CN110849563A - 一种架空电缆拉弯组合下弯曲刚度实验方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于架空电缆测试领域，涉及一种架空电缆拉弯组合下弯曲刚度实验方法与装置。传统的三点弯曲试验无法测量架空电缆在拉弯组合荷载作用下的相应，本方案提供一种架空电缆弯曲刚度测量装置与实验方法。根据实际的工况，采用荷载等效的方法。通过对三点弯曲试验进行改进，设计一套由底座支架、延伸架和竖直支撑架组成的实验支架，并使用万能试验机施加径向拉力，在样缆两端悬挂砝码对样缆施加轴向拉力，从万能试验机输出的拉力与缆体中间点的位移数据，并结合两个对称与中间点的激光传感器的数据，通过计算分析出架空电缆在多次往复拉弯组合下的弯矩与曲率的滞回曲线，从而研究弯曲刚度的变化。

Description

一种架空电缆拉弯组合下弯曲刚度实验方法与装置
技术领域
本发明属于架空电缆测试领域，涉及一种架空电缆缆拉弯组合下弯曲刚度实验方法与装置。
背景技术
架空电缆作为电力传输的重要装备起到电力传输的作用。随着两电塔之间的距离越来越远，架空电缆悬浮在空中，受到风力作用下的拉弯交变荷载的影响越来越大，架空电缆极易发生疲劳失效，故准确预测动态缆的疲劳寿命极其重要。
由于架空电缆结构特殊，内部功能单元由多层导线以一定螺旋角度绞合而成，导线层在受较大弯矩作用时，层与层之间导线会发生滑动，并且在拉力的作用下，内部的导线又会收紧，因此这种多种荷载作用下，架空电缆的弯曲刚度会发改变。而且在拉力作用下，架空电缆多次弯曲后，内部结构磨损后，其弯曲刚度的滞回也会发生改变。
上述问题，理论与数值方法往往难以准确描述在弯曲与拉力组合荷载下的电缆实际行为。因此需要通过实验的方法，准确地测量出电缆在往复拉弯组合下的弯曲刚度变化，从而精确计算其疲劳应力，研究拉弯组合荷载下的疲劳失效和失效后的结构相应就尤为重要。而现有的三点弯曲实验设备只能测量单次弯曲的刚度变化，而不能进行多次弯曲，并且无法对样缆施加拉力。相关的实验设备是针对大口径的柔性管缆拉弯设备开发的，运用到架空电缆的弯测试当中，会发生精度不足的问题。
发明内容
针对上诉提出的问题，本发明提供一种架空电缆拉弯组合下弯曲刚度实验方法与装置。根据实际的工况，采用荷载等效的方法，对架空电缆在一定弯曲半径范围内进行拉伸和反复弯曲。通过对三点弯曲试验进行改进，设计一套实验支架，使用万能试验机施加径向拉力，在样缆两端悬挂砝码对样缆施加轴向拉力，从万能试验机输出的拉力与缆体中间点的位移数据，并结合两个对称与中间点的激光传感器的数据，通过计算分析出架空电缆在多次往复拉弯组合下的弯矩与曲率的滞回曲线，从而研究弯曲刚度的变化。
本发明采用以下技术方案：
一种架空电缆拉弯组合下弯曲刚度实验装置，包括中间绞支架、侧边绞支架、延伸架、竖直支撑杆、U型扣、万能试验机、底座支架及激光测距仪。
所述的万能试验机包括导柱、移动压板、力传感器、移动底座和液压缸；移动压板和移动底座通过导柱连接，移动压板和移动底座平行；力传感器设置在移动压板底面。液压缸固定在移动底座的下底面，液压缸的伸缩使得移动底座上下移动，致使对样缆产生拉力与压力。
所述的中间绞支架与力传感器相连，样缆穿过中间绞支架；所述的侧边绞支架通过螺栓固定在底座支架的移动支架上，相对于中间绞支架对称，样缆的两端通过侧边绞支架支撑固定，样缆的两端通过钢丝绳连接砝码。
