探讨大截面碳纤维导线卡线器夹嘴优化设计

徐小茹　刘康文

摘要：卡线器夹嘴的长度是决定导线卡线器尺寸与重量的重要因素，同时也会对夹持导线是否存在损坏问题产生重要影响。夹嘴的长度一般以导线直径与放大倍数的乘积以及试验证法等方式来进行检测，但这些检验方式存在一定的理论支撑欠缺的问题，会在一定程度上降低检测结果的可靠性。基于此，为了提高卡线器尺寸确定及质量控制的效果，为了确保被夹持导线形态质量的完整性，本文将以大截面碳纤维导线为例，在分析其结构特点的基础上，结合实验对其芯棒径向耐压强度进行分析，并结合仿真结果对适用于大截面碳纤维导线的凯贤妻夹嘴进行优化设计，为卡线器及其夹嘴的设计提供支持。

关键词：大截面;碳纤维导线;卡线器;夹嘴

引言

导线卡线器是用于架空线路等施工中的一种工具，它能够在架空线路工作中的松紧导线流程中发挥出自动夹紧导线，以为后续拆装工作提供良好的联结作用。近年来，我国电力发展迅速，输电导线也随之得到了更大程度的研发与应用，目前我国特高压交流施工工程中所用的导线卡线器主要有两种类型，两种类型的卡线器都采用的是平行移动型的结构，虽然取得了一定的应用成效，但具有重量过重，实际施工中操作难度大等不足。夹嘴长度作为绝对导线卡线器重量及尺寸的一大因素，可通过不断优化卡线器夹嘴的长度来达到降低卡线器的重量，从而进一步提高施工效率。

一、常用平行移动式卡线器工作原理

平行移动式卡线器与夹嘴之间用的是销轴进行连接和固定，压板、上夹嘴、压板等使用销轴进行连接并组成连杆结构。卡线器上有一个拉环，是打开夹嘴的重要工具，导线放进夹嘴之后拉紧拉环即可实现导线夹持。卡线器其实是一种四连杆结构，拉环在受到横向拉力后，会通过四连杆结构向夹嘴传递并转化成一种正压力并施加给导线。在这一结构中，四连杆机构发挥着重要的放大力作用。夹嘴在夹持导线的过程中会产生摩擦力，必须保障该摩擦力对导线夹持时的稳定性与可靠性，避免导线不会因为摩擦力出现破损等问题。要达成这一目的，夹嘴的长度必须合理控制，既不能過短也不能过长，过长会导致卡线器尺寸过长、重量过大，从而导致导线卡线器的搬运及移动的难度增加。

导线所受压应力和夹嘴的长度之间存在反比例关系，因此在指导导线所受压应力的基础上，就能够明确计算出夹嘴的长度。根据现阶段常用的钢芯铝绞线及碳纤维导线卡线器夹嘴长度参数可知，卡线器夹嘴的长度和导线直径的倍数都远大于标准的要求。这意味着该标准可用于验证，但却不能用于夹嘴长度的设计中。与圆线铝股相比，型线铝股的接触面积较大，同时半硬铝的材料特性也决定了它可以承受夹嘴带来的更大的握紧力，因此夹嘴存在优化的可能。

二、导线芯棒径向耐压力确定及半硬铝股损伤判断依据确定

（一）导线芯棒径向耐压力的确定

复合芯棒径向抗剪切及抗压性能相对不足，卡线器夹嘴的正常工作离不开夹嘴与导线之间产生的摩擦力，但摩擦力的产生会让导线承受更大的径向握紧力，很容易导致导线出现破损问题。因此，需用芯棒径向耐压力实验及仿真对其径向耐压能力进行确定。

实验选择五根碳纤维复合芯棒作为实验样品，根据实验结果可以看出，这五根复合芯棒样本的最小失效力在46.12KN，因此，仿真计算的数据需选择最小失效力。在确定复合芯棒材料的直径、弹性模量、泊松比、密度等参数的基础上，通过仿真独处芯棒应力云图齐总最大应力为208MPa，将其作为芯棒耐压力判断依据，将其应力百分之八十作为参考。

