一種新型可調(diào)節(jié)更換耐張單片絕緣子萬(wàn)用后備保護(hù)卡具的研制

譚力 徐坤 梁煜曉 陳永德 曾臻 唐光輝

摘 要：在輸電線路運(yùn)行當(dāng)中，當(dāng)玻璃絕緣子串中出現(xiàn)零值絕緣子時(shí)，絕緣子就會(huì)發(fā)生自爆。如果剩余的良好絕緣子片數(shù)不能滿足絕緣要求時(shí)就會(huì)危及輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此需要停電或帶電對(duì)零值絕緣子進(jìn)行更換。但是現(xiàn)有的更換絕緣子的卡具需要根據(jù)絕緣子碗頭型號(hào)大小來(lái)選用，同時(shí)由于不同廠家生產(chǎn)出的絕緣子碗頭可能大小不一，有時(shí)則需要定制卡具，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。故研制一種新型的帶保護(hù)機(jī)構(gòu)的萬(wàn)用工具來(lái)解決此問(wèn)題。該工具能有效提高更換效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，增加施工的安全性。

關(guān)鍵詞：輸電線路;更換絕緣子;保護(hù)機(jī)構(gòu);萬(wàn)用工具;降本增效;安全

引言

在輸電線路運(yùn)行當(dāng)中，當(dāng)玻璃絕緣子串中出現(xiàn)零值絕緣子時(shí)，絕緣子就會(huì)發(fā)生自爆。如果剩余的良好絕緣子片數(shù)不能滿足絕緣要求時(shí)就會(huì)危及輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，隨著國(guó)網(wǎng)輸電線路的日益完善，電力公司對(duì)線路的檢修、技改工作量也相應(yīng)增加。因此需要停電或帶電對(duì)零值絕緣子進(jìn)行更換的工作量也逐年增加，根據(jù)《電力安全工程規(guī)程》提出的安全施工要求，本文提出了一種新型的帶保護(hù)機(jī)構(gòu)的萬(wàn)用工具，以提高施工的安全及效率。

1萬(wàn)用后備保護(hù)卡具的構(gòu)成

萬(wàn)用后備保護(hù)卡具是基于傳統(tǒng)更換絕緣子的方法進(jìn)行研制的，可適用于一定范圍內(nèi)變化的絕緣子鋼帽，并且具有后備保護(hù)裝置，能夠大幅度增加卡具的通用性與安全性。

萬(wàn)用后備保護(hù)卡具主要是由可調(diào)節(jié)卡具主體、傳動(dòng)絲杠、后備保護(hù)裝置、轉(zhuǎn)軸、鎖緊螺母等元件構(gòu)成。

考慮到輸電線路更換絕緣子的的重要性和難度，對(duì)萬(wàn)用后備保護(hù)卡具進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

1、根據(jù)更換絕緣子工具的基本原理，需要萬(wàn)用后備保護(hù)卡具能夠?qū)^緣子的卡點(diǎn)有較好的包容性以保證安全。

2、根據(jù)絕緣子的外型尺寸，需要萬(wàn)用后備保護(hù)卡具能夠進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同尺寸的同級(jí)別絕緣子。

3、在絕緣子更換的作業(yè)中，需要萬(wàn)用后備保護(hù)卡具能夠拆裝方便，操作可靠簡(jiǎn)單。

4、由于需要適應(yīng)不同尺寸的絕緣子，使用頻率較高，考慮選用高強(qiáng)度材料，增加安全性，降低風(fēng)險(xiǎn)。

5、盡可能的減輕重量，方便攜帶和高空操作。

2萬(wàn)用后備保護(hù)卡具的工作原理

各個(gè)廠家生產(chǎn)的絕緣子由于生產(chǎn)工藝及誤差的影響，尺寸都有一定的差別。參考絕緣子更換的原理，如圖1所示，影響絕緣子更換的關(guān)鍵尺寸為D、φ和D1。通過(guò)對(duì)不同廠家的生產(chǎn)的同噸位絕緣子的研究測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了這些關(guān)鍵尺寸有以下的共通性：

1.D尺寸：D尺寸的變動(dòng)范圍為大約在10mm內(nèi);

2.φ尺寸：D-φ的值基本相同;

