(广西送变电建设有限责任公司 广西南宁 530031)
摘要：架空输电线路架线施工用滑车挂架是输电线路工程架线施工必备的主要机具之一，对其综合力学评价是十分有必要的。文章首先对新设计和制造的滑车挂架GJ1250-3x150A和GJ1250-3x150B进行有限元静力学分析，然后将仿真计算数据与现场测量值进行对比，运用有限元仿真分析手段对数据偏差现象进行合理的解释与论证，最后选用钢板材整体切除出滑车挂架模型，对挂架模型进行优化，并对此模型进行有限元静力学分析。结果表明，有限元分析能够有效地对滑车挂架受力状态进行模拟，两种挂架模型强度能够满足工作要求；试验数据与仿真计算的偏差与偏载有关；优化后的钢板材切除滑车挂架模型在满足强度的条件下质量减轻了35.2%，优化模型较好。
关键词:组合式滑车挂架；有限元分析；设计；大截面导线架线
前 言：放线挂架与滑车、放线、紧线及附件安装等施工有密切关系，为了确保架空输电线路工程施工安全及施工质量，需要对其力学性能进行准确的分析。有限元分析方法是现代工程设计中一种重要的辅助设计手段，其对于复杂的力学问题能够进行有效的模拟计算。对滑车挂架进行有限元分析是对其力学性能分析的一种重要途径。
在现场进行力学试验时，由于受挂架自身的制造安装、固定形式与加载方式、测量设备的准确度与灵敏度、人为操作、周围环境等因素的影响，导致现场测量结果与仿真计算值存在偏差。为了滑车挂架在服役期间能够安全可靠，避免一些不必要的损失，需要对结果偏差进行分析，使得滑车挂架在使用时更加的安全可靠，最大程度减少经济损失。
在工程上，一般追求产品性能好，轻量化，成本低，安全可靠。产品设计时尽量使产品结构简单，这样既可以降低成本，也提高了产品的经济实用性。因此在设计滑车挂架时，应尽量在满足力学性能和工作要求的基础上，减少材料，简化挂架结构，使其加工制造简单，安装运输方便。
在有限元分析过程中，首先利用三维建模软件Pro/E建立GJ1250-3x150A型和GJ1250-3x150B型滑车挂架几何模型，然后导入到ANSYS Workbench软件进行静力学分析，给出两种滑车挂架力学性能综合评价；然后针对仿真结果与试验结果的偏差问题进行有限元分析讨论，对数据偏差给出合理解释；最后采用钢板材整体切除滑车挂架的方式进行重新建模，以减轻模型质量为优化目标，刚度、强度为约束条件对其进行优化设计，实现了滑车挂架的轻量化，为滑车挂架的设计和改造提供了理论依据。
1 滑车挂架的有限元静力分析
1.1 几何模型建立
1.1.1 实际滑车挂架的结构形式
大截面导线架线组用组合式滑车挂架由上下水平材、竖向主材、交叉材、悬垂连板、上水平材中部连板、下水平材中部挂板、V串挂板等零部件组成，零部件采用螺栓或焊接连接，装配关系如图1所示。本文章研究的对象为GJ1250-3x150A和GJ1250-3x150B两种型号挂架，其中GJ1250-3x150A挂架交叉材采用L100X8四根角钢背对背交叉连接，在交叉点焊接成整体，如图2所示；GJ1250-3x150B挂架交叉材采用两根L80X8的角钢一前一后背靠背交叉连接，在交叉点用M20螺栓连接，如图3所示。
1.1.2 滑车挂架几何建模
采用三维建模软件Pro/E对GJ1250-3x150A和GJ1250-3x150B滑车挂架进行几何建模，当然也可以采用SOLIDWORKS、UG等软件建模。建模时将结构进行了简化，即将上水平材、下水平材、竖直主材、V串挂板、下水平材中部连板作为整体建模，如图4所示。其中GJ1250-3x150A型挂架交叉材有两种建模方式，模型一：四根L100X8角钢背对背交叉整体建模，交叉材为一体，整体模型如图5所示，模型质量为545KG；模型二：交叉材分别单独通过螺栓与挂板连接，整体模型如图6所示,模型质量为551KG；GJ1250-3x150B型挂架交叉材改用两根L80X8的角钢一前一后背靠背交叉整体建模，整体模型如图7所示,模型质量为463KG。
1.2 定义材料
