CN108732042B - 一种适用于多分裂导线扭转刚度测试的试验装置 - Google Patents

一种适用于多分裂导线扭转刚度测试的试验装置 Download PDF

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Abstract

一种适用于多分裂导线扭转刚度测试的试验装置，包括分裂导线模型、两支架、两丝杠、扭矩轮、扭转角度指示杆和加载系统，所述分裂导线模型的两端分别绕过支撑导线的支架顶部固定于丝杠，所述扭矩轮安装于分裂导线模型的加载点处并与所述加载系统相连接，所述扭转角度指示杆放置于扭矩轮的下方用于读取分裂导线的扭转角度。本发明通过支架承受分裂导线模型自重，同时其高度满足模型导线垂度要求；所述丝杠底座充分固定，导线端部锚固于其上，用以提供和调节分裂导线模型初始水平张力；矩轮和加载系统联合进行分裂导线模型的加载试验。本装置能够很好地根据原型线路的几何参数进行试验模型的设置，具备良好的可操作性与实用性。

Description

一种适用于多分裂导线扭转刚度测试的试验装置
技术领域
本发明涉及多分裂导线力学特性研究领域的试验装置，特别是涉及一种适用于多分裂导线扭转刚度测试的试验装置。
背景技术
恶劣冰风条件下，大变形扭转引发的多分裂导线翻转事故时有发生。对于大档距输电线路而言，由于其扭转刚度较小等因素更易发生翻转事故，严重时还会引起导线磨损、断股甚至断线，继而影响线路正常运行。扭转刚度作为扭转相关问题的重要参数，展开其特性研究对有效解决分裂导线翻转及舞动问题有着十分重要的意义。
目前，国内外针对分裂导线扭转刚度特性的研究多基于有限元仿真模拟计算，基于试验的研究尚停留于上世纪末期，且为现场足尺试验，鲜有缩尺模型试验。分裂导线为柔索结构，相较于一般结构有着显著的非线性力学特性。现有的通用有限元软件因各有其局限性，并不能十分真实地模拟分裂导线受扭变形的完整过程。因此，在有限元仿真模拟研究的同时开展分裂导线扭转模型试验，二者相互验证将显得研究更具有说服力。
已有的现场足尺试验多针对较小档距线路，可控变量十分有限，无法针对多种参数展开研究。此外，分裂导线翻转事故多发生于大档距(如500m以上)线路，限于场地条件难以对此类线路展开足尺加载试验。即便可以实现加载，由于技术成本高、操作困难等因素制约，足尺试验仍难以满足多参数、多工况的试验要求，以致试验难以达到预期目标，试验研究的意义也十分有限。在此背景下，开展基于多参数、多工况的分裂导线扭转刚度特性缩尺模型试验研究显得尤为必要。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种多参数可调、适用范围广、安装快捷的适用于多分裂导线扭转刚度测试的试验装置。
本发明采用的技术方案是：
一种适用于多分裂导线扭转刚度测试的试验装置，其特征在于：包括分裂导线模型、两支架、两丝杠、扭矩轮、扭转角度指示杆和加载系统，所述分裂导线模型的两端分别绕过支撑导线的支架顶部固定于丝杠，所述扭矩轮安装于分裂导线模型的加载点处并与所述加载系统相连接，所述扭转角度指示杆放置于扭矩轮的下方用于读取分裂导线的扭转角度。本发明通过支架承受分裂导线模型自重，同时其高度满足模型导线垂度要求；所述丝杠底座充分固定，导线端部锚固于其上，用以提供和调节分裂导线模型初始水平张力，扭矩轮和加载系统联合进行分裂导线模型的加载试验，能够很好地根据原型线路几何参数进行试验模型的设置，具备良好的可操作性与实用性。
进一步，所述分裂导线模型由缩尺子导线模型及间隔棒模型共同构成导线-间隔棒体系，所述缩尺子导线模型上均匀布置有配重块，通过配重块可以调节模型垂度及线密度。
进一步，所述分裂导线模型的加载点位于间隔棒处。