所述的底座支架通过U型扣固定于移动底座上表面，在移动底座两边使用U型扣进行扣紧U型扣下部有螺栓，通过拧紧螺栓固定U型扣，防止样缆在上拉时，提起底座支架。
所述的延伸架通过尾部螺纹固定于底座支架的移动支架上。
所述的竖直支撑架位于万能试验机的两侧，竖直支撑架的上部支撑延伸架的横杆且左右对称。
两个激光测距仪位于底座支架上，对称于样缆中点截面，并与中点截面程一定距离，其激光照射到样缆上，其数值保持最小。
所述的底座支架包括滑动支架、固定块、固定底座、直尺和插销。
所述的滑动支架通过固定块连接在固定底座上，滑动支架能在固定底座内的导轨中滑动，当位置确定时，拧紧固定块上的螺帽，固定滑动支架。固定底座的侧边设有直尺，用于确定滑动支架位置与测量两个滑动支架之间的距离。插销位于固定底座的下底面中心，插销安装到万能试验机的插销孔当中，保证底座支架的位置正确。
所述的延伸架包括固定杆、横杆、伸长杆和导轮横杆；
所述的固定杆尾部具有螺纹，固定于滑动支架的的螺孔当中，两根固定杆和两根伸长杆相连且互相平行；固定杆和伸长杆之间通过横杆相连，两根伸长杆的另一端固定连接导轮横杆；伸长杆能绕固定杆的前端螺栓在一定角度旋转。伸长杆处的横杆用于被竖直支撑架，以固定伸长杆的位置。伸长杆前端的处的导轮横杆具有导轮，起到引导钢丝绳的作用。
所述的中间绞支架包括连接件、滑棍、中间绞支架上部构件和中间绞支架下部构件。
所述的中间绞支架上部构件和中间绞支架下部构件为凹字形结构，上部构件和中部构件构成正方形框架，中间绞支架上部构件与中间绞支架下部构件都安装有水平滑棍，上下构件通过螺栓连接后，其滑棍能精准的对样缆施加荷载，其次滑棍能滑动，便于样缆调整位置。连接件固定在中间绞支架上部构件的上方。
所述的侧边绞支架包括侧边绞支架上部构件、斜滑棍、侧边绞支架中部构件、侧边绞支架下部构件和旋转圆柱。
所述的侧边绞支架上部构件和侧边绞支架中部构件为凹字形结构，上部构件和中部构件构成正方形框架，上部构件与中部构件内设有斜滑棍，上下两构件通过螺栓连接后，斜滑棍能使样缆左右两端位置对称。侧边绞支架中部构件的下方通过旋转圆柱与侧边绞支架下部构件相连，能使样缆两个端部旋转，使得两端符合实验的力学原理。
一种架空电缆拉弯组合下弯曲刚度实验装置的实验方法，步骤如下：
第一步：通过砝码对样缆施加轴向拉力，通过万能试验机的移动底座的上下往复移动，对样缆中间截面施加拉力与压力，即对样缆施加弯矩。
第二步：使用万能试验机设定移动底座的上下移动距离与往复次数，试验过程当中万能试验机将输出中间截面的位移与力值大小，激光测距仪11输出另外两点的位移值。
第三步：通过三点的位移值拟合样缆的变形曲线，并计算出样缆中点截面处的曲率。使用力传感器的数据计算出样缆中点截面处的弯矩。使用相关软件做出曲率与弯矩变化曲线，拟合出弯曲刚度。
本发明具有以下优点：
1.本装置基于三点弯曲实验装置改装，具有结构简单的特点。
2.中间铰接架的滑棍可以保证力值准确施加到样缆中点截面处。
3.中间与侧边铰接架的滑棍与斜滑棍设计能保证夹紧样缆，在实验时样缆竖直方向位移不发生改变。
4.侧边铰接架的旋转圆柱设计保证样缆的两端绞支符合实验的力学理论要求。
5.通过延伸架和数值支撑架保证砝码重量有效的加载到样缆上，具有结构简单的特点。