由于实体滑车挂架的主材均是采用型号为Q345的角钢，所以在workbench材料库中所有零件均选用Q345结构钢，密度为7.85g/mm3,杨氏模量为210GPa，泊松比为0.3，屈服强度为345MPa，极限强度为460MPa。
1.3 网格的划分
在ANSYS Workbench中，网络划分是作为一个单独的工具平台，其对模型能够进行快速的自动网格划分，划分网格质量相对较好。本文章仿真主要是对挂架各主材构件进行力学性能分析，对连接约束部位不做深究，故为了缩短仿真计算时间，对整体结构进行自动网络划分，根据圣维南原理，网络划分对结果影响较小。划分网格模型如图8所示，GJ1250-3x150A挂架模型1划分单元32056个，模型2划分单元41950， GJ1250-3x150B挂架模型划分单元25706。
图8 几何模型的网络划分
1.4 约束与加载方式
对滑车挂架添加约束时，存在两种约束方式，约束方式1：:对悬垂挂板上端的A,C孔孔面进行固定。约束方式2：对两侧V形串板的D,E孔孔面进行固定。载荷通过挂架下水平材的中部挂板和两侧的边挂板施加到挂架上，故加载时以中部挂板和两侧连挂板的孔孔面作为加载面，同时加载150KN的载荷，方向竖直向下，如图9所示 。
图10为GJ1250-3x150A挂架模型1在约束方式1下的Von- Mises 应力云图，可以看出：（1）应力大致对称分布，其中中间竖向主材和下水平主材应力分布均匀，其他主材存在一定的应力梯度；（2）中间竖向主材为主要受力件，最大应力为100MPa左右，两侧竖向主材受力较小，最大应力值只有25MPa左右；（3）两侧挂点的荷载主要通过交叉材传递，左-1和右-2受到拉伸荷载作用，左-2和右-1受到压缩荷载作用，最大拉应力值为50MPa，压应力值为90MPa；（4）上下水平材均为受压构件，最大压应力为60MPa。
图11为模型2在约束方式1下的Von- Mises 应力云图，可以看出应力分布与GJ1250-3x150A挂架模型1在约束方式1下的相似，由于交叉架的连接方式不同导致交叉架构件应力分布存在较小差异，但各个主材所受最大应力值与模型1的相近。
图12为GJ1250-3x150B挂架模型在约束方式1下的Von- Mises 应力云图，可以看出应力分布与GJ1250-3x150A挂架模型应力分布相似，但此时中间竖向主材和交叉材为主要受力件，中间竖向主材最大应力约为153MPa，交叉材的最大应力约为160MPa。两侧竖向主材受理较小，最大应力约为40MPa，上下水平材最大应力约为90MPa。
图13、图14为GJ1250-3x150A挂架两种模型在约束方式2下加载的Von- Mises 应力云图，可以看出两模型应力分布类似，各构件所受最大应力值相近，两侧竖向主材为主要受力构件，最大应力为105MPa左右；中间挂点的荷载主要是通过交叉材传递，其中左-2和右-1杆受拉伸荷载作用，最大拉应力为50MPa，，左-1和右-2杆上受压荷载作用，应力值较小；中间竖向主材和上下水平材受力也较小，最大应力不超过20MPa。
根据以上的计算结果分析认为，交叉材的连接方式对挂架模型静力分析结果影响较小，GJ1250-3x150A挂架建模有效。
图15为GJ1250-3x150B挂架模型在约束方式2下加载时的Von- Mises 应力云图，可以看出两侧竖向主材，左-2和右-1交叉材为主要受力件，其中竖向主材的最大拉应力值约为130MPa，交叉材最大应力约为80MPa，中间竖向主材和上下水平材受力较小，最大应力不超过30MPa。
比较GJ1250-3x150A模型和GJ1250-3x150B模型的受力状态，发现GJ1250-3x150B模型的各个构件的应力水平均有所提高，最大应力由100MPa升至160MPa左右，与Q345屈服强度的比值为345/160=2.15，参照标准DL/T 875-2004《输电线路施工机具设计、试验基本要求》4.4.1中的规定，可知两种挂架的构件的强度均满足要求。
2 仿真计算数据与试验测量数据对比分析
2.1 数据的提取与对比
