曹 東

(中國(guó)南方電網(wǎng)有限公司超高壓輸電公司梧州局，廣西 梧州 543002)

0 引言

目前我國(guó)220 kV及以上電壓等級(jí)的高壓、超高壓及特高壓輸電線(xiàn)路每相導(dǎo)線(xiàn)采用了2根及以上的分裂導(dǎo)線(xiàn)。在檔距中相隔一定距離安裝了防護(hù)金具——間隔棒，以保持分裂導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)束間距不變，來(lái)滿(mǎn)足降低表面電位梯度、減少電暈、增加電能輸送容量等電氣性能要求。

國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定間隔棒檢修周期為2年。在更換間隔棒過(guò)程中，傳統(tǒng)的方式是利用軟繩索及分裂導(dǎo)線(xiàn)之間的張力確定導(dǎo)線(xiàn)之間的檔距，以便于間隔棒的拆卸與安裝。但由于繩索的固有屬性決定了其工作過(guò)程的不確定性，拆除間隔棒瞬間子導(dǎo)線(xiàn)的張力作用會(huì)使繩索迅速收緊，由此產(chǎn)生的突變載荷不利于導(dǎo)線(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。除此之外，作業(yè)人員的體重作用在作業(yè)附近的導(dǎo)線(xiàn)上，導(dǎo)致間隔棒爪與導(dǎo)線(xiàn)不可避免發(fā)生彎曲變形，從而使更換后的間隔棒偏離其正確的位置，不利于分裂導(dǎo)線(xiàn)間距的保持。針對(duì)間隔棒更換過(guò)程中存在的問(wèn)題，提出了一種輔助間隔棒更換作業(yè)的器械構(gòu)型。

1 分裂導(dǎo)線(xiàn)伸張器的構(gòu)型設(shè)計(jì)

1.1 分裂導(dǎo)線(xiàn)伸張器的構(gòu)型

分裂導(dǎo)線(xiàn)伸張器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它屬于一種具有多個(gè)并行輸出的復(fù)合機(jī)構(gòu)。第1級(jí)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的輸入，由摩擦輪與摩擦錐之間的高副接觸實(shí)

現(xiàn)動(dòng)力的傳遞，同時(shí)由于摩擦錐的特殊形狀可以完成傳動(dòng)比的無(wú)級(jí)變化，因此可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要調(diào)整機(jī)構(gòu)的輸出效率。第2級(jí)機(jī)構(gòu)為定軸齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比不發(fā)生變化，可完成機(jī)構(gòu)多個(gè)并行的同步輸出，且收放輪的轉(zhuǎn)向相同，因此可以實(shí)現(xiàn)多根分裂導(dǎo)線(xiàn)的同步操作。

圖1 分裂導(dǎo)線(xiàn)伸張器結(jié)構(gòu)示意

1.2 分裂導(dǎo)線(xiàn)伸張器的運(yùn)行和關(guān)鍵參數(shù)

分裂導(dǎo)線(xiàn)伸張器的運(yùn)動(dòng)示意如圖2所示。由圖可知本機(jī)構(gòu)分為2部分：一部分為具有螺旋進(jìn)給的摩擦輪摩擦錐式無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)；另一部分為定軸齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。定軸齒輪機(jī)構(gòu)部分的主要參數(shù)為各輪齒數(shù)配置，無(wú)級(jí)變速部分的滾輪半徑r、摩擦錐的錐底半徑R″、花鍵軸與主軸的夾角θ以及摩擦輪與摩擦錐的摩擦系數(shù)為影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的主要參數(shù)。相應(yīng)參數(shù)的符號(hào)和含義如表1所示。其中影響摩擦輪與摩擦錐之間摩擦力的因素較多，也決定了機(jī)構(gòu)的傳遞效率和極限載荷，是建立機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的主要研究對(duì)象。

圖2 分裂導(dǎo)線(xiàn)伸張器的運(yùn)動(dòng)示意

表1 簡(jiǎn)圖參數(shù)的符號(hào)和含義

2 分裂導(dǎo)線(xiàn)伸張器構(gòu)型的理論分析

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立

伸張器的操作特性與其構(gòu)型的傳動(dòng)原理和功能尺寸密切相關(guān)，為深入認(rèn)識(shí)無(wú)級(jí)變速部分對(duì)傳動(dòng)比的影響機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化結(jié)構(gòu)的功能尺寸，必須建立機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。求解過(guò)程分2個(gè)部分：定軸齒輪傳動(dòng)比方程和無(wú)級(jí)變速部分傳動(dòng)比方程。摩擦錐和中心輪共軸安裝，因此2者的轉(zhuǎn)速相同，由此實(shí)現(xiàn)2部分的傳動(dòng)比銜接，最后在定軸齒輪傳動(dòng)鏈條的末端求收放輪(即韌帶)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