6.U型卡扣扣紧底座支架，防止样缆上拉提起底座支架。
附图说明
图1是本发明一种架空电缆拉弯组合实验装置的结构示意图。
图2是本发明一种架空电缆拉弯组合实验装置的结构剖面示意图。
图3是本发明一种架空电缆拉弯组合实验装置所用中间绞支架图结构示意图。
图4是本发明一种架空电缆拉弯组合实验装置所用侧边绞支架结构示意图。
图5是本发明一种架空电缆拉弯组合实验装置所用延伸架结构示意图。
图6是本发明一种架空电缆拉弯组合实验装置所用万能试验机结构示意图。
图7是本发明一种架空电缆拉弯组合实验装置所用底座支架结构示意图。
图8是本发明一种架空电缆拉弯组合实验装置所用底座支架前视图。
图9是本发明一种架空电缆拉弯组合实验装置所用竖直支撑架结构示意图。
图10是本发明一种架空电缆拉弯组合实验装置所用U型扣结构示意图。
图中：1中间绞支架；1-1连接件；1-2滑棍；1-3中间绞支架上部构件；1-4中间绞支架下部构件；2样缆；3侧边绞支架；3-1侧边绞支架上部构件；3-2斜滑棍；3-3侧边绞支架中部构件；3-4侧边绞支架下部构件；3-5旋转圆柱；4延伸支架；4-1固定杆；4-2横杆；4-3伸长杆；4-4导轮横杆；5钢丝绳；6砝码；7竖直支撑架；8U型扣；9万能试验机；9-1导柱；9-2移动压板；9-3力传感器；9-4移动底座；9-5液压缸；10底座支架；10-1滑动支架；10-2底座支架螺帽；10-3固定块；10-4固定底座；10-5直尺；10-6底座支架插销；11激光测距仪。
具体实施方式
如下结合附图和实施过程对本发明进行详细描述。
如图1～图10，一种架空电缆拉弯组合下弯曲刚度实验装置，包括中间绞支架1、侧边绞支架2、延伸架4、砝码6、竖直支撑架7、U型扣8、万能试验机9、底座支架10与激光测距仪11。
万能试验机9的移动压盘9-2和移动底座9-4与导柱9-1连接在一起，力传感器9-3与移动压盘连接。当样缆2安装完毕后，移动压盘9-2保持固定。液压缸9-5与移动底座连接在一起，通过液压缸9-5的伸缩，使得移动底座9-4上下移动，致使对样缆产生拉力与压力。万能试验机9将输出液压缸的的伸缩与压力传感器数值，即为样缆中间点的位移与数值。
底座支架10的插销10-6安装到万能试验机移动底座9-4的插销孔当中，保证底座支架的位置正确。在移动底座9-4两边使用U型扣8进行扣紧，U型扣8下部有螺栓，通过拧紧螺栓固定U型扣8，防止样缆2在上拉时，提起底座支架10。滑动支架10-1通过固定块10-3连接在固定底座10-4上，以此滑动支架10-1可以在固定底座10-4上沿导轨滑动，当位置确定时，拧紧固定块10-3上的螺帽10-2，固定滑动支架10-1。固定底座侧边的直尺10-5确定滑动底座位置与测量两个滑动底座之间的距离。
延伸架的固定杆4-1尾部有螺纹，通过螺纹拧进到滑动支架的螺纹孔当中，以防止试验中延伸支架4滑动。固定杆4-1、伸长杆4-3、横杆4-2与导轮横杆4-4通过螺栓连接起来。其伸长杆4-3可以绕中部螺栓在一定角度旋转。延伸支架前端的导轮是起引导钢丝绳的作用。
中间铰接架1由带有滑棍1-2的中间绞支架上部构件1-3和下部构件组成，通过螺栓连接在一起，上下两个滑棍1-2夹着样缆。上端通过连接件1-1连接万能试验机9的力传感器相连接。