现场通过应变片对滑车挂架13个测点进行应力测量，测点布置如下图16所示，在Workbench中通过probe工具提取各个相应测点的应力大小。下面针对GJ1250-3x150A挂架模型1在约束方式1下，加载大小与试验时相等的载荷，分别为125KN,126KN,128KN,进行仿真计算，仿真数据与实际测量数据如下表1所示
从表1中可以看出，在相同的加载情况下，现场测量数据与仿真计算结果有偏差。其中偏差最为明显的是左侧竖向主材、中间竖向主材、上水平材左和悬挂连板两侧的测点应力值。左侧竖向主材实际测量值为22MPa，而仿真值只有13MPa，中间竖向主材实际测量值为110MPa，而仿真时只有84MPa；上水平材左侧实际测量值为35MPa左右，仿真数据只有5MPa；仿真时悬挂板两侧应力对称，约为40MPa左右，而实际测量时，两侧应力严重不对称，左侧高达66MPa，而右侧接近于0。从以上数据对比可以看出挂架实际测量时存在结构偏载，而且有向右偏载趋势，为了进一步确定偏载的形式，下面以有限元仿真分析手段做进一步分析。
2.2 测点应力随F1向右倾斜角度θ（与竖直方向夹角）的变化情况
保持F1，F2，F3大小不变，F2，F3加载方向不变，改变F1与竖直方向的夹角θ，观察各测点应力随F1向右倾斜角度θ的变化情况，变化曲线图如下图17所示
通过曲线图17可以看出，竖向主材左，竖向主材中，交叉材左一，上水平材左，上水平材右，悬挂板左，悬挂板右等测点应力大小随θ变化较为明显，其中，竖向主材中、上水平材左，悬挂板右随θ增加而减小，竖向主材左、悬挂板左随θ增加而增大，上水平材右先随θ增加而减小，后又随θ增加而增大，根据数据对比分析，可以推断θ角度应超过10度，增加F1倾斜角度时，竖向主材左、上水平材左、上水平材右、悬挂板左，悬挂板右等测点应力与实测数据靠近，但在竖向主材中应力与实测时测点应力相差越来越大，说明单独增加F1倾斜角度仿真数据不会与实测数据吻合的，所以可能还有其他影响因素影响测点应力的大小。
图17 测点应力随θ变化曲线
2.3 几种不同的偏载方式仿真结果与实际测量结果对比分析
由4.2分析可知测点应力随F1加载角度变化的变化情况，下面计算出F1，F2，F3分别向右倾斜10度时各个测点应力值，观察F2，F3倾斜对各测点应力值的影响，各个测点仿真计算值如下表2所示
表2 F1，F2，F3偏移10度仿真结果与实际测量数据
从表2中可以看出，F2、F3分别偏移10度与F1偏移10度在多个测点处应力值相近，但F2倾斜时，上水平材右测值与实际值更靠近，下水平材右测值与实际值偏差更大；F3倾斜时，其对各个测点值大小的影响与F1相近。综合F1，F2，F3对各个测点应力值的影响，可以初步断定当F1，F3同时向右偏移时，仿真结果与实际测量值更靠近，并且F1倾斜10度以上。
2.4 偏载仿真结果与现场测量结果比较
为了更加准确的说明F1和F3的偏移角度，通过不断地改变F1和F3的偏移角度，使得仿真结果与实际测量结果相近。结果发现，当F1向右倾斜15度，F3向右倾斜7度时，仿真结果与实际测量值非常接近。
滑车挂架GJ1250-3x150A在约束方式1， F1=125KN，F2=126KN，F3=128KN，同时F1向右倾斜15度，F3向右倾斜7度时，仿真结果与实际测量结果比较如下表3所示
表3 GJ1250-3x150A F1偏移15度，F3偏移7度时仿真数据与实际测量数据
表3表明，GJ1250-3x150A挂架在F1向右倾斜15度，F3向右倾斜7度时，仿真数据与实际测量数据偏差较小，只有中间竖向主材仿真数据73MPa小于实际测量数据110MPa。
表4表明，GJ1250-3x150A挂架在F1向右倾斜15度，F3向右倾斜7度时，仿真数据与实际测量非常吻合，其中中间竖向主材测点应力也相近。
表3，表4数据说明偏载仿真分析有效地模拟了现场测试情况。对于GJ1250-3x150A挂架中间竖向主材测点仿真值小于测量值而GJ1250-3x150B挂架中间竖向主材仿真值与测量值相近，说明了模型结构越简单，仿真结果与实际情况越相近。
2.5 滑车挂架偏载后力学性能分析
