1. 引言

绝缘紧线器(又称棘轮紧线器)作为维护输电线路安全运行和防止线路故障起到了关键作用[1]。用于在架空线路敷设施工中作为拉紧导线，传统手动棘轮紧线器作为不停电作业中的主要选择，在使用过程中主要依靠人工完成对线路紧绷度的控制，对工作人员体力要求极高的同时，紧线装器的控制过程较为繁琐，易导致操作错误，甚至可能产生安全隐患[2]。

目前，现有不停电作业工具的机械试验周期为绝缘工具每年一次、金属工具两年一次。作业人员仅通过视觉观察难以及时地明确导线受力过载的临界状态[3]。近年来研究团队陆续提出了基于拉力传感器的受力监测解决方案[4]，如葛雄[5]等结合电阻应变式测力传感器、A/D转换器等元件，实现实时监测承力工具的负荷，解决了国网输电线路中承力工具无法及时反映实际承力的问题；刘源等[6]通过改进卸扣和应变片布局，实现了输电线路铁塔组立施工中的高精度受力检测；刘祥和[7]设计了一种基于光纤光栅的输电导线拉力传感器，实现对输电线路的健康监测。但传感器安装较复杂，且对环境变化敏感，限制了大规模应用。从整体来看在输电线路中通过安装传感器来帮助作业人员协同工作，减少工作安全风险。因此有必要对紧线器进行载荷实时监测，本文在传统紧线器的基础之上设计新的承力部件安装拉力传感器进行紧线器的载荷监测，为作业人员提供安全预警、提高检修效率开展研究。

2. 棘轮紧线器的结构

Figure 1. Structure of ratchet wire tightener

图1. 棘轮紧线器的结构图

目前棘轮紧线器由多部件构成，各自承担不同的功能，共同实现电线的拉紧和松弛[8]。其基本构成结构如图1所示，在紧线器的使用过程中，首先将钢丝绳或镀锌铁线松开，并固定在横担上。利用夹线钳夹住输电导线后，借助专用扳手操作，通过棘爪的防倒转功能，逐步利用钢丝绳、锌铁线缠绕在棘轮滚筒上，最终实现导线的收紧。把收紧的导线固定在绝缘子上[9]。然后先松开棘爪，使钢丝绳松开，再松开夹线钳，最后把钢丝绳绕在棘轮的滚筒上。实际作业过程中，可以通过对起升定位挡片位置的调整来精准控制电线的紧绷度。紧线器作为牵引装置，其承重环和起重齿轮均可以360˚旋转，以适应户外作业的复杂工作环境[10]。

3. 棘棘轮绝缘紧线器的设计与分析

3.1. 棘轮绝缘紧线器的连接结构设计

本设计意在发明一种新型的具有自动测量拉力功能的滑轮紧线器工装。经分析，由于滑轮是省力结构，所以受力最大的部位为吊钩、承重环和链接板。其结构如图2所示。

Figure 2. Diagram of load-bearing connecting parts

图2. 承力连接部件图

选用具有测量拉力功能的滑轮紧线器工装的最大承力为3吨。为确保拉压力传感器能够有效地安装于滑轮紧线器工装中，需对连接部件进行相应的改造。首先，依据传感器的安装要求，优化连接部件的几何形状，以确保其与紧线器的接口能够形成稳固且精准的配合。在Ansys SpaceClaim中建立仿真模型对链接处工件改造如图3所示。

Figure 3. High fidelity model

图3. 高保真模型

3.2. 力学分析与校核

计算许用应力的公式：

$\begin{array}{c}\left[\sigma \right]=\frac{{\sigma }_y}{n}\end{array}$ (1)

其中 $\left[\sigma \right]$ 为许用应力； ${\sigma }_y$ 为屈服极限或条件屈服极限； $n$ 为安全系数。安全系数 $n$ 根据材料的类型和使用条件不同而取不同的值，对于铸钢件，安全系数 $n$ 取值范围为1.8~2.5。在本次设计中，最终选择安全系数为2。确保了在设计应力范围内，连接件具有足够的安全裕度。对于脆性材料，破断力 $Q$ 可以表示为：

$\begin{array}{c}Q=\left[\sigma \right]\cdot n_{\text{c}}\end{array}$ (2)

国标GB/T18037-2008规定当构件承受动荷重或冲击荷重时， $n_c$ 取值还应再增大1.5倍~2.0倍[11]。因此破断力 $Q=3\text{0,000 N}\times 4.0=\text{120,000 N}$ 。GB/T18037-2008中要求对孔装零件的吊钩的典型截面处的强度条件进行校核，要求对螺栓连接承拉板件的强度进行验算。设计中包括拉应力和剪应力。

将简化后的三维模型导入Ansys Workbench软件中进行网格划分，采用几何结构网格，如图4所示，初始尺度种子选择为装配体，过度速度降为缓慢，整体几何尺寸设置为1 mm，为确保仿真的精度，并在关键受力位置和螺栓孔处进行加密处理加密尺度为0.5 mm，最后共计44万网格，110万节点数。

