10 kV帶電環境下線纜自適應剝皮器的設計與關鍵部件仿真

譚海銘,王海霖,覃明生,危秋珍,李成信,韋維,譚永真

(1. 廣西電網有限責任公司 河池供電局,廣西 河池 547000;2. 廣西電網有限責任公司 河池環江供電局 廣西 環江 547100)

0 引言

隨著社會不斷的發展進步,配網建設的規模也在不斷擴大,配網運維檢修工作量也隨之增加。為提高供電可靠性,帶電作業工作必要性也逐步提高。在線路熔接施工過程中,絕緣導線護套即絕緣皮的剝除是導線開剝接續中的一道重要工序?，F有的線纜剝皮方式分為人工與自動化剝皮兩種。在人工利用絕緣斗臂車或絕緣平臺等進出電位工具實施帶電作業時,不僅作業人員直接接觸帶電導線,增加了不安全因素,同時剝皮難度大、作業步驟多且效率低,作業環境也容易受到地理環境影響,現已逐漸被自動化剝皮所取代。

目前市場上的剝皮裝置存在著一個共性缺陷,即刀具零點位置無法在線調整[1]。由于線纜規格較多,每種規格線纜直徑、皮厚等均有較大差異,具體作業時操作人員無法預先知道需要作業線纜的直徑和表皮厚度。這就需要操作人員根據不同型號線纜進行調節,過程極為繁瑣,嚴重地影響了實際的線纜剝皮效率。此外,現有技術中另一個突出性問題就是刀具的進刀深度與進刀角度的聯合調節問題[2]。由于絕緣導線護套即絕緣皮通常采用高強度的聚乙烯材料,厚度和硬度非常大,這就要求刀具不僅要有合適的進刀深度,還需要搭配特定的最優進刀角度和材料要求,方可實現可靠的絕緣皮剝除功能。當刀具角度過大時,一旦需剝皮線纜絕緣皮硬度較高,甚至可能出現刀具折彎和折斷現象[3]。而刀具角度過小時,在進行厚絕緣皮剝皮操作時效率較低,需旋鈕式剝皮器重復切割多次方可剝出線芯,不能適應高效率的現代化剝皮需求。若想解決上述問題,只能依靠特定型號線纜匹配帶有特定角度刀具的旋鈕式剝皮器,這不僅加大了實際剝皮成本,還增加了作業人員的單次攜物量,給實際作業帶來諸多困擾。與此同時,由于在線纜剝皮時,旋鈕式剝皮器處剝皮夾具不僅需抱合線纜,同時還需繞線纜產生回轉剝皮動作,如何以合適力度抱合線纜,也是亟待解決的技術難題[4-6]。

1 自動剝皮器工具作業流程

實驗人員將自動剝皮器放置到工作位置,設備將一鍵啟動自動完成電纜剝皮流程。具體作業步驟如下:如圖1所示,將自動剝皮器1掛接到主線需要剝皮位置,自動剝皮器夾具抱緊主線2;自動剝皮器進行零位基準校準;自動剝皮器中的旋轉剝皮刀以合適的進給量與切入角度進行旋轉剝皮,剝皮至所需長度后切斷經導出口排出的剝除絕緣層;線纜剝皮程序完成后,執行下一步自動銜接引流線流程,其具體作業流程如圖2所示。

1—剝皮工具;2—主線;3—擋桿;4—引流線。

圖2 工具作業流程圖

2 剝皮工具組成及作業原理

整個線纜剝皮裝置主要分為4個部分,夾緊裝置、零位基準調刀裝置、旋轉驅動裝置和剝皮裝置,如圖3所示(零位基準調刀裝置深度調節范圍為0～4.5mm,可以覆蓋2.5mm、3.4mm及其他非標絕緣層厚度)。

1—零位基準調刀裝置;2—剝皮裝置;3—夾緊裝置;4—剝皮裝置。

2.1 零位基準調刀裝置

設計的零位基準調節裝置包括以下組成部分:調刀旋鈕、調刀基準螺紋座、彈性壓縮阻尼件、進刀深度調節座、刀具固定座、刀具、調刀螺柱和彈簧壓板,整體如圖4所示。在傳統剝皮器的結構基礎上,本文提出一種手動控制的零位基準調節結構,從而能針對當前待夾持線纜的直徑,靈活地實現刀具進刀量的手動調節功能。

1—調刀旋鈕;2—調刀基準螺紋座;3—彈性壓縮阻尼件;4—進刀深度調節座;5—刀具固定座;6—刀具;7—基準部件;8—調刀螺柱;9—彈簧壓板。

零位基準調節方法包括以下步驟。

1)零位基準校正

手動旋轉調刀旋鈕,使得調刀螺栓產生隨動上升動作,直至調刀螺栓與進刀深度調節座共同配合相向夾緊調刀基準螺紋座,此時刀具的刀尖與基準部的下端點在平面內處于同一水平線上,完成零位基準校正。

