桿件誤差形成平均值誤差小,可獲得較高的運動精度;

(4) 運動鉸鏈較短,驅動裝置可以直接安裝在機架處,零件標準化程度高易于實現模塊化設計;

(5) 并聯機器人工作空間與機器尺寸比小;

(6) 機器人運動部件質量輕,因此響應速度快,可獲得很高的動態(tài)特性,運動速度高,運動慣性小。

本文利用螺旋理論來分析新型少自由度并聯機構,利用運動螺旋和力螺旋之間的對偶關系,建立少自由度并聯機器人機構類型綜合的結構模型。因為并聯機器人機構是由支鏈、動平臺和靜平臺組成,其結構的設計關鍵在于其各支鏈的結構形式,各支鏈的設計是機構設計的重點,按機構對各分支約束條件的要求,設計出有能夠符合要求的所有支鏈結構形式,進在考慮避免奇異位形的基礎上將所需的分支與平臺聯接成為所要求的少自由度并聯機器人機構。接下來可以通過ADAMS仿真驗證其運動特性及控制方式[7]。

4基于ADAMS運動特性仿真及控制仿真

本節(jié)將對上述少自由度并聯機構進行運動學仿真,驗證其運動特性。并在原有機構基礎上改變其驅動方式,通過仿真反解其控制方式。

4.1　機械系統(tǒng)動態(tài)仿真步驟

機械系統(tǒng)的仿真一般步驟如圖6所示。

圖6　機械系統(tǒng)動態(tài)仿真分析步驟Fig.6　Mechanical system simulation analysis flow chart

按原模型給裝置添加驅動,在靜平臺轉軸處添加轉動驅動,速度為15 d*time,將step設置為5 000,進行模擬可以觀察動平臺運動效果。由ADAMS的后處理功能能觀察每個構件的運動速度、角速度、加速度及位移。圖8是上述模擬過程中動平臺在X,Y,Z三個方向的位移隨時間變化情況。

圖7　在ADAMS中建立的裝置模型Fig.7　ADAMS model

圖8　動平臺在單轉動副驅動下三向位移隨時間變化曲線Fig.8　Three-direction displacement in singlerotation of the moving platform

為了驗證其運動特性,需要觀察運動過程中動平臺的角速度,如圖9所示。由圖可以看出,動平臺的角度在10-9數量級,可以忽略不計。

圖9　動平臺的角速度變化Fig.9　Angular velocity of the moving platform

由模擬得出的位移及速度變化圖可以得出以下結論:

(1) 試驗裝置具有三個方向的移動自由度,在模擬過程中角速度幾乎為0,不具有轉動自由度。

(2) X,Y兩個方向的可以通過兩個轉動副的協調驅動,來實現其沿X,Y方向的單向運動。

(3) 裝置動平臺在Z方向位移不為零,位移量很小,且隨時間變化呈非線性,將三方向的位移置于同一坐標系下,由于變化量較小,Z方向位移可忽略,如圖10所示。

圖10　動平臺在單轉動副驅動下X,Y,Z三個方向位移隨時間變化Fig.10　Displacements of the movingplatform in X, Y, Z direction

4.2　可行性分析

本次設計初衷是通過所選模型三自由度并聯裝置實現對鐵塔四個腳點三個方向位移的調節(jié)。由上節(jié)的模擬結果可以看出此裝置在動平臺單轉動副驅動下的運動特性:X,Y方向成線性變化,Z方向的位移量很小可以忽略。所以通過轉動副驅動只能實現X,Y方向的移動控制,且實現單向運動時有如下困難:

(1) 協調性問題不容易解決,單向運動需要兩個轉軸按一定速率比運動。

(2) 動力不易添加,由于此裝置在改變位移時需要很大的力,所以轉動副處需要的轉矩非常大,所以能控制轉動速度的動力很難添加。

(3) 自鎖問題不容易解決,裝置改變塔腳點位移后需要通過自鎖機構鎖定動平臺位置,一般機械機構中轉動自鎖靠渦輪蝸桿來實現,但這種機構會與動力添加產生矛盾。

(4) 構件強度問題,由于轉動副處轉矩非常大,所選材料尺寸會很大,從而影響整個機構空間尺寸及布置方式。

綜上所述,此裝置在轉動副上加不能完成對踏腳點的Z方向位移調節(jié),且對X,Y方向的調節(jié)不易控制,所以需要改變驅動方式。

4.3　驅動方式的選擇及控制實現

由上節(jié)結論可知,需通過改變驅動方式來實現其調節(jié)功能。另外兩個運動副分別為圓柱副和移動副,而在圓柱副處添加驅動不易實現且不能解決Z方向行程不足的問題,所以選擇在移動副處添加驅動。為了使控制方便精準,驅動構件選擇液壓缸。這種控制方式有如下優(yōu)點:

(1) 解決了Z方向行程不足的問題,Z方向的行程可通過三個液壓缸的同步伸縮完成。

(2) 系統(tǒng)受力狀況好,裝置的動平臺由液壓缸控制,主要控制力為液壓缸的軸向力。

(3) 提高了裝置剛度,本裝置的剛度主要由連接件的軸向變形決定[17],改為液壓缸后就能通過液壓缸的伸縮彌補由軸力引起的微小變形。

(4) 控制精度高,液壓缸具有較高的控制精度,能減小由裝置引起的誤差。

本驅動方式需要解決如何控制上平臺按預定方向及位移移動的問題[8]。目前解決這種問題的主要方法有正解法和反解法[9],而這兩種方法在計算上都比較復雜,上海交通大學提出了一種基于虛擬仿真技術的實時仿真控制。這種控制方法基本思想是通過仿真讓動平臺運動到預定位置,反解出液壓缸的運動曲線后,將此運動曲線作為控制器的輸入數據完成對平臺的實時控制。本次控制計劃采用上述方法,基本虛擬仿真的實時控制原理圖如圖11所示。

圖11　基于虛擬仿真的實時控制原理圖Fig.11　Virtual simulation-based real-time control scheme

下面通過ADAMS模擬兩種工作狀況,并得出運動曲線及液壓缸的長度變化曲線。工況(一):給上平臺加兩個方向的位移驅動,X方向給定速度20 mm/s,Z方向速度20 mm/s,運動時間為1 s,步數1 000，圖12是工況(一)動平臺位移曲線,圖13是三個連接件的長度變化。

圖12　動平臺位移曲線Fig.12　Displacement of moving platform

圖13　三連接件的長度變化Fig.13　Length change of rads

由工況(一)的運動曲線可以得出以下結論:

(1) 該平臺能實現預定位移單雙向運動(單向平動已在裝置運動特性中說明過),且不產生干涉(模擬中Y方向沒有位移)。

(2) 可以通過仿真模擬得出運動過程中三個連接桿的長度,且有較高精度。該裝置在實際工作過程中還可能有三向位移調節(jié)需求,工況(二)將模擬該裝置三向運動特性并驗證其控制方法。

工況(二)給上平臺加三個方向的位移驅動,X,Y,Z三個方向都給同樣的速度20 mm/s,運動時間為1 s,步數1 000,如圖14所示。

圖15是連接桿長度變化。

圖15　連接桿長度變化Fig.15　Length change of rods

由上面的運動曲線可知,該裝置可以實現預定三向位移的調節(jié)功能,所得運動曲線符合要求,且三個方向位移互不干涉。測得桿長變化精準,可以實現其控制功能。

5實驗裝置受力分析

5.1　構件機構載荷校驗

試驗裝置主要靠三個支撐桿承力及施壓,由于其在調節(jié)過程中空間位置有多種,受力狀況比較復雜,在此選取一種受力最大的工作狀況進行分析,如圖16所示。

圖16　機構受力簡圖Fig.16　Force diagram

令支撐桿1內旋15°,并使坐標系X,Y軸都與支撐桿1的投影線呈45°。此時X,Y,Z三個方向的靜力平衡方程如下:

∑Fx=F1×sin15°×sin45°-Fx=0

∑Fy=F1×sin15°×sin45°-Fy=0

∑Fz=F1×sin15°+F2+F3-Fz=0

由于鐵塔作用在動平臺上的力相對于三個支撐桿的垂直距離相差不大,這里取等值。則補充的力矩平衡方程為:

F1×sin15°=F2=F3

取設計參數Fx=Fy=Fz=5×104N。則由以上公式可得:

F1=109.68 kN

F2=16.67 kN

F3=16.67 kN

5.2　構件強度校驗

該裝置受力狀況良好,裝置所承受的力主要是三個液壓缸所在的連接結構的軸力,所以只需校驗動靜兩平臺上軸及動平臺連接螺栓的剪切強度即可。

(1)轉軸剪切強度校驗

如圖17(a)所示,取軸力設計值F=120 kN,有:

圖17　轉軸受力示意圖Fig.17　Force of the shaft

且:

滿足強度要求。

(2)動平臺連接螺栓校驗

如圖17(b)所示,取F=120 kN,有:

且:

滿足強度要求。

6結論

本文對輸電線路鐵塔基礎變形實驗系統(tǒng)的設計,主要做了下述三部分工作:

(1) 選取了機器人中的少自由度并聯機構作為裝置模型,該機構具有剛度大、精度高、結構緊湊等優(yōu)點,是實驗裝置的理想模型。

(2) 利用三維建模軟件建立了幾何模型,通過ADAMS實現了其運動特性的模擬。

(3) 利用仿真模擬解決了裝置的控制問題。根據裝置的使用條件,對裝置進行了機械結構設計,并對裝置進行了強度校驗。

本文主要的創(chuàng)新點是少自由度并聯機構的引入,設計過程中解決的難題是改變驅動方式后的控制問題。總體來說本次設計的裝置滿足了實驗需求,裝置剛度大,精度高,結構緊湊,效果比較理想,可以應用于鐵塔基礎變形實驗。

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收稿日期：2014-11-06

*聯系作者， Email:Ljzmax@qq.com