設(shè)摩擦輪從摩擦錐大端的D點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其由D點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至K點(diǎn)時(shí)絲桿轉(zhuǎn)過(guò)的距離為ψ，此時(shí)摩擦輪與摩擦錐的傳動(dòng)比為

式中：ω12，n12為摩擦錐的角速度和轉(zhuǎn)速；ω2，n2為摩擦輪的角速度和轉(zhuǎn)速；s為絲桿的螺紋導(dǎo)程；ψ為摩擦輪由接觸點(diǎn)D移動(dòng)到K點(diǎn)時(shí)，絲桿轉(zhuǎn)過(guò)的角度。

于是摩擦輪與收放輪之間的傳動(dòng)比為

2.2 滾輪摩擦力及摩擦驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算

摩擦輪與摩擦錐的母線(xiàn)接觸，在接觸位置發(fā)生變形后可以將接觸區(qū)域簡(jiǎn)化為矩形，設(shè)接觸區(qū)長(zhǎng)為l, 摩擦輪半徑為r；因?yàn)槭切∽冃蝿t假設(shè)其接觸仍為平面接觸，則接觸壓力分布在該區(qū)域上，如圖3所示。

圖3 滾輪與摩擦錐的接觸區(qū)域

接觸區(qū)域的壓力為

其中:

式中:p為接觸面的法向作用力;a為接觸區(qū)域?qū)挾鹊囊话?v1,v2為摩擦輪和摩擦錐的泊松比比;E1，E2為摩擦輪和摩擦錐的彈性模量。在距離接觸中心x(x＞0)的地方取一寬為dx，長(zhǎng)為l的帶狀單元,則在此單元上產(chǎn)生的彈性力為

可得彈性力對(duì)滾動(dòng)中心產(chǎn)生的力矩為

魯迅早期是個(gè)革命民主主義者，進(jìn)化論思想是他主導(dǎo)思想，他相信“將來(lái)一定超過(guò)現(xiàn)在”。他這種認(rèn)識(shí)與當(dāng)時(shí)的社會(huì)條件是相符合的，當(dāng)時(shí)，工人階級(jí)還沒(méi)有作為一支獨(dú)立的政治力量登上歷史的舞臺(tái)，因此，魯迅還不明確中國(guó)革命應(yīng)當(dāng)由中國(guó)工人階級(jí)領(lǐng)導(dǎo)，以工農(nóng)聯(lián)盟為基礎(chǔ)；尤其是對(duì)工人階級(jí)力量沒(méi)有深刻的認(rèn)識(shí)；他還沒(méi)有把實(shí)現(xiàn)共產(chǎn)主義作為自己的社會(huì)理想；還不是一個(gè)共產(chǎn)主義者。但是，那時(shí)的魯迅對(duì)農(nóng)民階級(jí)已經(jīng)有了深刻的認(rèn)識(shí)。他不僅看到了農(nóng)民身上存在缺點(diǎn)，也發(fā)現(xiàn)了農(nóng)民具有的優(yōu)秀品德，意識(shí)到農(nóng)民群體的偉大力量，察覺(jué)到?jīng)]有農(nóng)民參加的社會(huì)革命是不可能成功的。

則x＞0的區(qū)域?qū)L動(dòng)中心的阻力矩為

由于現(xiàn)實(shí)中摩擦輪與摩擦錐均采用粘彈性材料，因此M前≠M(fèi)后，2者的差值|M前-M后|即為材料彈性滯后所產(chǎn)生的阻力矩。為簡(jiǎn)化計(jì)算，在M前中引入系數(shù)α作為綜合力矩：

于是，當(dāng)圓柱體滾過(guò)距離x時(shí)M總的功耗為

由于最外層的粘接點(diǎn)只有被拉斷才會(huì)脫離接觸，因此其拉應(yīng)力為軟材質(zhì)的強(qiáng)度極限σb。滾動(dòng)中心的粘接點(diǎn)受拉力為0，因而可以認(rèn)為接觸中心拉應(yīng)力為σs，粘接點(diǎn)層的應(yīng)力分布近似為線(xiàn)性分布，應(yīng)力的方程式為

則可求得：

式中：δ為實(shí)際接觸面積與幾何面積之比。

則由粘性阻力所產(chǎn)生的功耗為

于是由摩擦所產(chǎn)生的總能耗為

庫(kù)侖在研究摩擦力時(shí)提出：滾動(dòng)摩擦阻力系數(shù)為驅(qū)動(dòng)力在單位距離上所做的功與法向載荷之比，滾動(dòng)摩擦系數(shù)為滾動(dòng)摩擦阻力系數(shù)與滾動(dòng)半徑的乘積。于是滾動(dòng)摩擦阻力系數(shù)為

滾動(dòng)摩擦系數(shù)為

故摩擦輪對(duì)摩擦錐的驅(qū)動(dòng)力及驅(qū)動(dòng)力矩為

式中：p為正壓力；Δh為摩擦輪與摩擦錐接觸點(diǎn)到摩擦錐轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離。

