马星
北屯电力工程安装有限责任公司 新疆 北屯 836099
摘要：碳纤维的密度很小，强度较大，在结构轻量化备选材料中，具有广泛的应用前景。碳纤维复合材料由碳纤维与环氧树脂复合而成，比强度和比模量均大于钢材。碳纤维复合材料有显著的各向异性，其沿纤维方向强度是沿垂直纤维方向强度的70倍以上。碳纤维复合材料材质柔软，所以其有很强的设计性。本文主要分析特高压输电线路新型碳纤维更换绝缘子闭式卡具力学性能研究。
关键词：碳纤维复合材料；闭式卡具；力学性能；有限元方法；渐进损伤
引言
输电线路中的瓷质或玻璃绝缘子在荷载或环境外力作用下，经常发生损坏情况，需使用特定的检修工具进行更换。闭式卡具是一种常用的单片绝缘子更换工具。其操作过程为：1)将卡具卡在待更换绝缘子上下绝缘子钢帽上；2)收紧丝杆将卡具固定于钢帽；3)移除破损的绝缘子片，将新绝缘子片换上；4)取下卡具完成更换。闭式卡具在使用过程中，代替原绝缘子片承担挂点竖向荷载，因此需具备较高的机械强度。目前，闭式卡具主要有两种材质：铝合金和钛合金。铝合金卡具主要应用于电压等级较低的线路，具有强度低、重量轻、造价低的特点。钛合金卡具主要应用于电压等级较高的线路，具有重量较轻、强度较大、价格昂贵的特点。在特高压输电线路中，由于导线荷载的增大及档距的增加，铝合金卡具因强度低不再适用，钛合金卡具因单件重量已达24kg，工人操作极为不便。
1、碳纤维闭式卡具铺层结构设计
1.1材料参数
碳纤维复合材料是一种可设计性强的各向异性材料，不同铺层角度和铺层方式对碳纤维复合材料层合板的强度和刚度有较大的影响。文中采用T700/T009碳纤维复合材料，根据碳纤维复合材料可设计性强的特点结合闭式卡具的结构特点与受力特点，对碳纤维闭式卡具进行铺层方式和铺层角度的设计。
1.2结构尺寸及受力情况
文中以更换1000kV特高压输电线路单片420kN瓷质绝缘子用的钛合金材料的闭式卡XWP420型为轻型化对象，其外形尺寸及构造。闭式卡具主要由前卡具、后卡具和丝杆组成，工作时，代替原绝缘子片承担拉力，其受力特点，从整体角度看，当收紧闭式卡具的丝杆时，闭式卡具与钢帽接触部位可视为固定约束，左右两端耳板视为加载端。在对闭式卡具进行力学性能分析时，可将闭式卡具的前、后卡具当成一受3点力平衡的简支梁进行分析，且可认为前、后卡具的受力完全一样，外形尺寸也一样。根据卡具的受荷特点及边界条件，可以看出结构主要承受弯矩和剪力作用，整体结构可以简化为简支外挑梁。
2、碳纤维复合绝缘子卡具力学性能分析
2.1分析方法
利用ANSYSWorkbench有限元分析软件对新型碳纤维复合绝缘子的夹具进行了有限元力学性能分析。 通过Workbench的ACP模块，实现了碳纤维复合绝缘子的夹具建模、铺层角度定义、断裂判断等分析。 工作台中的ACP模块包括ACP预处理模块(预)和ACP后处理模块(后)开机自检。 ACP预处理模块( Pre )是碳纤维前夹芯的建模、网格分割、材料定义、铺装角度定义、夹层芯结构的定义。 ACP后处理模块( Post )进行碳纤维模型的失效判定。
2.2分析模型
在Workbench的ACP预处理模块( Pre )中，进行碳纤维复合绝缘子紧固件的建模、网格划分、材料定义、铺层角度定义以及三明治芯结构的定义。 根据闭式绝缘子紧固件的整体力特点，碳纤维复合绝缘子紧固件的前紧固件建模时，可将前紧固件简化为整体图形，然后将其网格分割，将图形分割为312个单元，每单元最大尺寸为16.16mm，最小尺寸 根据紧固件的设计原理，通过衬层的设计和结构，进行模型材料的定义、衬层角度的定义、夹层芯结构的定义。