3. D1尺寸：D-D1的值基本相同。

通過(guò)以上研究結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，如果絕緣子更換工具能滿足不同絕緣子的D尺寸，那么可以確定此工具可以通用。

圖2為后備保護(hù)裝置示意圖，兩端連接與卡具上，待更換絕緣子時(shí)內(nèi)滑竿隨絲杠收緊一起回收，當(dāng)絲杠脫開(kāi)時(shí)，內(nèi)滑竿與外滑竿靠限位塊來(lái)限制，保證卡具不會(huì)脫開(kāi)。

3萬(wàn)用后備保護(hù)卡具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

萬(wàn)用后備保護(hù)卡具應(yīng)用于輸電線路更換絕緣子，因此在外形上不能做太大的改變，需考慮安裝及強(qiáng)度等問(wèn)題。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的使用情況，萬(wàn)用后備保護(hù)卡具外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖所示。

4萬(wàn)用后備保護(hù)卡具的選材

根據(jù)現(xiàn)在市面上常用的金屬材料，可供選擇的材質(zhì)及機(jī)械性能見(jiàn)表1。

由表1可知，40Cr、7A04、TC4三種材料的機(jī)械強(qiáng)度都較高，對(duì)于鋼材40Cr及鈦合金TC4的機(jī)械性能σb及σs很接近，鋼材40Cr的比重比鈦合金TC4高1.8倍。鈦合金TC4力學(xué)性能σb及σs較鋁合金7A04增加了1倍左右;鋁合金7A04的工藝性及加工性要比鈦合金好，且價(jià)格便宜。經(jīng)過(guò)性能及性價(jià)比對(duì)比，最終確定了以下設(shè)計(jì)加工方案：

（1）可調(diào)節(jié)卡具主體選用TC4鈦合金材料。鈦合金TC4比重比鋁合金7A04大1.6倍，但力學(xué)強(qiáng)度均為鋁合金的2倍多，做成的卡具除長(zhǎng)度尺寸外，其他外形尺寸均比鋁合金卡具小一半，整體重量反比鋁合金卡具輕，另外由于外形尺寸小，使用時(shí)需要的安裝空間小，操作也相對(duì)方便的多。

（2）傳動(dòng)絲杠選用40Cr優(yōu)質(zhì)合金鋼材料。40Cr合金鋼加工性能好，強(qiáng)度高，剛性強(qiáng)，是加工絲杠最合適的材料。

（3）后備保護(hù)裝置選用鋁合金材料。經(jīng)過(guò)受力分析，后備保護(hù)裝置可以選用航空用超硬鋁合金，此材料重量輕，強(qiáng)度高，加工方便且降低成本。

（4）其余主要受力件均采用40Cr優(yōu)質(zhì)合金鋼材料，增加安全性。

5強(qiáng)度計(jì)算[1]

通過(guò)模擬工況進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，分析計(jì)算結(jié)果，用以驗(yàn)證160kN萬(wàn)用后備保護(hù)卡具是否能滿足前期設(shè)想的功能，取得理論依據(jù)。