3 分裂導(dǎo)線(xiàn)伸張器的虛擬樣機(jī)分析

3.1 建立虛擬樣機(jī)

因Adams本身自帶的幾何建模模塊不夠精準(zhǔn)和逼真，且整個(gè)樣機(jī)零件較多時(shí)建模工作會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，因此預(yù)先在Creo2.0中完成整機(jī)的三維建模與裝配，隨后導(dǎo)入至Adams中，并將其中一些零件運(yùn)用布爾運(yùn)算簡(jiǎn)化為一個(gè)構(gòu)件，以提高仿真效率。分裂導(dǎo)線(xiàn)伸張器的虛擬樣機(jī)如圖4所示。

圖4 分裂導(dǎo)線(xiàn)伸張器的虛擬樣機(jī)

各構(gòu)件的約束類(lèi)型如表3所示。隨后對(duì)系統(tǒng)自由度、未定義重量構(gòu)件和過(guò)約束等情況進(jìn)行檢查。

表3 導(dǎo)線(xiàn)伸張器各構(gòu)件的約束類(lèi)型

3.2 仿真分析

調(diào)用Adams/Solver進(jìn)行仿真分析以獲得構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)特性。為節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，將仿真時(shí)間設(shè)置為End time為1.5 s，步數(shù)為500，摩擦輪的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為30d*time，絲桿導(dǎo)程為2 mm,然后進(jìn)行仿真。在仿真過(guò)程中，撥塊同時(shí)以2 mm/s的速度驅(qū)動(dòng)摩擦輪移動(dòng)。在仿真計(jì)算結(jié)束后進(jìn)入后處理環(huán)境進(jìn)行處理，獲得摩擦錐速度、收放輪(即韌帶)收放速度、摩擦輪與摩擦錐的傳動(dòng)比的變化曲線(xiàn)，如圖4—6所示。

圖4 摩擦錐轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

圖5 收放輪轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

圖6 摩擦輪與摩擦錐傳動(dòng)比隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

摩擦錐的轉(zhuǎn)速是在摩擦輪轉(zhuǎn)動(dòng)與沿著花鍵軸移動(dòng)2種運(yùn)動(dòng)并存的情況下獲得的。由圖4可知，摩擦錐的轉(zhuǎn)動(dòng)速度是逐漸上升的，在1.29 s時(shí)達(dá)到峰值。盡管在這一過(guò)程中有小幅波動(dòng)的情況出現(xiàn)，但總體呈現(xiàn)近似線(xiàn)性變化的規(guī)律。其變化規(guī)律與傳動(dòng)比減小的趨勢(shì)相符，說(shuō)明撥塊能較好地調(diào)整摩擦錐的轉(zhuǎn)速。但是曲線(xiàn)的小幅波動(dòng)說(shuō)明裝置在工作過(guò)程中存在顫震現(xiàn)象，如果波動(dòng)幅度增加，則會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和承載能力。

圖5為收放輪的轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)，反映了控制分裂導(dǎo)線(xiàn)的韌帶的運(yùn)動(dòng)狀況。由圖5可知，隨著摩擦輪與摩擦錐之間傳動(dòng)比的減小，韌帶的收放速度逐漸增加，與傳動(dòng)比的變化規(guī)律相對(duì)應(yīng)。曲線(xiàn)中的“平臺(tái)保持”是由于絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)動(dòng)時(shí)靜導(dǎo)致的。這一仿真缺陷卻恰好反映了保持摩擦輪位置不變時(shí)系統(tǒng)的傳動(dòng)比穩(wěn)定。

圖6變化規(guī)律與圖4摩擦錐轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律基本對(duì)應(yīng)。由于仿真過(guò)程中摩擦輪逐漸向摩擦錐的小端移動(dòng)，根據(jù)式(1)的計(jì)算，摩擦輪與摩擦錐的傳動(dòng)比是按有效積溫函數(shù)變化而逐漸減小的，仿真結(jié)果與預(yù)期相符，證明改變裝置內(nèi)部傳動(dòng)比的可行性。

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)理論分析可知，摩擦輪與摩擦錐之間的傳動(dòng)比是變化的，且隨著摩擦錐頂角和絲桿導(dǎo)程(即撥塊的移動(dòng)速度)的增大而降低；摩擦系數(shù)與彼此的微接觸面的寬度成正比，與摩擦輪的半徑成反比，因此適當(dāng)增加2者材料的彈性變形能力和減少摩擦輪的半徑，可增大摩擦力矩。

(2) 通過(guò)仿真分析可知，傳動(dòng)比的變化規(guī)律與式(1)所體現(xiàn)的規(guī)律一致，撥塊能順暢地調(diào)整摩擦輪與摩擦錐之間的傳動(dòng)比，因此在實(shí)際使用中操作者可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整操作效率。