孟凡豪， 夏擁軍， 馬 勇， 萬(wàn)建成

(中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司 輸變電工程研究所，北京 100055)

在特高壓線路交叉跨越線路施工過(guò)程中，大跨越距離、大高度差和地形復(fù)雜等情況十分普遍，而懸索式跨越架具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、安裝便捷、運(yùn)輸方便、對(duì)地形無(wú)特殊要求、造價(jià)低、施工成本低等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于復(fù)雜地形條件下的交叉跨越施工[1]。在目前的交叉跨越線路施工中，懸索式跨越架的使用占比達(dá)到了80%以上。由于重要跨越施工(高速鐵路、高速公路及重要電力線路)安全要求逐步提高，一旦發(fā)生跨越施工的安全事故，將造成嚴(yán)重的社會(huì)影響。如天津某特高壓線路跨越施工，在導(dǎo)線掛絕緣子串過(guò)程中發(fā)生一根導(dǎo)線斷線事故，導(dǎo)線落在跨越封網(wǎng)上，對(duì)運(yùn)行的220 kV電力線路和京滬高速公路造成較大安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)懸索式跨越架的安全性提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的提高懸索式跨越架抗沖擊性能的方法是增大承載索的橫截面積，從而增大纖維繩索的破斷力，提高其安全系數(shù)[2]。但是，該方法顯著增加了懸索式跨越架的整體質(zhì)量，導(dǎo)致了施工難度和成本的增加。吸能型懸索式跨越架在不顯著地增加其自身質(zhì)量的前提下，提高懸索式跨越架的抗沖擊性能且施工便捷，因此，成為提高懸索式跨越架抗沖擊性能的前沿發(fā)展方向。

考慮到承載索是懸索式跨越架的關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)，其承載能力決定了懸索式跨越架的抗沖擊性能，依據(jù)承載索在承受導(dǎo)線沖擊過(guò)程中的受力特點(diǎn)和能量耗散特點(diǎn)，選擇合適的吸能原理及能量耗散機(jī)制可以有效提高懸索式跨越架的抗沖擊性能。目前廣泛應(yīng)用的能量耗散機(jī)制有摩擦吸能、金屬變形吸能、黏滯性吸能、黏彈性吸能等，其中黏滯性吸能裝置主要有液壓緩沖器和液體黏滯阻尼器等，其中黏滯阻尼器是根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)，當(dāng)流體通過(guò)節(jié)流孔時(shí)會(huì)產(chǎn)生節(jié)流阻力的原理而制成的，是一種與活塞運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)的阻尼器?，F(xiàn)廣泛應(yīng)用于高層建筑、橋梁、建筑結(jié)構(gòu)抗震改造、工業(yè)管道設(shè)備抗振、軍工等領(lǐng)域[3-5]，有效緩解了地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成的沖擊和破壞[6-7]。液壓緩沖器作為在運(yùn)行過(guò)程中減緩剛性碰撞的安全保護(hù)裝置被廣泛地應(yīng)用于起重運(yùn)輸、冶金、港口機(jī)械、鐵道車(chē)輛等各個(gè)領(lǐng)域[8-10]。聚合物熱塑性彈性體作為黏彈性吸能材料使用可以提供良好的阻尼、減震、隔音、抗沖擊等功能，特別是應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)和日常生活與工作的身體防護(hù)、軍警身體防護(hù)、防爆、空降和空投防護(hù)、汽車(chē)防撞、電子電器產(chǎn)品抗沖擊防護(hù)等方面[11-13]，如軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用的防碰撞吸能裝置就是典型的黏彈性材料。以上對(duì)設(shè)計(jì)懸索式跨越架用吸能裝置具有一定的借鑒意義。

根據(jù)懸索式跨越架在事故狀態(tài)下的承載特點(diǎn)，在對(duì)比常用的吸能方法的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了液壓吸能裝置。首先，為了驗(yàn)證吸能裝置的可行性，本文進(jìn)行了懸索式跨越架承載索小尺度垂直狀態(tài)試驗(yàn)；然后為模擬真實(shí)工況下吸能裝置的有效性，開(kāi)展了大尺度模擬沖擊試驗(yàn)技術(shù)研究，驗(yàn)證了液壓吸能裝置的吸能效果。

1 懸索式跨越架受力特性

懸索式跨越架主要由承載索(包括絕緣段和非絕緣段)、臨時(shí)橫梁、絕緣網(wǎng)等部分組成，其中承載索作為懸索式跨越架的關(guān)鍵承載部件，臨時(shí)橫梁作為支承部件，絕緣網(wǎng)作為懸索式跨越架的直接承載部件，如圖1所示。

圖1 懸索式跨越架示意圖Fig.1 Schematic diagram of suspension type crossing frame

1.1 事故工況下懸索式跨越架的承載特點(diǎn)