侧边绞支架3的侧边绞支架上部构件3-1和中部构件各自有两个斜滑棍3-2，通过螺栓连接起来，起到夹紧样缆和调整样缆位置的作用。侧边绞支架中部构件3-3与侧边绞支架下部构件3-4通过旋转圆柱3-5连接起来，保证样缆2在受力时，两端铰接点能自由旋转，保证铰接点符合力学模型。侧边绞支架下部构件3-4通过螺栓与滑动支架10-1连接起来。
竖直支撑架7的上部尾部有螺纹，通过螺纹即可使竖直支撑架伸缩，竖直支撑架的上端横板支撑着延伸架的伸长杆上横杆，通过调整竖直支撑架7的长度即可是的延伸支架4的导轮表面与样缆2的轴线在同一直线上。
样缆2两端安装有钢丝绳5，钢丝绳5一端连接样缆，一端连接砝码6，钢丝绳5绕过导轮。通过这种方法即可对样缆2施加轴向拉力。
在离样缆2中间截面的两侧一定距离安装激光测距仪11，调整激光测距仪11的位置保证激光照射到样缆2的最低端，保证激光照射到样缆2的距离最短。
通过砝码6对样缆2施加轴向拉力，通过万能试验机9的移动底座9-4的上下往复移动，对样缆2中间截面施加拉力与压力，即对样缆2施加弯矩。试验开始前使用万能试验机9设定移动底座9-4的上下移动距离与往复次数，试验过程当中万能试验机9将输出中间截面的位移与力值大小。激光测距仪11输出另外两点的位移值。通过三点的位移值拟合样缆的变形曲线，并计算出样缆2中点截面处的曲率。使用力传感器9-3的数据计算出样缆中点截面处的弯矩。使用相关软件做出曲率与弯矩变化曲线，拟合出弯曲刚度。

Claims (5)

1.一种架空电缆拉弯组合下弯曲刚度实验装置，其特征在于：包括中间绞支架(1)、侧边绞支架(3)、延伸架(4)、竖直支撑杆(7)、U型扣(8)、万能试验机(9)、底座支架(10)及激光测距仪(11)，
所述的万能试验机(9)包括导柱(9-1)、移动压板(9-2)、力传感器(9-3)、移动底座(9-4)和液压缸(9-5)；移动压板(9-2)和移动底座(9-4)通过导柱(9-1)连接，移动压板(9-2)和移动底座(9-4)平行；力传感器(9-3)设置在移动压板(9-2)底面；液压缸(9-5)固定在移动底座(9-4)的下底面，液压缸(9-5)的伸缩使得移动底座(9-4)上下移动，致使对样缆产生拉力与压力；
所述的中间绞支架(1)与力传感器(9-3)相连，样缆(2)穿过中间绞支架(1)；所述的侧边绞支架(3)通过螺栓固定在底座支架(10)的移动支架上(10-1)上，相对于中间绞支架(1)对称，样缆(2)的两端通过侧边绞支架(3)支撑固定，样缆(2)的两端通过钢丝绳(5)连接砝码(6)；
所述的底座支架(10)通过U型扣(8)固定于移动底座(9-4)上表面，在移动底座(9-4)两边使用U型扣(8)进行扣紧U型扣(8)下部有螺栓，通过拧紧螺栓固定U型扣(8)，防止样缆(2)在上拉时，提起底座支架(10)；
所述的延伸架(4)通过尾部螺纹固定于底座支架(10)的移动支架(10-1)上；所述的竖直支撑架(7)位于万能试验机(9)的两侧，竖直支撑架(7)的上部支撑延伸架(4)的横杆(4-2)且左右对称；两个激光测距仪(11)位于底座支架(10)上，对称于样缆(2)中点截面；