进一步，所述扭矩轮为根据导线分裂数由轻质材料特别制作的圆盘，其直径大于模型导线分裂圆。
进一步，所述圆盘的表面设有角刻度标记，其圆周面上开设有用于与加载系统连接的凹槽。
进一步，所述圆盘由两个半盘连接形成，圆盘上开设有卡扣导线的开口，导线与圆盘之间设有橡胶垫，所述开口处填塞有塞块。扭矩轮可一分为二，以备在变更加载位置时便于拆装，橡胶垫和塞块均用以加扭矩轮对导线的握裹力，进而限制加载过程中扭矩轮可能发生的其所在竖直面以外的运动。
进一步，所述加载系统包括滑轮组、砝码、绳索，滑轮组分别高度可调地设置在扭矩轮的两侧，绳索的一端与扭矩轮连接，另一端绕过滑轮组与砝码连接。当导线模型垂度较大而支架高度有限时，滑轮组设置多个定滑轮，以便留有足够空间挂载砝码；滑轮组高度可调，用于适应导线不同垂度及不同加载位置的工况。
进一步，扭矩轮两侧的绳索分别沿扭矩轮的上下水平切线反向引出设置。
进一步，扭矩轮两侧的砝码是同步、等量加载的。
进一步，模型导线档内地面上设有两道平行地槽，所述支架可沿模型导线跨度方向移动设于地槽内，以此满足试验对分裂导线档距变化的工况要求。
本发明的有益效果：
(1)安装便捷，实用性强。采用现场实测的方式研究分裂导线扭转刚度，存在成本高昂、可操作性差等诸多局限。本发明可基于实际线路，特别是大档距线路，依据试验场地条件开展缩尺模型试验研究，既不失真实性又具备良好的可操作性与实用性。
(2)多参数可调，适用研究范围广。本发明装置可针对初始张力、分裂数、分裂圆直径、间隔棒数目、档距等参数变化对分裂导线扭转刚度的影响展开试验研究，可适用范围较广。
(3)本发明装置制作简单，所需试验材料购置方便，所需配件易于加工，应用成本较为低廉。
附图说明
图1是本发明主体部分(不包含模型导线配重)的三维示意图。
图2是本发明主体部分(不包含模型导线配重及加载系统)的正视图。
图3是本发明主体部分(不包含模型导线配重及加载系统)的俯视图。
图4是本发明加载系统的示意图，其中图4a是一对滑轮的加载系统的结构示意图，图4b是二对滑轮的加载系统的结构示意图。
图5是本发明中扭矩轮的结构示意图，其中图5a是扭矩轮的基本构造图，图5b是扭矩轮的正视结构图，图5c是扭矩轮的侧视结构图。
图6是本发明中扭矩轮的安装示意图，其中图6a是扭矩轮的安装立体图，图6b是扭矩轮的安装俯视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
参见图1-6，本实施例提供了一种适用于多分裂导线扭转刚度测试的试验装置，包括分裂导线模型1、两支架2、两丝杠9、扭矩轮3、扭转角度指示杆8和加载系统，所述分裂导线模型1的两端分别绕过支撑导线的支架2顶部固定于丝杠9，所述扭矩轮3安装于分裂导线模型1的加载点处并与所述加载系统相连接，所述扭转角度指示杆8放置于扭矩轮3的下方用于读取分裂导线的扭转角度，模型导线档内地面上设有两道平行地槽10，所述支架2可沿模型导线跨度方向移动设于地槽10内，以此满足试验对分裂导线档距变化的工况要求。本发明通过支架承受分裂导线模型自重，同时其高度满足模型导线垂度要求；所述丝杠底座充分固定，导线端部锚固于其上，用以提供和调节分裂导线模型初始水平张力，扭矩轮和加载系统联合进行分裂导线模型的加载试验，能够很好地根据原型线路的几何参数进行试验模型的设置，具备良好的可操作性与实用性。
本实施例所述分裂导线模型1由缩尺子导线模型及间隔棒模型共同构成导线-间隔棒体系，所述缩尺子导线模型上均匀布置有配重块，通过配重块可以调节模型垂度及线密度。所述分裂导线模型1的加载点位于间隔棒11处。