懸索式跨越架以兩端鐵塔為“架體”，在兩端鐵塔上安裝臨時(shí)橫梁作為支承裝置，在支承裝置上安裝滑車(chē)，承載索過(guò)滑車(chē)跨越被跨越物，承載索分絕緣段和非絕緣段，其中非絕緣段錨固在兩端鐵塔外側(cè)，絕緣段一部分位于跨越檔，并在其上安裝絕緣網(wǎng)和絕緣撐桿形成保護(hù)網(wǎng)，絕緣網(wǎng)為多根編織纖維繩編結(jié)而成，其作為事故狀態(tài)下直接承受導(dǎo)線沖擊作用的受力對(duì)象，而絕緣撐桿一般采用環(huán)氧樹(shù)脂材料，其在安全放線工況下對(duì)兩根承載索起到支撐作用，防止兩根承載索在絕緣網(wǎng)自質(zhì)量的作用下向中間收縮，事故狀態(tài)下，其易受到?jīng)_擊而破斷失效，無(wú)法起承載保護(hù)的作用。根據(jù)懸索式跨越架的承載和使用特點(diǎn)將懸索式跨越架的運(yùn)行狀態(tài)分為以下幾組工況，如表1所示。

表1 懸索式跨越架的工況及承載特點(diǎn)Tab.1 Working condition and bearing characteristics of suspension type crossing frame

1.2 懸索式跨越架承載索的張力響應(yīng)規(guī)律

為提高懸索式跨越架的承載能力，需結(jié)合懸索式跨越架在事故工況下的承載情況，分析其受力特點(diǎn)，作為吸能裝置研究的依據(jù)。

盡管影響多種耦合因素對(duì)承載的峰值張力具有一定的影響，但在動(dòng)態(tài)沖擊作用下承載索的張力時(shí)程響應(yīng)具有一定的規(guī)律性，可依據(jù)工程實(shí)際情況，分析典型施工方案下的懸索式跨越架的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，結(jié)合其張力耗散時(shí)程變化，選用適合的耗能機(jī)制，具有一定的代表性。以天津送變電工程公司承建的昌吉—古泉工程甘肅7標(biāo)段跨越±800 kV酒湖線為工程范例，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。

初始安裝狀態(tài)下，懸索式跨越架的應(yīng)力圖如圖2所示。分別得到跑線事故工況和斷線事故工況下，承載索的時(shí)程響應(yīng)規(guī)律，如圖3和圖4所示。

根據(jù)上述仿真結(jié)果可以看出，懸索式跨越架的承載索在事故狀態(tài)下的張力變化約經(jīng)過(guò)1.0～1.5 s達(dá)到峰值，之后約經(jīng)過(guò)2 s不斷震蕩能量耗散，整個(gè)張力變化過(guò)程時(shí)間較短，具有瞬時(shí)性效應(yīng)，承載索在斷線事故工況下張力變化幅值大，最大張力達(dá)到93 kN。

圖2 懸索式跨越架安裝就位后的應(yīng)力云圖Fig.2 Stress diagram of suspension type crossing frame after installation

圖3 跑線事故工況下承載索的張力響應(yīng)時(shí)程曲線Fig.3 Time history curve of tension response of load-bearing cable under line running accident

圖4 斷線事故工況下承載索的張力響應(yīng)時(shí)程曲線Fig.4 Time history curve of tension response of load-bearing cable under broken line accident

1.3 吸能裝置安裝位置及連接

在事故狀態(tài)下，承載索和絕緣網(wǎng)繩作為懸索式跨越架的關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)，提高其抗沖擊能力具有重要的工程實(shí)用價(jià)值，懸索式跨越架用吸能裝置可有效降低承載索和絕緣網(wǎng)繩在事故狀態(tài)下的峰值張力，進(jìn)而提高了懸索式跨越架的抗沖擊性能。

懸索式跨越架吸能裝置的安裝位置大概可分為兩種：①串聯(lián)安裝在跨越檔內(nèi)的承載索兩端；②串聯(lián)安裝在非跨越檔的承載索拉線上，如圖5所示。

圖5 懸索式跨越架吸能裝置安裝位置示意圖Fig.5 Schematic diagram of installation position of energy absorption device of suspension type crossing frame

懸索式跨越架用吸能裝置主體為金屬結(jié)構(gòu)，其需要承載事故狀態(tài)下的沖擊作用，同時(shí)需要吸收一定的沖擊能量，因此為滿足其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和減振性能勢(shì)必會(huì)增大吸能裝置金屬主體的質(zhì)量。在工程實(shí)際使用時(shí)，由于吸能裝置金屬主體質(zhì)量較大，如安裝在位置1處(見(jiàn)圖5)，對(duì)于整個(gè)懸索式跨越架而言，其為一處較大的集中質(zhì)量，存有一定的安全隱患，不符合架空輸電線路施工安全規(guī)則的相關(guān)規(guī)定。因此，優(yōu)選安裝位置2作為安裝點(diǎn)。

安裝時(shí)，臨時(shí)橫梁固定在兩側(cè)鐵塔上，承載索過(guò)專用滑車(chē)轉(zhuǎn)向至地面，通過(guò)懸索式跨越架用吸能裝置錨固在地錨上，封網(wǎng)索以固定間距排列在承載索上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被跨越物的保護(hù)作用。懸索式跨越架用吸能裝置兩端使用吊環(huán)螺栓作為連接件，可通過(guò)卸扣等連接件與繩索進(jìn)行連接，如圖6所示。