前面已经分析出当F1向右倾斜15度，F3向右倾斜7度时，仿真数据与实际测量非常吻合。下面对GJ1250-3x150A和GJ1250-3x150B挂架模型在偏载时进行有限元静力学分析。
图18为GJ1250-3x150A挂架在约束方式1，F1=155KN，F2=151KN，F3=152KN，F1向右倾斜15度，F3向右倾斜7度加载时的Von- Mises应力云图，可以看出，挂架结构向右倾斜，应力分布极不均匀。中间竖向主材为主要受力件，但应力梯度较大，其发生扭曲，最大应力达到140MPa;左侧竖向主材也发生扭曲，但受力较小；由于偏载，交叉材（左2）局部存在明显挤压，最大压应力高达218MPa，拉伸应力最大约为80MPa；上下水平材左侧受力大于右侧，最大压应力约为70MPa左右。
图19为GJ1250-3x150A挂架在约束方式2，F1=155KN，F2=151KN，F3=152KN，F1向右倾斜15度，F3向右倾斜7度加载时的Von- Mises应力云图，可以看出：两侧竖向主材和交叉材为主要受力件，其中两侧竖向主材发生明显扭曲，右侧主材受力较左侧大，最大应力为110MPa左右；交叉材受拉应力较大，压应力较小，左侧交叉材（左1）受力比右侧交叉材（右2）大，最大拉应力为90MPa左右；上下水平材和中间竖向主材受力较小。
图20为GJ1250-3x150B挂架在约束方式1，F1=153KN，F2=153KN，F3=153KN，F1向右倾斜15度，F3向右倾斜7度加载时的Von- Mises应力云图，可以看出：挂架结构向右倾斜，应力分布极不均匀。中间竖向主材和交叉材为主要受力件，但应力梯度较大。其中中间竖向主材最大应力为240MPa左右，右侧交叉材受力大于左侧交叉材，最大拉应力约为140M，最大压应力为250MPa；左侧竖向主材受力大于右侧竖向主材，最大应力为100MPa；上下水平材左侧受力大于右侧，最大压应力约为170MPa。
图21表明为GJ1250-3x150B挂架在约束方式2，F1=153KN，F2=153KN，F3=153KN，F1向右倾斜15度，F3向右倾斜7度加载时的Von- Mises应力云图，可以看出：两侧竖向主材和交叉材为主要受力件，右侧主材受力较左侧大，最大应力为150MPa左右；左侧交叉材受拉和受压较右侧交叉材明显，最大拉应力（左1）约为110MPa，最大压应力（左2）约为80MPa；上下水平材和中间竖向主材局部存在一定压应力，最大压应力为40MPa左右。
通过分析可知，模型发生偏载时，模型应力分布变得不均匀，应力梯度较大，局部存在应力集中，最大应力高达250MPa，与Q345屈服强度的比值为345/250=1.38，参照标准DL/T 875-2004《输电线路施工机具设计、试验基本要求》4.4.1中的规定，可知挂架在偏载状态下使用时存在一定的风险。
3 滑车挂架模型结构优化
GJ1250-3x150A和GJ1250-3x150B挂架主要是由角钢与连接板通过螺栓连接而成，由于挂架构件类型较多，装配关系复杂，导致加工周期相对较长，加工装配后的挂架笨重，不便于运输安装，结构力学性能受装配质量影响较大。因此设计便于加工，力学性能好，质量小的挂架非常有意义。
前面对GJ1250-3x150A和GJ1250-3x150B挂架模型进行有限元静力学分析可知，模型各构件的强度和刚度均满足使用条件，但模型质量较大。参照标准DL/T 875-2004《输电线路施工机具设计、试验基本要求》4.4.1中的规定，下面在满足挂架模型最小安全系数达到2.0，即最大应力不超过340/2=170MPa条件下，尽量使模型质量最小，对模型进行结构优化。
为了挂架加工简单，下面对一块Q345钢板材进行切除加工，切除出与实体挂架形状类似的模型，使得切除后模型的约束点和悬挂点位置与原有模型不变和孔径大小不变，使切除后模型能够正常使用。切除后的模型如下图22所示
图23，图25，图27为三种不同厚度的切除模型在约束方式1下加载时的Von- Mises应力云图，模型整体受力均匀，中间竖向板受力较大 ，但最大应力出现在受压交叉架上部的圆角处。三种厚度模型最大分别应力为131MPa、157MPa、196MPa。