本实施例所述扭矩轮3由根据导线分裂数由轻质材料特别制作的圆盘12、橡胶垫13和塞块14组成，其直径大于模型导线分裂圆。所述圆盘12的表面设有角刻度标记，其圆周面上开设有用于与加载系统连接的凹槽，用以缠绕足量连接于加载系统的绳索。所述圆盘12由两个半盘连接形成，圆盘12上开设有卡扣导线的开口，导线与圆盘之间设有橡胶垫13，所述开口处填塞有塞块14。扭矩轮3可一分为二，以备在变更加载位置时便于拆装，橡胶垫13和塞块14均用以增加扭矩轮对导线的握裹力，进而限制加载过程中扭矩轮3可能发生的其所在竖直面以外的运动。
本实施例所述加载系统包括滑轮组4、砝码6、绳索7，滑轮组4通过滑轮支架5分别高度可调地设置在扭矩轮3的两侧，绳索7的一端与扭矩轮3连接，另一端绕过滑轮组4与砝码6连接。当导线模型垂度较大而支架高度有限时，滑轮组设置多个定滑轮，以便留有足够空间挂载砝码6；滑轮组4高度可调，用于适应导线不同垂度及不同加载位置的工况。扭矩轮3两侧的绳索7分别沿扭矩轮3的上下水平切线反向引出设置。扭矩轮3两侧的砝码6是同步、等量加载的。
本发明进行扭矩刚度测试的步骤如下：
步骤一：根据原型线路几何参数、试验场地条件及原型与模型导线材料参数，结合量纲分析法，确定试验模型各相似系数；原型线路几何参数包括档距、垂度、分裂圆直径，导线材料参数包括弹性模量、截面积、线密度等。
根据试验场地条件先行确定模型导线的档距、垂度参数，进而可确定几何相似系数；而后选定模型导线材质及规格，由弹性模量及截面积参数可确定力相似系数；再通过量纲分析法，确定其余物理参数的相似系数。
步骤二：确定导线模型的初始水平张力，选定可提供足够张拉力的丝杠，同时设计满足承重要求的支架；丝杠用于提供模型导线的水平张力，支架用于竖向承重，发挥相当于实际线路中直线塔的作用。模型档内地面上凿有地槽，承重支架固定于地槽内，使得承重支架可纵向移动以便于调整模型导线档距。
依据力相似系数及原型导线初始水平张力，确定模型导线的初始水平张力，据此选定可满足张力要求的丝杠，设计制作可满足承重要求的支架。如图1所示，充分锚固丝杠9，依据模型档距充分锚固支架2于地槽10中。
步骤三：根据既定的模型档距、垂度及初始水平张力，张拉模型导线。
经步骤一、二可确定模型导线档距、垂度以及初始水平张力。导线垂度f、档距L及水平张力N满足关系
其中，为导线线密度。对于模型导线，一般情况下仅凭其自重难以满足上述关系式，因此张拉模型导线时多需要增加导线自重。试验时可根据需要沿导线均匀布置配重块，而后依据试验方案装配模型间隔棒。模型间隔棒应具备足够的握裹力，以提供足够支撑的同时避免自身沿导线滑动。张拉模型导线时，如先固定左端，则先将分裂导线模型1一端绕过左侧支架2顶部后连接在左侧丝杠9上固定不动，另一端挂于右侧支架2顶部，牵引其线头使导线张力接近预定水平，然后固定线头于右侧丝杠9上，进一步通过调节右侧丝杠9的拉力使得导线张力达到预定水平。
步骤四：针对待研究试验参数及相应工况，加装扭矩轮并联结加载系统，进行加载试验。
扭矩轮基本构造如图5所示。扭矩轮盘12可一分为二，以备在变更加载位置时便于拆装。扭矩轮与导线间设有橡胶垫13，用以增加扭矩轮对导线的握裹力，进而限制加载过程中扭矩轮可能发生的其所在竖直面以外的运动。塞块14用以填补扭矩轮为卡扣导线而开口的空缺，进一步加强扭矩轮对导线模型的握裹作用。扭矩轮缘制有形似滑轮的凹槽，用以缠绕细绳索7。实际试验中，扭矩轮3的直径取略大于导线分裂圆直径即可。
扭矩轮安装示意如图6。试验过程中，加载点均为间隔棒所在位置处。首先，依据试验工况，在加载点紧靠间隔棒11安装扭矩轮3并紧密加固，以进一步限制加载过程中扭矩轮可能发生的面外运动。其次，在扭矩轮上缠绕两条绳索7，其长度均应长于扭矩轮3的两倍周长。绳索一端固定于扭矩轮3上，另一端绕过加载系统的滑轮4后系挂砝码6。如图4及6所示，两绳索7均沿扭矩轮3的水平切线反向引出，随着加载的进行带动扭矩轮3转动，实现对分裂导线模型1的扭矩加载。最后，放置扭转角度指示杆8，开始分级加载试验。