1.地錨；2.地錨拉線；3.吸能裝置；4.專用滑車(chē)；5.臨時(shí)橫擔(dān)；6.承載索。圖6 吸能裝置連接示意圖Fig.6 Connection diagram of energy absorber

2 懸索式跨越架用吸能裝置的設(shè)計(jì)

2.1 懸索式跨越架的吸能方式

吸能裝置對(duì)整體結(jié)構(gòu)的吸能減震原理可從能量的角度去描述，結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊中任意時(shí)刻的能量方程為：

傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)

Ein=Ee+Ec+Ek+Eh

(1)

耗能減震結(jié)構(gòu)

E′in=E′e+E′c+E′k+E′h+Ed

(2)

式中：Ein，E′in為地震過(guò)程中輸入傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、耗能減震結(jié)構(gòu)體系的總能量；Ee，E′e為體系的應(yīng)變能；Ec，E′c為體系的黏滯阻尼耗能；Ek，E′k為體系的動(dòng)能；Eh，E′h為體系的滯回耗能；Ed為耗能(阻尼)裝置或耗能元件耗散或吸收的能量。

針對(duì)懸索式跨越架的承載索結(jié)構(gòu)而言，結(jié)構(gòu)體系的黏滯阻尼耗能可忽略不計(jì)，因此總沖擊能量主要從兩個(gè)方面進(jìn)行消耗：承載索結(jié)構(gòu)的體系的滯回耗能和安裝的阻尼裝置耗能(即耗能元件耗散或吸收的能量)。

常用的吸能方法有摩擦吸能、金屬變形吸能、黏滯性吸能、黏彈性吸能等吸能方法，其中摩擦吸能和金屬變形吸能方法的吸能效果與吸能裝置兩端的相對(duì)位移相關(guān)，黏滯性吸能和黏彈性吸能方法的吸能效果和吸能裝置兩端的相對(duì)速度相關(guān)。其中，摩擦吸能和金屬變形吸能都屬于機(jī)械式吸能，黏彈性吸能對(duì)吸能材料的影響要求較高，且受環(huán)境溫度影響，優(yōu)點(diǎn)在于黏彈性吸能相比于機(jī)械式吸能而言，其整體結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量較小，黏滯性吸能相比于黏彈性吸能而言，吸能效果穩(wěn)定，受環(huán)境穩(wěn)定影響相對(duì)較小，但整體結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量有所增加。各種吸能方法的特點(diǎn)如表2所示。

表2 常用吸能方法的特點(diǎn)Tab.2 Characteristics of common energy absorption methods

針對(duì)懸索式跨越架而言，其吸能裝置的吸能方式需考慮以下幾個(gè)方面：

(1) 承載索在事故工況下承受的沖擊載荷較大，對(duì)吸能裝置的極限承載要求較高；

(2) 我國(guó)幅員遼闊，東北地區(qū)和兩廣地區(qū)的常年溫差較大，針對(duì)不同施工環(huán)境溫度的普適性，需吸能裝置吸能效果受溫度的影響較?。?/p>

(3) 懸索式跨越架的吸能裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量輕量化，可以降低工程施工成本和施工人員作業(yè)強(qiáng)度。

通過(guò)上述分析，摩擦式吸能和金屬變形吸能均屬于機(jī)械式吸能方法，其整體結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量相對(duì)較大，不適用于懸索式跨越架的吸能裝置。黏彈性吸能受吸能材料的影響較大，吸能材料的吸能效果受溫度影響，吸能效果不穩(wěn)定，而黏滯性吸能具有承載大、吸能效果受溫度影響小的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后質(zhì)量可以有效降低，因此選用黏滯性吸能作為懸索式跨越架的吸能方式。

2.2 吸能裝置的設(shè)計(jì)指標(biāo)

通過(guò)對(duì)幾種常用吸能方法的特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，確定了懸索式跨越架用吸能裝置的吸能方案，即通過(guò)液壓吸能裝置串聯(lián)安裝在懸索式跨越架的承載索上吸收導(dǎo)線的沖擊能量。液壓吸能裝置的作用機(jī)理為當(dāng)承載索遭受的沖擊達(dá)到一定的張力閾值時(shí)，串接的液壓吸能裝置開(kāi)始發(fā)生機(jī)械結(jié)構(gòu)與流體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而損耗能量。

在進(jìn)行吸能裝置的參數(shù)設(shè)計(jì)之前，需確定吸能裝置的設(shè)計(jì)指標(biāo)，針對(duì)使用的工況和設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)：

(1) 吸能裝置的啟動(dòng)載荷。

緩沖吸能裝置是串聯(lián)在懸索式跨越架的承載索上，即在非事故狀態(tài)下，承載索的張力等于吸能裝置的受到的恒定載荷，那么吸能裝置的啟動(dòng)載荷應(yīng)大于承載索受到的張力， 根據(jù)某施工單位承建的昌吉—古泉工程甘肅7標(biāo)段跨越±800 kV酒湖線的工程實(shí)例及靜力學(xué)計(jì)算得出，承載索安全放線工況下承載索的水平張力H1=9 226 N，牽引安裝狀態(tài)下承載索的水平張力為H1=6 681 N，考慮保留一定的裕量能夠覆蓋懸索式跨越架的工程使用，吸能裝置的啟動(dòng)值為可設(shè)計(jì)成8～35 kN，間隔5 kN遞增。