2)找零位

當基準部與線纜絕緣皮開始逐漸接觸時,線纜絕緣皮會施予基準部以上行力,而基準部則由下而上的壓迫彈性壓縮阻尼件并產生受壓上行動作;由于零位基準校正步驟中調刀螺栓與調刀基準螺紋座形成了一體結構,因此刀具固定座處刀具會隨零進刀深度調節座處基準部一起壓迫彈性壓縮阻尼件而上移,從而保證刀具的刀尖與基準部的底端面均抵靠于線纜最上側母線處;即完成找零位操作。

3)絕對進刀量調節

在找好零位的基礎上,利用調刀旋鈕驅動旋轉套筒轉動,使得調刀螺栓產生螺旋下行動作,在彈性壓縮阻尼件的彈性回復力作用下,刀具會伴隨剝皮夾具的整體旋轉而慢慢切入線纜絕緣皮內。調刀螺栓的螺距為1mm,并將調刀旋鈕設計成十等分刻度,每刻度前進0.1mm。刀具會相對基準部或線纜絕緣皮的最上側母線而“絕對”地下沉,最終實現進刀量與線纜實際需吃刀深度一致的調節目的,并達到絕對吃刀深度調整效果。當刀具刀尖剛好伸入到完全剝離線纜絕緣層和屏蔽層并開始裸露線芯時,可停止旋動刀深調整旋鈕,以保持當前吃刀深度而持續進行,從而達到線纜絕緣皮的切削目的。

2.2 旋轉驅動裝置

本文采用旋切法的剝皮裝置,作業時需要剝皮夾具做圓周運動,且作業時需要將線纜置于旋轉中心位置。因此需要設計有進線開口的連續傳動裝置。

旋轉電機的輸出軸安裝有主動輪,從動輪1、從動輪3與主動輪2嚙合連接,開口齒輪與從動輪嚙合連接(圖5)。旋轉電機帶動主動齒輪,主動齒輪帶動從動齒輪,從動齒輪帶動開口齒輪。因為安裝有兩個從動齒輪同時與開口齒輪嚙合,且兩個從動齒輪軸心距離大于開口齒輪開口距離,可以保證在旋轉過程中至少有一個從動輪與開口齒輪嚙合,進而可以持續旋轉。

1—從動輪;2—主動輪;3—從動輪;4—驅動電機;5—從動開口齒輪。

針對10kV配電線纜在剝皮所需切削力進行實驗,使用測力計測得手動剝線工具切削力大小,計算切削力矩M1:

M1=FL

(1)

實驗測得F約為110N,手動剝皮力臂L約為100mm,計算M1為11Nm。自動剝皮工具電機驅動力矩M2為

(2)

式中:Zi(i=1,2,3,4)為齒輪組齒數;η1=η2=η3=0.8。所以能夠滿足切削力的要求。

2.3 剝皮裝置

當旋轉驅動裝置繞線纜旋轉時,在導向刀(圖6)的作用下會產生圓柱螺旋運動,刀具同時切割,其軌跡遵循式(3)的運動方程,運動軌跡如圖7所示。

1—導線內芯;2—絕緣層;3—屏蔽層。

圖7 導向刀切割軌跡圖

(3)

2.4 夾緊裝置

夾持裝置由雙頭反向絲杠和上下夾爪組成,如圖8所示。其工作原理為當電機驅動雙頭反向絲杠,使上下夾爪產生相向運動從而夾持線纜,若反向則松開線纜,其原理如圖9。電機的轉矩為0.7Nm,其中雙頭反向絲杠的螺距2mm、外徑8mm,導程=螺距×頭數,可以得到這里上下夾爪的推力為

圖8 夾緊裝置示意圖

圖9 雙頭反向絲杠示意圖

(4)

式中:η為傳動效率;T為轉矩;L′為導程。這個推力能穩固地夾緊線纜。

3 工具關鍵部件有限元分析

剝皮刀在整個剝皮裝置中是最關鍵部件,為提高其使用壽命和提高剝皮效率,根據剝皮過程簡化模型如圖10所示,建立剝皮刀的有限元模型,運用So-Simulation進行有限元仿真。仿真后的結果與電力線纜切割試驗的結果進行對比,進一步修正有限元模型。在修正后有限元模型的基礎上,再次進行數值仿真,得到線纜切割的最大切割力、應變位移、能量等變化規律,揭示線纜切割時刀片的受力規律,為優化設計線纜切割結構提供參考。電力線纜切割力學特性數值仿真流程如圖11所示。