将ACP预处理模块( Pre )数据导入到Workbench的StaticStructural模块中，将碳纤维前夹具模型加载到StaticStructural模块中进行约束。 根据闭式绝缘子卡具NGK550的静态试验载荷225kN和第1节闭式绝缘子卡具的受力特性，对模型进行了载荷和约束。
3、碳纤维复合绝缘子卡具力学试验
3.1碳纤维复合绝缘子卡具制作
碳纤维复合绝缘子卡具的制作工艺采用模压成型工艺。模压成型工艺是目前主要的复合材料生产工艺，比起传统的手糊工艺，模压工艺更为先进，尺寸精度更高，制品强度更高。在制作时，首先需制作碳纤维复合绝缘子卡具的模具，待模具制作好后将碳纤维材料与树脂材料放进模具里，进行高温高压的模压。模压结束后打开模具，对碳纤维复合绝缘子卡具进行后处理，最后得到成品。通过电子秤称得单只碳纤维复合绝缘子卡具的重量为6.5kg。经测量，闭式卡NGK550的前卡具的重量为16.1kg，所以新型碳纤维复合绝缘子卡具重量比闭式卡NGK550轻了59.62%。在制作时，首先需制作碳纤维复合绝缘子卡具的模具，待模具制作好后将碳纤维材料与树脂材料放进模具里，进行高温高压的模压。模压结束后打开模具，对碳纤维复合绝缘子卡具进行后处理，最后得到成品。通过电子秤称得单只碳纤维复合绝缘子卡具的重量为6.5kg。经测量，闭式卡NGK550的前卡具的重量为16.1kg，所以新型碳纤维复合绝缘子卡具重量比闭式卡NGK550轻了59.62%。
3.2碳纤维复合绝缘子卡具力学试验
碳纤维复合绝缘子卡具的力学试验采用一台大型拉力机，在进行力学试验时，将碳纤维复合绝缘子卡具与绝缘子装配好，并安装在试验装置上进行力学试验。将拉力机的荷载设置为225kN，启动拉力机。当拉力机荷载施加到225kN时，碳纤维复合绝缘子卡具未出现破坏现象，最大变形为4.64mm。拉力机卸载后，碳纤维复合绝缘子卡具无变形，无破坏迹象，满足设计要求。
3.3计算分析
为了验证所设计的碳纤维通用密闭式卡的力学性能，采用有限元法进行了静应力力学模拟。 模型按标准要求乘以240kN破坏载荷的3倍设计额定载荷80kN ( )进行计算，作用于双耳的力分别为120kN。 作者通过多次试验确定了最终的网格控制方案，采用基于零件的测量方法对零件网格进行了测算，平均要素尺寸(模型直径的分数)为0.1，最小要素尺寸)平均尺寸的分数)为0.2，分级系数为1.5，最大转角为60°，圆角 主要集中在双耳，顺载荷方向孔的边缘受压缩应力，逆方向受拉伸应力，但整体应力水平不高，前、后卡最小等效应力均为0MPa，最大等效应力分别为58.78、58.52MPa。 设定情况下，密闭式卡位移整体数值小，变化范围0~0.007156mm，综合位移从两侧向中心减少，最大位移出现在双耳圆孔受压面，密闭式卡主体及其加筋附近位移小，最低值为0mm。 安全系数在5.1~15的范围内变化，安全系数均大于1，闭式卡主体及其加强肋附近的安全系数高，最大值高达15，表明该结构合理、强度高。 综合以上分析，密闭式卡左右双耳圆孔出现应力集中现象，但最大应力远远小于碳纤维复合材料的屈服强度，位移变化在T300碳纤维复合材料的弹性模量以内，且卡整体安全系数符合标准要求，因此本文设计的通用密闭式卡的力学性能 设计时在双耳孔嵌入钛合金孔盖，进一步优化应力分布，提高双耳强度。
结束语
根据特高压输电线路作业工况要求，设计研制了碳纤维通用闭式卡，有限元计算和试验发现卡具受力薄弱位置位于双耳螺栓孔，施加３倍额定荷载（２４０ｋＮ）时最大应力为５８．７８ＭＰａ，最大位移量为０．００７１５６ｍｍ，最小安全系数达到５．１，满足设计要求。研制的碳纤维通用闭式卡在质量上较现有卡具减轻约５７％，实现了工具轻质化，能有效降低劳动强度，提高作业效率。
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