(2) 活塞桿的速度與行程。

活塞桿推桿的速度受外載荷作用的大小和作用的時(shí)間有關(guān)，不同規(guī)格、數(shù)量的導(dǎo)線從不同的高度進(jìn)行跌落，對(duì)懸索式跨越架承載索的沖擊載荷大小不同，但載荷作用的時(shí)程規(guī)律相似，根據(jù)1.2節(jié)，典型施工方案下，承載索的張力的變化曲線可知，繩索受到的張力變化到峰值過(guò)程持續(xù)約1.5 s，則繩索達(dá)到峰值載荷之前，需完成整個(gè)吸能行程，理論上推桿的行程越大，吸能效果越好，但受尺寸空間的限制，吸能行程不可能過(guò)大，通過(guò)調(diào)研，常規(guī)緩沖吸能裝置行程一般為200～800 mm，限定邊界條件，取推桿行程為500 mm，推桿的臨界速度為0.33 m/s。

(3) 吸能裝置允許的最大吸能載荷。

因承載索的峰值張力受諸多因素，如導(dǎo)線斷線的位置、導(dǎo)線落線高度、導(dǎo)線的規(guī)格、導(dǎo)線放線張力等因素的影響，在懸索式跨越架設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，承載索考慮6倍的安全系數(shù)，而繩索的動(dòng)態(tài)破斷極限張力較靜態(tài)破斷力值有所提高，在實(shí)際的動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算時(shí)，繩索受到動(dòng)態(tài)張力值大于1/6倍繩索靜態(tài)破斷力，為了普適性考慮，設(shè)計(jì)的吸能裝置的峰值載荷設(shè)定為繩索1/3倍靜態(tài)破斷力值。以Φ22超高分子量聚乙烯纖維繩為例，其靜載破斷力為403 kN，則吸能裝置的峰值吸能載荷為120 kN。

(4) 吸能裝置的極限載荷。

吸能裝置在完成吸能行程后，其相當(dāng)于剛性體連接在懸索式跨越架的承載索兩端，則其極限載荷應(yīng)不低于承載索的極限破斷力，以Φ22超高分子量聚乙烯纖維繩為例，吸能裝置的極限載荷為403 kN。

(5) 吸能裝置的整體質(zhì)量。

吸能裝置需要承受的極限載荷為403 kN，那么其需要足夠的強(qiáng)度，導(dǎo)致整體的質(zhì)量較大，為了方便工程運(yùn)輸，減小施工人員作業(yè)強(qiáng)度，方便使用，整個(gè)吸能裝置應(yīng)盡量采用輕量化設(shè)計(jì)，設(shè)定整體質(zhì)量不大于150 kg。

通過(guò)上述分析，確定了吸能裝置的設(shè)計(jì)指標(biāo)，如表3所示。

表3 吸能裝置的設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.3 Design index of energy absorption device

2.3 液壓吸能裝置設(shè)計(jì)

懸索式跨越架用液壓吸能裝置主要由啟動(dòng)棒、反向器和核心部件液壓緩沖器組成。懸索式跨越架用吸能裝置通過(guò)吊環(huán)與承受沖擊載荷的繩索相連，承受沖擊時(shí)反向器沿軸線方向伸長(zhǎng)，使液壓緩沖器受壓，通過(guò)緩沖器油缸運(yùn)動(dòng)速度的緩慢降低，起到緩沖吸收動(dòng)能的作用。懸索式跨越架用液壓吸能裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是液壓緩沖器的參數(shù)設(shè)計(jì)。

2.3.1 液壓緩沖器設(shè)計(jì)方案

(1) 結(jié)構(gòu)組成

液壓緩沖器主要由外筒、活塞桿、活塞、阻尼腔、阻尼小孔及調(diào)節(jié)彈簧等部分組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 液壓緩沖器原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of hydraulic buffer

(2) 工作原理分析

受到外力F的作用，由進(jìn)入壓力腔后產(chǎn)生的油壓為P1，壓力腔油液通過(guò)阻尼小孔進(jìn)入阻尼腔后，阻尼腔壓力為P2，由于阻尼腔的油壓增大，使活塞壓縮調(diào)節(jié)彈簧，則彈簧由原伸長(zhǎng)x0壓縮至x，則根據(jù)小孔的流量公式，通過(guò)小孔的總流量可按式(3)計(jì)算

(3)

式中：Q，ρ，z分別為流過(guò)阻尼小孔的流量、油液的密度和小孔數(shù)量；A0為阻尼小孔的開(kāi)孔面積； ΔP為壓力腔與阻尼腔的壓力差；Cq為阻尼小孔流量系數(shù)，一般與阻尼小孔的形狀有關(guān)，取值在0.6～0.8。