1—剝皮;2—線纜;3—旋進刀。

圖11 有限元分析框架圖

首先第一步賦予導向刀和剝皮刀的材料屬性,剝皮刀用的是1045鋼、冷拔處理,具體材料屬性見表1。之后是定義邊界條件,固定剝皮刀并加載相應的力,圖10中剝皮刀與線纜接觸面分布著大小為200N,方向為“30×cos(60)×Y”的不均勻力,之后進行網格劃分,最后由求解器(FFEPlus)求解運算得到其應力和變形云圖如圖12所示。

表1 1045鋼材料屬性表

圖12 剝皮刀應力與變形云圖

拓撲優化應用范圍非常廣泛,是運籌學、力學和工程交叉的領域,其原理是在滿足工作性能和目標參數的前提下,在設計區域內找到結構的最優設計。如果零部件有強度、結構富裕的地方,拓撲優化能找到其富裕部分并進行優化。拓撲優化有幾種比較常用的方法,分別是均勻化法、變厚度法、變密度法等。本文使用變密度法對剝皮刀結構進行拓撲優化[7-8]。

變密度法數學模型為[9]

(5)

式中:Xi為設計變量;n為設計變量個數;K為總剛度矩陣;U為結構位移向量;F為結構所受外力向量;V為結構體積;V*為優化后體積上限值。

設置保留剝皮刀50%的質量,將變量設置為單元密度,以剝皮刀剛度最大化為目標進行拓撲優化。拓撲優化后的結果如圖13所示,拓撲優化結果云圖中深色區域為被優化部分,淺色部分表示該部分是結構系統的主要承載部分,不能去除;深色部分是結構系統受力較小的部分,可以根據加工工藝、成本以及裝配情況適當地去除該部分材料。拓撲優化后得到相應屬性收斂曲線如圖14所示,整體優化較為收斂。

圖13 拓撲優化圖

圖14 拓撲優化收斂曲線

經過優化后的模型如圖15所示。對修改后的模型進行靜力學分析并與修改前的模型對比,結果顯示,拓撲優化后剝皮刀質量減少11%,應力減少9.7%;最大位移減少26%,且能達到正常工作的條件。所以優化能達到輕量化和提高整體強度的目的。拓撲優化前后各項數據對比如表2所示。

表2 拓撲優化前后數據對比

圖15 優化后應力和變形云圖

4 實驗和分析

自動剝皮器實驗流程如下:

1)電工穿戴好絕緣防護用具,系好安全帶上桿準備進行帶電作業;

2)使用驗電器對絕緣子、橫擔進行驗電,確認無漏電現象;

3)用絕緣操作桿按照“從近到遠、從下到上、先帶電體后接地體”的遮蔽原則對不能滿足安全距離的帶電體和接地體進行絕緣遮蔽;

4)將一段剝皮完成的副線插入線夾的副線線槽內,操作時使副線在自動剝皮器工具上固定;

5)將自動剝皮器工具掛在主線合適位置并保持自然垂落,人為輕輕握住絕緣桿,防止剝皮作業時產生輕微晃動;

6)操作使自動剝皮器工具夾具閉合,將鎖桿掛在剝皮方向同側合適位置(距一體化絕緣接線裝置邊緣,略大于單個線夾寬度)并鎖緊;

7)進行剝皮作業,等待剝皮完成后絕緣皮自然截斷;

8)操作自動剝皮器工具夾具開口向上并打開,為后續自動接線裝置提供基礎;

9)操作自動剝皮器工具線夾單側解鎖并進行旋緊;

10)操作自動剝皮器工具全部解鎖,取下一體化絕緣接線裝置;

11)工作結束后,按照“從遠到近、從上到下、先接地體后帶電體”的原則拆除絕緣遮蔽,作業人員返回地面。

自動剝皮工具剝皮線纜選用JKLYJ-95/JKYJ-120兩種線纜,其規格參數如表3所示。

表3 線纜規格參數表

從表4可得到本工具剝皮成功率極高,工作相對穩定。從圖16可知本剝皮工具能夠穩定可靠的完成剝皮工作,且從剝落的絕緣皮的切削面可知刀具工作穩定且排布角度科學。

表4 剝皮夾緊實驗數據表

圖16 自動剝皮器工具實驗圖

5 結語

本文提供了一種結構合理且使用可靠、便捷的旋鈕式剝皮器,其能針對當前待夾持線纜型號,而靈活地實現刀具進刀量的自適應調節、對關鍵部件導向刀和剝線刀進行了有限元分析,完全滿足設計和使用要求,從而極大地提升線纜的剝皮可靠性及剝皮效率。從實驗結果可以看出,當前自動剝皮器還存在剝皮失敗的概率,主要原因有以下幾點:1) 夾緊時開口齒輪未調至開口向上;2) 夾緊時夾具左掛鉤未搭進線纜內芯;3) 第2次剝皮時,左側預留線纜表皮太短,附著摩擦力減小,導致左側表皮隨剝皮夾具轉動。后續工作將針對這幾點問題展開。