Figure 4. Load-Bearing workpiece meshing

图4. 承力工件网格划分

3.3. 仿真分析结果

在链接板的螺栓处采用固定支撑，并在吊钩前缘设定为120000 N的拉力，并将结构在X, Z方向处的自由度设置为0, Y方向为自由。在连接关系上，吊钩，承重构件，链接板与螺栓的接触关系为摩擦，摩擦系数设定为0.2，求解公式选择广义拉格朗日，此外，两个连接件与之间螺栓的接触关系为绑定，求解公式选择为MPC。在ANSYS Workbench软件中，对棘轮紧线器承力结构的有限元仿真分析进行求解，得到整体及部件的等效应力云图，图5和图6分别展示了在工况12 t的极限拉力下，链接部件的应力云图和位移云图。

(a) 承力链接部件

(b) 吊钩

(c) 链接板

Figure 5. Simulated stress clouds

图5. 仿真应力云图

Figure 6. Plot of morphological variables (Math.)

图6. 形变量分布图

从图中可以看到，选取连接部件的典型受力面，其应力集中分布在开孔圆角位置处，测得应力大小均小于所选材料40 Cr工具钢的屈服应力(785 MPa)，结构承力连接部件的强度符合国标要求及强度设计要求。根据工况下的仿真结果分析，在施加12 t荷载的作用力下，改装后的链接部件中，吊钩的最大变形量为1.79 mmz，链接板和承力板件的最大变形量均小于1 mm，符合设计要求。紧线器承力结构总变形结果如图6所示，从图中可以看出，紧线器最大变形处为吊钩，变形从吊钩位置到链接板呈现从大到小的趋势。

棘轮紧线器承力结构的整体弹性及承力构件的应变模拟结果如图7和图8所示，可以看出，承力结构的模型弹性应变在绝对部分区域都比较小，其中最大弹性应变集中于吊钩与承重板的连接处为0.090361 × 10⁻⁴ Pa，最小弹性应变集中于承力板的两端开孔处为4.6586 × 10⁻⁶ Pa。

从对最大等效弹性应变分析可看出，紧线器受力过程中，最容易产生弹性应变的部分就是吊钩以及与承力部件的开孔连接部分。综合分析图6与图7可知，承力结构等效弹性应变的分布位置与等效应力集中的位置基本一致，这表明应力集中的区域会导致相应位置产生较大的弹性变。

Figure 7. Equivalent elastic strain diagram

图7. 等效弹性应变图

Figure 8. Equivalent elastic strain diagrams for load-bearing members

图8. 承力构件等效弹性应变图

4. 连接件外形材料的设计与安装

4.1. 外形材料的设计

为方便对S型传感器进行安装，在承力构件和链接板设有螺栓连接孔，选用六角头螺栓(GB/T5782-2016)、六角螺母(GB/T6175-2016)与平垫圈(GB/T95-2002)等连接件进行连接。同时为了保证传感器与两个连接件顺利连接同时不产生摇动，工件采用40 mm厚度的40 Cr工具钢进行线切割加工，在机械加工后进行热处理和表面处理。热处理淬火温度840~870℃，回火温度100℃，40 Cr工具钢的屈服应力为785 MPa。

考虑在架空线路敷设施工中受其恶劣环境的影响，需增强工具的耐磨性，以及为减少不停电作业工器具的定期维护和更换对工器具的抗氧化和腐蚀需求，处理工艺为热镀锌。依据GB/T18037-2008《带电作业工具基本技术要求与设计导则》对金属工具表面处理的要求，本工件表面处理工艺为热镀锌。

4.2. 传感器的安装

拉力传感器基于电阻应变原理，通过将施加的拉力转化为应变片的形变，形变引起的电阻变化由惠斯通电桥转化为电压输出信号[12]。传感器选择由中皖金诺生产的S型拉压力传感器，机器型号为JLBS-1，量程为0~5 t，精度为0.05%。传感器的两端开孔为M24螺纹孔，传感器外形和安装如图9所示。传感器在作业人员实际使用过程中安装方便，在手持棘轮手柄的工作过程中即可了解紧线器受力情况。

Figure 9. Tension Sensor Installation Diagram

图9. 拉力传感器安装示意图

5. 结论

本文针对电力线路维护中传动紧线器的安全隐患，设计并研发了一种具备受力监测功能的新型紧线器。通过对紧线器的基本结构和工作原理的阐述，以及利用ANSYS Workbench对其承载结构进行有限元仿真分析。

通过安装具有实时监测能力的S型拉压受力传感器，实现作业人员的载荷可视化，有限元分析结果表明，在施加12吨拉力的工况下，连接部件的最大应力小于40 Cr工具钢的屈服应力，变形量控制在1.79 mm以内，符合安全标准。验证了其在极限工况下的强度和稳定性。选用的40 Cr工具钢经过热处理和热镀锌处理，确保了连接件的耐磨性和抗腐蚀能力，适应恶劣环境。传感器的安装设计便于操作人员实时监测受力状态，从而提高安全性。本研究为电力作业中紧线器的安全使用提供了有效的技术支持。

基金项目

重庆市重庆科技大学研究生科技创新计划(YKJCX2320407)资助项目。

NOTES

^*通讯作者。

参考文献