假設(shè)液壓緩沖器中所使用的油液為不可壓縮的非牛頓流體，那么根據(jù)油液體積不變的條件可知，活塞桿單位時(shí)間進(jìn)入壓力腔的體積為

Q1=Q=A1v

(4)

式中：A1為活塞桿的面積；v為活塞桿進(jìn)入壓力腔的速度。因油液體積不變，則活塞桿單位時(shí)間進(jìn)入壓力腔的體積和經(jīng)過(guò)阻尼小孔的流量相等。

由式(3)和式(4)聯(lián)立可得壓力腔與阻尼腔油壓的壓強(qiáng)差

(5)

當(dāng)活塞桿進(jìn)入壓力腔后，壓力腔的油壓P1

(6)

式中，f為活塞桿進(jìn)入壓力腔后受到的阻尼力油液經(jīng)阻尼小孔流至阻尼腔后，阻尼腔的油壓P2

(7)

式中：x為調(diào)節(jié)彈簧的初始伸長(zhǎng)量；x0為調(diào)節(jié)彈簧被壓縮后的伸長(zhǎng)量；K為調(diào)節(jié)彈簧的剛度；A2為活塞的截面積；D為緩沖器外缸內(nèi)徑；D0為阻尼孔管外徑，見(jiàn)圖7。

則根據(jù)式(5)、式(6)和式(7)可得活塞桿的阻尼力

(8)

(3) 參數(shù)計(jì)算

通過(guò)研究了液壓緩沖器的工作原理，可以對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：①最大阻尼力，根據(jù)前述液壓緩沖器的最大阻尼力為120 kN；②推桿的運(yùn)動(dòng)速度，設(shè)計(jì)的臨界速度為0.33 m/s；③活塞桿截面積的與單個(gè)阻尼小孔的面積的比值；④阻尼小孔。

油液經(jīng)過(guò)阻尼小孔后，流動(dòng)的狀態(tài)分為層流和紊流兩種狀態(tài)，當(dāng)流過(guò)小孔的流速大于臨界速度時(shí)，表現(xiàn)為紊流狀態(tài)，不同形狀的阻尼孔，其流動(dòng)狀態(tài)可以用臨界雷諾數(shù)進(jìn)行描述，雷諾數(shù)Re是一個(gè)無(wú)量綱量。常見(jiàn)管道的臨界雷諾數(shù)為2 320。

選擇液壓油運(yùn)動(dòng)黏度可根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 11118.1—2011《液壓油》進(jìn)行選擇相應(yīng)牌號(hào)的液壓油，本方案選擇46號(hào)液壓油，其運(yùn)動(dòng)黏度為46 mm2/s，則阻尼孔油液發(fā)生層流的臨界速度為

(9)

式中：v0為液體流過(guò)阻尼孔的流速；d0為阻尼孔的直徑；υ為油液的運(yùn)動(dòng)黏度。

由于文獻(xiàn)[14-15]可知，當(dāng)開(kāi)孔的數(shù)量達(dá)到一定數(shù)目時(shí)，開(kāi)孔數(shù)量對(duì)活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度影響越小，設(shè)計(jì)方案取阻尼小孔的數(shù)量為10，由推桿單位時(shí)間進(jìn)入壓力腔的體積等于油液經(jīng)過(guò)阻尼孔的流量，在層流的作用下，假設(shè)油液流過(guò)每個(gè)阻尼小孔的流速相同，則

Q1=A1v=10A0v0

(10)

設(shè)計(jì)推桿的直徑為D1=50 mm，其截面積為A1=1 962.5 mm2，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，推桿的臨界速度為0.33 m/s，本方案設(shè)計(jì)的阻尼孔為圓形，則由式(9)和式(10)可知

(11)

代入上述參數(shù)，可得d0=0.773 mm，則單個(gè)阻尼孔的面積為A0=0.469 mm2。

小孔的流量系數(shù)Cq由試驗(yàn)值確定，根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)，當(dāng)外缸的內(nèi)徑與阻尼孔的孔徑之比大于7時(shí)，液壓油流速的收縮作用不受孔前通道內(nèi)壁的影響，此時(shí)Cq取值為0.61～0.62，因此取Cq=0.615。假設(shè)各孔的流速相同，選擇的液壓油密度為ρ=0.9×103kg/m3，由式(5)則可計(jì)算壓力腔與阻尼腔的最大壓力差22.68 MPa。

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)可知，假設(shè)在層流狀態(tài)下，液壓緩沖器的峰值阻尼力f=120 kN，根據(jù)式(6)，壓力腔的最大壓力為61.60 MPa，阻尼腔的最大壓力為38.93 MPa。

當(dāng)推桿進(jìn)入壓力腔時(shí)，此時(shí)油液經(jīng)阻尼小孔進(jìn)入阻尼腔，阻尼腔內(nèi)的活塞進(jìn)而壓縮調(diào)節(jié)彈簧，根據(jù)油液的體積不變?cè)瓌t，則有

A1L1=A2L2

(12)