步骤五：分级加载并记录各级荷载对应的扭转角，绘制模型导线扭矩-扭转角关系曲线，据此研究分裂导线扭转刚度特性。
针对待研究的试验参数及相应工况，进行分级加载试验。加载过程中，两侧砝码须同步、等量加挂，同时读取并记录对应荷载下的扭转角度，视扭转角度变化情况适时、适量调整砝码挂载增量，直至加载终点。加载试验完毕，可获得针对某参数、某工况下的扭矩-扭转角关系曲线。随后，调整试验参数，依次进行其余工况下的分级加载试验。试验完毕，可得到针对特定参数、不同工况下的一系列扭矩-扭转角关系曲线，进而可展开对分裂导线扭转刚度特性的研究。
上述具体实施方式仅用于说明本发明的使用方法，而不是对本发明的使用范围进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和变更，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种适用于多分裂导线扭转刚度测试的试验装置，其特征在于：包括分裂导线模型、两支架、两丝杠、扭矩轮、扭转角度指示杆和加载系统，所述分裂导线模型的两端分别绕过支撑导线的支架顶部固定于丝杠，所述扭矩轮安装于分裂导线模型的加载点处并与所述加载系统相连接，所述扭转角度指示杆放置于扭矩轮的下方用于读取分裂导线的扭转角度；所述分裂导线模型由缩尺子导线模型及间隔棒模型共同构成导线-间隔棒体系，所述缩尺子导线模型上均匀布置有配重块；所述分裂导线模型的加载点位于间隔棒处；
所述适用于多分裂导线扭转刚度测试的试验装置进行扭矩刚度测试的步骤如下：
步骤一：根据原型线路几何参数、试验场地条件及原型与模型导线材料参数，结合量纲分析法，确定试验模型各相似系数；
步骤二：确定导线模型的初始水平张力，选定可提供足够张拉力的丝杠，同时设计满足承重要求的支架；丝杠用于提供模型导线的水平张力，支架用于竖向承重，发挥相当于实际线路中直线塔的作用；
步骤三：根据既定的模型档距、垂度及初始水平张力，张拉模型导线；
经步骤一、二可确定模型导线档距、垂度以及初始水平张力；导线垂度f、档距L及水平张力N满足关系
其中，为导线线密度；
步骤四：针对待研究试验参数及相应工况，加装扭矩轮并联结加载系统，进行加载试验；
步骤五：分级加载并记录各级荷载对应的扭转角，绘制模型导线扭矩-扭转角关系曲线，据此研究分裂导线扭转刚度特性。
2.根据权利要求1所述的一种适用于多分裂导线扭转刚度测试的试验装置，其特征在于：所述扭矩轮为根据导线分裂数由轻质材料特别制作的圆盘，其直径大于模型导线分裂圆。
3.根据权利要求2所述的一种适用于多分裂导线扭转刚度测试的试验装置，其特征在于：所述圆盘的表面设有角刻度标记，其圆周面上开设有用于与加载系统连接的凹槽。
4.根据权利要求2所述的一种适用于多分裂导线扭转刚度测试的试验装置，其特征在于：所述圆盘由两个半盘连接形成，圆盘上开设有卡扣导线的开口，导线与圆盘之间设有橡胶垫，所述开口处填塞有塞块。
5.根据权利要求1所述的一种适用于多分裂导线扭转刚度测试的试验装置，其特征在于：所述加载系统包括滑轮组、砝码、绳索，滑轮组分别高度可调地设置在扭矩轮的两侧，绳索的一端与扭矩轮连接，另一端绕过滑轮组与砝码连接。
6.根据权利要求5所述的一种适用于多分裂导线扭转刚度测试的试验装置，其特征在于：扭矩轮两侧的绳索分别沿扭矩轮的上下水平切线反向引出设置。
7.根据权利要求5所述的一种适用于多分裂导线扭转刚度测试的试验装置，其特征在于：扭矩轮两侧的砝码是同步、等量加载的。
8.根据权利要求1所述的一种适用于多分裂导线扭转刚度测试的试验装置，其特征在于：模型导线档内地面上设有两道平行地槽，所述支架可沿模型导线跨度方向移动设于地槽内。
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