根據(jù)卡具受力情況，簡(jiǎn)化力學(xué)模型[2]：

由上圖可以看出，在A-A截面處有最大彎矩，故對(duì)此截面進(jìn)行計(jì)算為主。

A-A截面處的強(qiáng)度計(jì)算：

A-A處的截面結(jié)構(gòu)如下圖

經(jīng)計(jì)算該截面慣性距為：Ia=494333.333mm4

則該截面的抗彎截面模量為W=Ia/23=21492.75361mm3

施加于該截面上的彎距為：

M =（P/2）×210×3=（45000/2）×210×3=14175000N.mm

則該截面上的彎曲應(yīng)力為：

σ=M/W=659.6<σs=824Mpa

B-B截面處的強(qiáng)度計(jì)算：

B-B處的截面結(jié)構(gòu)如下圖

經(jīng)計(jì)算該截面慣性距為：Ia=444944.667 mm4

則該截面的抗彎截面模量為W=Ia/23=19345.3913mm3

施加于該截面上的彎距為：

M =（P/2）×125×3=（45000/2）×125×3= 8437500N.mm

則該截面上的彎曲應(yīng)力為：

σ=M/W

σ= 437Mpa<σs=824Mpa

C-C截面處的強(qiáng)度計(jì)算：

C-C處的截面結(jié)構(gòu)如下圖

經(jīng)計(jì)算該截面慣性距為：Ia=300712.000 mm4

則該截面的抗彎截面模量為W=Ia/23=13074.43478mm3

施加于該截面上的彎距為：

M =（P/2）×83×3=（45000/2）×83×3= 5602500N.mm

則該截面上的彎曲應(yīng)力為：

σ=M/W

σ= 429Mpa<σs=824Mpa

D-D截面處的強(qiáng)度計(jì)算：

D-D處的截面結(jié)構(gòu)如下圖

則由手冊(cè)查得該截面的抗彎截面模量為W= 4232mm3

施加于該截面上的彎距為：

M=（P/2）×30×3=（45000/2）×30×3= 2025000N.mm

則該截面上的彎曲應(yīng)力為：

σs=M/W=479MPa<σs=824Mpa

故卡具在工作負(fù)荷作用下，工作是安全的，并且有足夠的安全裕度。

卡具兩端的耳片截面計(jì)算：

耳片截面圖如下：

此處截面容易發(fā)生剪斷，故該處截面以剪切計(jì)算為主。

剪切面面積A=15.5×12=186mm2

剪切力為P/2=45000/2=22500N

故剪切應(yīng)力為δ剪=22500/186=120.97MPa

取安全系數(shù)為3，則TC4的許用剪切應(yīng)力為：

δ許=824×0.6/3=164.8MPa >δ剪=120.97MPa

由此可以看出，該截面的強(qiáng)度足夠安全

耳片處螺釘?shù)挠?jì)算：

由于該處的螺釘為M14的自制螺栓。為工廠廠標(biāo)件，工作強(qiáng)度足夠，在此就省略計(jì)算。

D尺寸比標(biāo)準(zhǔn)尺寸小10mm時(shí)：

當(dāng)D尺寸比標(biāo)準(zhǔn)尺寸小10mm時(shí)，卡具只有前卡卡爪出不能完全包圍絕緣子掛點(diǎn)，只能包容一部分（如下圖），其余受力情況不變，故只需計(jì)算卡爪受力：

卡爪受力計(jì)算：

許用剪切應(yīng)力<τ>=824×0.6/3=164.8MPa

卡爪所受剪切力τ=9P/2πdb=46.07 MPa≤<τ>

卡爪所受彎曲應(yīng)力：σ =3×27Ph/2db2=682Mpa<σs=824Mpa

所以D=φ90mm時(shí)，卡爪能滿足工作強(qiáng)度要求。

由以上計(jì)算可以得出結(jié)論，該卡具主體在工作負(fù)荷為45KN時(shí)，工作是安全的，并且能夠保證3倍的安全系數(shù)。

6萬(wàn)用后備保護(hù)卡具的使用方法

輸電線路的檢修時(shí)，萬(wàn)用后備保護(hù)卡具一般為等電位或停電更換及安裝耐張絕緣子，使用方法如下：

1. 組裝卡具：

A、將萬(wàn)用后備保護(hù)卡具前后卡與絲杠連接，并將后備保護(hù)滑竿連接于卡具上。

B、打開(kāi)上蓋，把絲杠調(diào)整到需要的長(zhǎng)度。

C、把卡具裝卡在所要更換瓷瓶的前后兩片瓶上，合上蓋，擰緊螺母，將鋼帽抱牢（可通過(guò)調(diào)節(jié)螺母旋合長(zhǎng)度來(lái)適應(yīng)不同尺寸的160KN絕緣子，最大調(diào)節(jié)范圍為10mm）。

2.收緊絲杠使瓷瓶串松弛;

3.摘取彈簧銷;

4.更換中間單片絕緣子;

5.拆除步驟與安裝步驟相反。

7結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，萬(wàn)用后備保護(hù)卡具能有效提高絕緣子更換效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，增加施工的安全性，值得推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉鴻文主編.材料力學(xué).[M].北京：高等教育出版社，1991.

[2]哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研組編.理論力學(xué).[M].北京：高等教育出版社，1997.

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