式中：L1為推桿的在壓力腔的行程；L2為活塞在阻尼腔的行程。

為了減小液壓緩沖器的尺寸，設(shè)計(jì)內(nèi)筒臂直徑為D=90 mm，設(shè)阻尼孔管的外徑為D0，為了使彈簧的減小彈簧的壓縮行程，設(shè)計(jì)的推桿前進(jìn)行程是活塞的壓縮行程的1.25倍，則L1=1.25L2，可得

(13)

根據(jù)式(6)，阻尼腔調(diào)節(jié)彈簧的最大彈力

(14)

式中，D為液壓緩沖器阻尼腔外筒壁的直徑，根據(jù)力的平衡關(guān)系可得

F=P2A2=K(x0-x)

(15)

則壓縮彈簧的剛度

(16)

設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)彈簧最大壓縮行程L2max=400 mm，則可計(jì)算彈簧的剛度K=238.7 N/mm。則活塞桿的推進(jìn)行程L1=1.25×L2max=500 mm。

通過(guò)上述計(jì)算可確定液壓緩沖器的基本參數(shù)，如表4所示。

表4 液壓緩沖器設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.4 Design parameters of hydraulic buffer

(4) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述基本參數(shù)特征，可以確定液壓緩沖器的基本尺寸，進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的液壓緩沖器三維結(jié)構(gòu)組成如圖8所示，其外形尺寸如圖9所示。

1.推桿；2.油封；3.調(diào)節(jié)彈簧；4.推桿油封；5.壓力腔；6.活塞；7.阻尼小孔；8.端蓋；9.分壓管；10.外缸；11.阻尼腔；12.法蘭。圖8 液壓緩沖器CAD模型Fig.8 CAD view of the hydraulic buffer

圖9 液壓緩沖器設(shè)計(jì)尺寸(mm)Fig.9 Design size of hydraulic buffer (mm)

2.3.2 液壓吸能裝置啟動(dòng)棒測(cè)試

液壓吸能裝置為受壓型承力構(gòu)件，而承載索的受力為受拉型構(gòu)件，為此設(shè)計(jì)了反向器，將懸索式跨越架承載索與吸能裝置進(jìn)行串聯(lián)，當(dāng)繩索受到?jīng)_擊時(shí)，繩索張力瞬間增大，通過(guò)反向器將受拉狀態(tài)反向傳遞液壓緩沖器至受壓狀態(tài)，從而起到緩沖吸能的作用。

1.啟動(dòng)棒；2.反向器；3.液壓緩沖器。圖10 懸索式跨越架用液壓吸能裝置示意圖Fig.10 Schematic diagram of hydraulic energy absorption device for suspension crossing frame

液壓吸能裝置的核心部件為液壓緩沖器，其為速度型吸能構(gòu)件，即沖擊速度越大，產(chǎn)生的阻尼力越大，懸索式跨越架安裝工況和安全放線工況，液壓吸能裝置為不泄油狀態(tài)，因此，根據(jù)不同的跨越工況，單獨(dú)設(shè)計(jì)了吸能裝置啟動(dòng)棒，啟動(dòng)棒的靜載破斷力設(shè)計(jì)為8～35 kN，在承載索安裝工況和安全放線工況下，承載索的安裝張力無(wú)法啟動(dòng)吸能裝置，在事故工況下，液壓吸能裝置受到的沖擊載荷瞬間增大，啟動(dòng)棒被瞬間破壞斷裂，吸能裝置啟動(dòng)作用，減小承載索張力的峰值。

為保證啟動(dòng)棒的實(shí)際破斷力與所需試驗(yàn)預(yù)加張力相符，在啟動(dòng)棒設(shè)計(jì)加工中采取了保證措施：①啟動(dòng)棒用料取自同一批號(hào)材料，保證其物理和力學(xué)性能相同；②根據(jù)材料出廠力學(xué)性能參數(shù)，對(duì)應(yīng)每個(gè)啟動(dòng)張力各加工了54根試驗(yàn)啟動(dòng)棒，進(jìn)行拉斷試驗(yàn)(如圖11和圖12所示)，從而總結(jié)材料的實(shí)際斷裂極限參數(shù)；③根據(jù)材料的實(shí)際破斷力，計(jì)算得到不同試驗(yàn)張力下，所需啟動(dòng)棒的直徑，按該直徑加工啟動(dòng)棒；④對(duì)啟動(dòng)棒進(jìn)行抽樣，檢驗(yàn)破斷力是否滿足所需試驗(yàn)張力要求。

圖11 啟動(dòng)棒破斷力標(biāo)定Fig.11 Starting rod breaking force calibration

圖12 啟動(dòng)棒破斷曲線Fig.12 Starting rod breaking curve

液壓吸能裝置如圖13所示。

圖13 懸索式跨越架用液壓吸能裝置及系列化啟動(dòng)棒Fig.13 Hydraulic energy absorbing device and series starting rod for suspension crossing frame

3 懸索式跨越架承載索小尺度垂直沖擊試驗(yàn)