（二）导线半硬铝股损伤判断依据

因为1250mm2与1600mm2两种导线都是四层铝线结构，并且两种导线的直径相差不大。常用的卡线器夹嘴长度约为350mm，能够满足多种施工需求，因此，导线半硬铝股的损伤情况判断可将1250mm2导线夹紧时的铝股塑性范围作为另一种导线铝股损伤的判断依据。

首先，吧1250mm2的导线钢芯简化为圆棒模型，用实际绞制钢芯等效计算出圆棒钢芯的材料属性，可知钢芯和硬铝铝股的弹性模量分别为190GPa和55GPa，泊松比分别为0.31和0.33，屈服强度分别为620MPa和100mpa。结合1250mm2导线铝股夹紧时铝股塑性的变化仿真情况来看，铝股塑性区占据整个铝股截面约为百分之十。

三、1660mm2导线卡线器夹紧仿真实验

（一）建模

结合1660mm2导线的各项技术参数，采用等截面法对卡线器铝股进行建模，模型建立中需注意各层型线铝股截面相等但高不相等，结合某层型线铝股的外圆直径、内圆直径、总计算截面积、铝股根数、填充系数、单根型线铝股圆心角计算出单股铝股截面积为26.768mm2，在此基础上进行建模。在模型建立中需将铝股截面的误差控制在百分之0.1以内，也就是说需要将导线仿真模型中的铝股截面积控制在26.76到26.81范围内。此外，在不受相邻两层铝股之间存在的间隙的影响情况下，结合实际情况对同一层的铝股间隙做出调整，确保两个相邻的铝股之间的间隙控制在0.1-0.2范围内。

（二）网格划分

把复合芯棒进行简化，以圆棒实体为准，运用六面体单元达到提到计算准确性的目的。因为导线硬铝型线模型中有多个倒圆角存在，因此，还需要采用楔形单元，以保障导线模型在任意界面中都能实现单元型式相同的效果。在此基础上，对导线整体的网格大小进行调整，确保模型网格大小均匀且接触位置网格尺寸也大小相似，以此进一步确保计算结果的准确性与科学性。截面中复合芯棒共存在四十五个网格，单根铝股存在二十二个网格。

（三）加载方法与边界条件

铝股截面之间存在大量接触的问题，且采用的是通用接触，因此，需采用程序监测方式进行接触对确认，达到提高计算速度的效果。为保障计算结果的准确性与合理性，还需要运用动力学求解器。为避免导线仿真模型出现径向位移等情况，需要采用对称约束对导线模型进行固定，还可以运用中层应力对导线的受力情况进行模拟。

（四）实验结果

利用动力学求解器进行仿真实验，通过分析导线仿真模型与设定的外部加载的响应结果，提取出芯棒中心的应力曲线。根据曲线变化可知，在加载开始后，芯棒、外层铝股的应力呈快速上升趋势，并很快就达到了峰值，也就是最大应力状态，随着时间地推进，铝股之间出现相互影响的情况，应力开始出现震荡并慢慢稳定下来。

根据芯棒实验及仿真结果可以看出，仿真实验中芯棒最大应力笑语破坏载荷力，且芯棒最大应力超过百分之八十破坏载荷的比例也不会高于2.6%，因此，仿真实验中更多芯棒强度符合卡线器的工作要求，能够达到减小尺寸降低重量的目的。

四、结束语

在电力需求不断增加的时代中，为了满足特高压电流施工工作开展效率提升的要求，需加强对导线卡线器重量及尺寸的优化，通过提高卡线器移动、搬运便携性的方式提高工作效率。本文结合1660mm2的大截面导线卡线器对其夹嘴的优化方式进行了简单说明，结合仿真实验等方式实现了样品制作，结合试验可知，减小夹嘴的长度能够达到降低卡线器尺寸及重量的目的。

参考文献

[1]万建成，江明，杨磊，等.大截面碳纤维导线卡线器夹嘴优化设计[J].工程设计学报，2018，25（6）：675-682.

[2]张红林.碳纤维复合芯导线的施工工艺[J].建筑工程技术与设计，2018，（16）：5270-5271.

本文系2018年江苏省教育厅高校大学生创新创业训练计划项目《不同设计条件下碳纤维导线的碳减排效果探究》（立项批准号：201813753019H）阶段性研究成果之一。

作者简介

徐小茹（1982.10），汉族，江苏常熟，博士在读，讲师，研究方向：计算机图像处理、数字媒体应用、企业项目管理。