所述的底座支架(10)包括滑动支架(10-1)、固定块(10-3)、固定底座(10-4)、直尺(10-5)和插销(10-6)；所述的滑动支架(10-1)通过固定块(10-3)连接在固定底座(10-4)上，滑动支架(10-1)能在固定底座(10-4)内的导轨中滑动，当位置确定时，拧紧固定块(10-3)上的螺帽(10-2)，固定滑动支架(10-1)；固定底座(10-4)的侧边设有直尺(10-5)，用于确定滑动支架(10-1)位置与测量两个滑动支架(10-1)之间的距离；插销(10-6)位于固定底座(10-4)的下底面中心，插销(10-6)安装到万能试验机(9)的插销孔当中。
2.如权利要求1所述的一种海洋风电动态缆拉弯组合下弯曲刚度实验装置，其特征在于：所述的延伸架(4)包括固定杆(4-1)、横杆(4-2)、伸长杆(4-3)和导轮横杆(4-4)；所述的固定杆(4-1)尾部具有螺纹，固定于滑动支架(10-1)的的螺孔当中，两根固定杆(4-1)和两根伸长杆(4-3)相连且互相平行；固定杆(4-1)和伸长杆(4-3)之间通过横杆(4-2)相连，两根伸长杆(4-3)的另一端固定连接导轮横杆(4-4)；伸长杆(4-3)能绕固定杆(4-1)的前端螺栓在一定角度旋转；伸长杆(4-3)处的横杆(4-3)用于被竖直支撑架(7)，以固定伸长杆(4-3)的位置；伸长杆(4-3)前端的处的导轮横杆(4-4)具有导轮，起到引导钢丝绳(5)的作用。
3.如权利要求1或2所述的一种架空电缆拉弯组合下弯曲刚度实验装置，其特征在于：所述的侧边绞支架(3)包括侧边绞支架上部构件(3-1)、斜滑棍(3-2)、侧边绞支架中部构件(3-3)、侧边绞支架下部构件(3-4)和旋转圆柱(3-5)；所述的侧边绞支架上部构件(3-1)和侧边绞支架中部构件(3-3)为凹字形结构，上部构件和中部构件构成正方形框架，上部构件与中部构件内设有斜滑棍(3-2)，上下两构件通过螺栓连接后，斜滑棍(3-2)能使样缆(2)左右两端位置对称；侧边绞支架中部构件(3-3)的下方通过旋转圆柱(3-5)与侧边绞支架下部构件(3-4)相连。
4.如权利要求1或2所述的一种架空电缆拉弯组合下弯曲刚度实验装置，其特征在于：所述的中间绞支架(1)包括连接件(1-1)、滑棍(1-2)、中间绞支架上部构件(1-3)和中间绞支架下部构件(1-4)；所述的中间绞支架上部构件(1-3)和中间绞支架下部构件(1-4)为凹字形结构，上部构件和中部构件构成正方形框架，中间绞支架上部构件(1-3)与中间绞支架下部构件(1-4)都安装有水平滑棍(1-2)，上下构件通过螺栓连接后，其滑棍(1-2)能精准的对样缆(2)施加荷载，其次滑棍(1-2)能滑动，连接件(1-1)固定在中间绞支架上部构件(1-3)的上方。
5.根据权利要求1～4任一所述的一种架空电缆拉弯组合下弯曲刚度实验装置的实验方法，其特征在于：步骤如下：
第一步：通过砝码(6)对样缆(2)施加轴向拉力，通过万能试验机(9)的移动底座(9-4)的上下往复移动，对样缆(2)中间截面施加拉力与压力，即对样缆(2)施加弯矩；
第二步：使用万能试验机(9)设定移动底座(9-4)的上下移动距离与往复次数，试验过程当中万能试验机(9)将输出中间截面的位移与力值大小，激光测距仪11输出另外两点的位移值；
第三步：通过三点的位移值拟合样缆的变形曲线，并计算出样缆(2)中点截面处的曲率；使用力传感器(9-3)的数据计算出样缆中点截面处的弯矩；使用相关软件做出曲率与弯矩变化曲线，拟合出弯曲刚度。
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