懸索式跨越架的跨距較大，搭建真型試驗(yàn)環(huán)境的時(shí)間周期長(zhǎng)，所需的資源成本高，從試驗(yàn)效率和經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，為確保吸能裝置達(dá)到預(yù)定的吸能效果，在開(kāi)展懸索式跨越架真型沖擊試驗(yàn)之前，對(duì)吸能裝置開(kāi)展小尺度垂直狀態(tài)沖擊試驗(yàn)，可測(cè)試吸能裝置的吸能效果，以便根據(jù)吸能效果對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，使其吸能吸能效果達(dá)到預(yù)定吸能指標(biāo)(不低于10%)后，再開(kāi)展懸索式跨越架真型沖擊試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)安裝及布置

吸能裝置沖擊試驗(yàn)由試驗(yàn)架、超高分子量聚乙烯纖維繩、無(wú)線拉力傳感器、無(wú)線載荷釋放裝置、吸能裝置及標(biāo)準(zhǔn)配置塊等串聯(lián)組成，連接布置如圖14所示。

圖14 試驗(yàn)安裝及布置Fig.14 Test layout

3.2 試驗(yàn)工況

懸索式跨越架承載索小尺度垂直沖擊試驗(yàn)分別開(kāi)展0.5 t，1.0 t和2.0 t不同質(zhì)量的重物從分別從0.5 m的高度跌落沖擊試驗(yàn)，先進(jìn)行無(wú)吸能裝置的沖擊試驗(yàn)，再進(jìn)行有吸能裝置的沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)工況如表5所示。

表5 吸能裝置沖擊試驗(yàn)工況Tab.5 Shock test condition of energy absorption device

將吸能裝置與繩索串聯(lián)并安裝于門(mén)型架上，初始狀態(tài)下，繩索承受吸能裝置的自質(zhì)量，重物懸掛在無(wú)線釋放裝置上，如圖15所示。

當(dāng)監(jiān)測(cè)設(shè)備準(zhǔn)備就緒，發(fā)出開(kāi)始釋放指令后，啟動(dòng)無(wú)線載荷釋放裝置的釋放按鈕，重物從無(wú)線載荷釋放裝置上脫鉤，重物通過(guò)懸掛繩作用于吸能裝置的吊環(huán)上，從而產(chǎn)生沖擊力，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，沖擊后的狀態(tài)如圖15(b)所示。

無(wú)吸能裝置的沖擊試驗(yàn)過(guò)程和上述過(guò)程類似，在初始安裝狀態(tài)下，不安裝吸能裝置，然后釋放重物，使重物直接沖擊纖維繩索，監(jiān)測(cè)設(shè)備記錄繩索的張力變化數(shù)據(jù)。

圖15 液壓吸能裝置工作狀態(tài)Fig.15 Working state of hydraulic energy absorbing device

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在0.5 m的跌落高度下，分別記錄0.5 t，1.0 t和1.5 t三種不同配重在有無(wú)液壓吸能裝置的條件下沖擊繩索的張力變化規(guī)律，如圖16～圖18所示。

圖16 0.5 t配重沖擊下繩索的張力曲線Fig.16 Tension curve of rope under impact of 0.5 t counterweight

圖17 1.0 t配重沖擊下繩索的張力曲線Fig.17 Tension curve of rope under impact of 1.0 t counterweight

圖18 1.5 t配重沖擊下繩索的張力曲線Fig.18 Tension curve of rope under impact of 1.5 t counterweight

從上述試驗(yàn)結(jié)果可知，在無(wú)液壓吸能裝置的時(shí)，繩索受到的沖擊張力瞬間增大，經(jīng)過(guò)第一個(gè)波峰后逐漸震蕩耗散。隨著重物質(zhì)量的增大，纖維繩索承受張力的峰值增大；當(dāng)安裝液壓吸能裝置時(shí)，峰值載荷有所下降，在跌落高度都是0.5 m時(shí)，重物質(zhì)量越大，吸能效果越明顯，吸能效果如表6所示。

通過(guò)表6可以發(fā)現(xiàn)，液壓吸能裝置的吸能效果滿足設(shè)計(jì)預(yù)期(不低于10%)，液壓吸能裝置的吸能效果隨著沖擊力的增加顯著提升。

表6 液壓吸能裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.6 Test data of hydraulic energy absorption device

4 懸索式跨越架用吸能裝置試驗(yàn)

為驗(yàn)證在事故狀態(tài)下吸能裝置對(duì)懸索式跨越架的吸能效果，本文在大尺度模擬施工狀態(tài)下安裝吸能裝置，進(jìn)行懸索式跨越架沖擊試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)工況及布置

4.1.1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)利用跨越架用Ф22超高分子量聚乙烯纖維繩索力學(xué)性能真型試驗(yàn)繩索張力及弧垂變化數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)。

綜合考慮試驗(yàn)沖擊載荷所需配重、承載索初始弧垂及沖擊過(guò)程最大弧垂，選取吸能裝置真型試驗(yàn)承載索初始張力T0=3 kN，初始最大弧垂fm=1.41 m。利用ANSYS對(duì)配重高處釋放，自由下落沖擊承載索跨中位置進(jìn)行仿真。仿真工況及仿真結(jié)果如表7所示。