图24，图26，图28三种不同厚度的切除模型在约束方式2下加载时的Von- Mises应力云图，模型受力均匀，受拉交叉板和两侧竖板受力较大，排除约束点，最大应力出现在两侧竖板上部转角处。模型为30mm和25mm厚时最大应力不超过170MPa，当模型厚度减为20mm时，最大应力达到200MPa。
综合对比分析可知，两种约束方式下，随着模型厚度减小，模型各部位受力逐渐增大，但模型应力分布未发生变化，分布均匀 。在约束方式1下加载，模型厚度由30mm减至25mm时，模型质量由360KG减为300KG ，最大应力由131MPa增至157MPa；模型厚度由25mm减至20mm时，质量由300KG减为240KG，但最大应力增至196MPa。在约束方式2下加载，当模型厚度减为20mm，最大应力也高达200MPa。因此，在保证滑车挂架工作时安全系数达到2.0，即最大应力不超过170MPa，而质量较小的前提下，选择25mm厚钢板进行滑车挂架整体切除最为适合。
模型优化后，在相同的加载和约束条件，挂车模型的强度和刚度满足设计要求的条件下，模型质量由GJ1250-3x150B的463KG减至300KG ，质量减少了35.2%，达到了结构优化的目的。优化后模型的二维图如图29所示
4 对比结论
文章从两个方面对滑车挂架进行了分析，即滑车挂架的有限元仿真静力分析和滑车挂架结构优化设计，可以得出如下结论：
（1）GJ1250-3x150A型和GJ1250-3x150B型滑车挂架的有限元静力分析表明，不同的约束方式，挂架的主要受力件有所不同。在相同的荷载条件下，约束中间悬挂连扳时滑车挂架杆件的最大拉应力大于约束两侧V串挂板时构件的最大应力。在两种约束下加载，GJ1250-3x150A的最大应力为100MPa，GJ1250-3x150B的最大应力为160MPa，两种挂架的构件的强度均满足要求。
（2）对挂架模型的有限元仿真数据与实际测量数据的偏差进行仿真分析，分析出当F1向右倾斜15度，F3向右倾斜7度时，仿真数据与试验数据相近，说明了有限元仿真能对实际情况有效模拟，试验时载荷有偏载现象。
（3）对滑车挂架进行结构优化，采用25mm钢板材整体切除出滑车挂架模型。优化后模型结构合理，加载时最大应力为157MPa，模型质量由原来的463KG减为300KG，质量减少了35.2%，既满足了静刚度设计要求，又节约了材料，并且便于加工制造，因此结构优化较为合理。
图29 优化后模型二维图
5 成果的推广应用
特高压大截面、多分裂导线张力架线施工滑车挂架优化成果在广西送变电建设公司承建的宁东（灵州）—浙江（绍兴）±800kV特高压直流输电线路工程皖四标段施工中推广应用，确保了线路施工得以安全、优质、高效地完成，为公司带来了可观的社会效益。
宁东（灵州）—浙江（绍兴）±800kV特高压直流输电线路工程长度为58.9Km，本标段在平丘地形采用6×JL1/G3A-1250/70导线，在一般山地采用6×JL1/G2A-1250/100导线，主要完成了夜间跨越宁安高铁架线施工，跨越铜九铁路、高速公路、500kV葛上线、±800kV复奉线、±800kV锦苏线等，导线展放过程中未发生一次安全事故，得到国家电网公司直流部的好评，提升了客户满意度和本企业形象。图30是该工程的现场施工图片。
图30滑车挂架在现场施工图片
随着特高压项目下一轮建设高潮来临，为了满足大输送、长距离、节能的要求，大截面导线的使用更加频繁。因此，滑车挂架将会发挥更大的作用。
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作者简介：磨其良，工程师。身份证号码：4501051970****001Ⅹ
论文作者:磨其良
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/3/27
标签：挂架论文; 应力论文; 模型论文; 滑车论文; 主材论文; 受力论文; 测量论文; 《电力设备》2018年第29期论文;