根據(jù)繩索最大張力仿真結(jié)果，確保吸能裝置破斷安全系數(shù)不小于3，試驗(yàn)工況如表8所示，利用動(dòng)態(tài)拉力傳感器測(cè)量繩索張力峰值，利用高速攝像機(jī)測(cè)量繩索弧垂變化。

表7 吸能裝置真型試驗(yàn)仿真結(jié)果Tab.7 Simulation results of energy absorption device test

表8 承載索大尺度模擬施工狀態(tài)沖擊試驗(yàn)工況Tab.8 Large scale simulation construction state impact test condition of bearing cable

4.1.2 試驗(yàn)布置

為了測(cè)試懸索式跨越架用吸能裝置的吸能效果，在大尺度模擬施工狀態(tài)下，進(jìn)行安裝吸能裝置的沖擊試驗(yàn)。為方便試驗(yàn)系統(tǒng)搭設(shè)、調(diào)試，懸索式跨越架承載索大尺度模擬施工狀態(tài)沖擊試驗(yàn)兩側(cè)搭設(shè)等高的臨時(shí)橫梁，承載索最大弧垂出現(xiàn)在承載索的跨中位置。如圖19所示，在承載索兩側(cè)拉線錨索連接處安裝吸能裝置，并串接拉力傳感器，在跨中位置釋放重物載荷，記錄承載索的張力時(shí)程變化規(guī)律，在拆卸吸能裝置，在重物載荷相同、釋放高度相同的條件下，測(cè)量不加吸能裝置時(shí)，繩索的張力變化時(shí)程規(guī)律。

圖19 承載索真型試驗(yàn)布置圖Fig.19 True type test layout of load bearing cable

4.1.3 試驗(yàn)過(guò)程

(1) 繩索預(yù)拉伸

繩索安裝前進(jìn)行預(yù)拉伸，消除結(jié)構(gòu)性伸長(zhǎng)，拉力大小為70.5 kN(15%額定破斷力)，保持時(shí)間120 min。

(2) 沖擊載荷施加

利用載荷釋放裝置使砝碼塊以0.5 m跌落高度自由下落。利用無(wú)線拉力傳感器記錄繩索張力峰值。

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置和吸能裝置安裝位置，如圖20和圖21所示。

圖20 液壓吸能裝置連接方式Fig.20 Connection mode of hydraulic energy absorption device

圖21 配重塊沖擊位置Fig.21 Impact position of counterweight

4.2 大尺度模擬沖擊試驗(yàn)結(jié)果及分析

拉力傳感器記錄了在0.5 t、重物釋放高度為 0.5 m時(shí)，有無(wú)液壓吸能裝置的張力時(shí)程演化曲線，如圖22所示。

上述工況各開(kāi)展了三次，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。從上述試驗(yàn)結(jié)果可知，液壓吸能裝置的吸能效果在32%左右，達(dá)到預(yù)期吸能效果。因此，在吸能型懸索式跨越架中采用液壓吸能裝置作為整體結(jié)構(gòu)緩沖吸能的重要元件可有效起到抗沖擊作用。

圖22 大尺度模擬事故狀態(tài)沖擊下繩索的張力曲線Fig.22 Tension curve of rope under large scale simulated accident state impact

表9 大尺度模擬沖擊試驗(yàn)吸能裝置吸能效果Tab.9 Energy absorption effect of energy absorbing device in large scale simulation impact test

5 結(jié) 論

利用緩沖吸能裝置提升跨越架事故工況下的抗沖擊性能在輸變電工程技術(shù)領(lǐng)域具有巨大的工程實(shí)用價(jià)值，在近些年得到持續(xù)深入研究。

本文通過(guò)分析事故工況下懸索式跨越的承載特點(diǎn)，對(duì)比分析幾種不同類型的吸能方法，最終選擇黏滯性吸能的方法作為懸索式跨越架用吸能方法，并對(duì)液壓吸能裝置進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。通過(guò)懸索式跨越架承載索小尺度垂直狀態(tài)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)液壓吸能裝置的吸能效果滿足設(shè)計(jì)預(yù)期，并且隨著沖擊力的增加顯著提升。在后續(xù)的大尺度模擬沖擊試驗(yàn)中，分別測(cè)試了承載索在有無(wú)吸能裝置下的沖擊響應(yīng)規(guī)律，驗(yàn)證了液壓吸能裝置的吸能效果。通過(guò)上述研究發(fā)現(xiàn)：

(1) 在110 m跨距，重物載荷0.5 t、沖擊高度0.5 m的條件下，液壓吸能裝置的吸能效果為32.10%，達(dá)到了預(yù)期吸能效果。

(2) 液壓吸能裝置的吸能效果隨著沖擊力的增加顯著提升。

(3) 通過(guò)現(xiàn)有的測(cè)試手段和技術(shù)，監(jiān)測(cè)了承載索拉線測(cè)點(diǎn)位置在重物載荷0.5 t、沖擊高度0.5 m的沖擊作用下的張力響應(yīng)規(guī)律，測(cè)試結(jié)果可靠，為懸索式跨越架沖擊試驗(yàn)的后續(xù)研究積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。