以ADAMS为平台的张力架线动态仿真分析

肖 琦，赵海玲，卢 帅，闫 宾

(1.东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林 132012；2.山东泰开互感器有限公司，山东 泰安 271000；3.国网新源控股有限公司技术中心，北京 100000)

以ADAMS为平台的张力架线动态仿真分析

肖 琦1，赵海玲1，卢 帅2，闫 宾3

(1.东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林 132012；2.山东泰开互感器有限公司，山东 泰安 271000；3.国网新源控股有限公司技术中心，北京 100000)

张力架线施工作为输电线路施工的重要环节，必须保证其安全高效的完成作业，但其作业面积大无法进行全程实验。利用ADAMS虚拟样机技术，对张力架线系统进行仿真模拟，采用Bushing轴套力连接方法和宏命令语言完成导线、牵引绳的建模。通过将模型简化为一牵二的架线形式并利用脚本仿真控制接触力的数目来实现速度的优化，提取导线、牵引绳的轴向速度和动态张力，得到导线啮入、啮出滑轮的接触力曲线，便于直观分析导线与滑车接触力的变化。最后将仿真理论值与实际施工中采用的实验值进行比较分析，验证了模型的正确性。在此基础上分析导线、牵引绳的动态张力，为工程实际提供理论依据。

输电线路；张力架线系统；ADAMS虚拟样机；导线；牵引绳；动态张力

随着电网建设、特高压架空输电线路建设技术的成熟，建设特高压电网与各级电网协调发展的智能电网变得刻不容缓[1]。架线工序是输变电线路能够顺利运行的重要一步，目前特高压建设多采用多分裂大截面导线，影响该导线安全展放的因素众多，由于不能进行具体的真型实验，只能依靠人工计算得出基本数据，且在施工过程中多以经验为主。大截面导线比一般导线的线密度大，放紧线张力大。在牵引设备开启加速和减速的过程中，牵引绳和导线的动态轴向力有很大的改变，对整个架线体系产生不小的冲击，影响整个架线过程的稳定。由于不能准确确定架线过程中各点的张力大小，可能会造成施工中的资源浪费或对潜在危险的判断不足。目前，国内研究输电线路张力架设的仿真系统，主要是参数计算、对DWG图形文件的处理，侧重于将2D转换为3D[2]。国外在研究架线动态仿真系统时，由于机械化水平和施工方式的差别，只能作为参考经验[3]。对于张力架线系统中牵引绳、导线的动态特性以及牵引板通过滑车时造成的冲击，目前研究甚少。所以，对架线工序进行动力学仿真模拟，可以弥补研究现状的不足，全面掌握导线和牵引绳的动态特性，研究现实工程中导线、牵引绳动态轴向力的变化情况和动载系数，对于更精准的调整牵引力，实现牵引机工作的自动化有重要意义。

1 张力架线系统仿真模型构建

1.1 放线滑车和牵引板的建模

张力架线由牵引设备提供牵引力和制动张力，导线通过悬挂于杆塔上的滑轮依次展放到整个线路上。在展放过程中导线会多次通过放线滑车，架线完成后导线会在滑车上停留，进行紧线工序。导线可能会在风力等作用下在滑车中移动。导线在通过滑车时会被弯曲、拉伸，产生层间、股间的相互摩擦。牵引板是牵引钢丝绳和导线间的连接板，可实现多根导线同时展放。ADAMS软件提供了与Pro/E无缝连接接口Mech/Pro，利用Pro/E强大的建模和装配功能[4]，在Pro/E中建立三轮放线滑车型，如图1所示；牵引板模型，如图2所示。

图1 Pro/E中三轮放线滑车模型

图2 Pro/E中一牵二牵引板模型

1.2 导线和牵引绳的建模

图3 两圆柱微段之间受力模型

ADAMS中绳索类的建模对整个仿真的影响至关重要，应根据所要建模型的特点选择合适的建模方法。文献[5]所描述的用齿轮齿条副近似代替钢丝绳的方法，虽可获得比较不错的仿真速度，但不能完成钢丝绳的缠绕要求。文献[6]中提及的ADAMS/Cable模块可轻松设置模型参数和建模类型，方便快速地建立滑轮组系统的钢丝绳模型，但是针对本模型而言，ADAMS/Cable模块却不能实现绳索脱离滑轮。相比而言，目前最为适合本模型的建模方法为Bushing轴套力[7，8]连接模型，即将导线和牵引绳离散为若干段小圆柱体，再用Bushing连接并分别与牵引板连接，进行装配。最后分别添加导线、牵引绳和张力轮、放线滑车、牵引轮的接触，以及牵引板和放线滑车的碰触。轴套力连接考虑了导线和牵引绳的拉伸、剪切、扭转等特性。

ADAMS/View提供的Bushing连接，可对柔性连接的刚性系数、阻尼系数等进行定义，通过确定3个力分量{Fx、Fy、Fz}和3个力矩分量{Tx、Ty、Tz}，在两个构件之间施加一个柔性力[9，10]。采用Bushing轴套力连接方式连接两圆柱微段的受力模型如图3所示。

(1)

添加轴套力时，在两个相互作用的小圆柱体微段的力作用处分别建立i，j两个标记点。式中，Ri、θi分别为第一小圆柱段上的I-Marker坐标系相对于第二小圆柱段上的J-Marker坐标系的相对位移和相对角位移；vi、wi分别为I-Marker相对J-Marker坐标系的相对速度和相对角速度；Fi0、Ti0、K、C分别为初始力、力矩、刚性和阻尼系数。

轴套力的反作用力公式如下：

Fi=-Fj，

(2)

Ti=-Tj-δFi.

(3)

由上述公式可知，作用于两个小圆柱体微段之间的柔性力与微段间的相对位移、相对角位移、相对速度和相对角速度有关，要使导线和牵引绳的形变、振动等特性以及动力学特征符合实际工程，就需确定Bushing轴套力的相关参数(K、C等)。拉伸、剪切、扭转及弯曲的刚度系数计算公式如下：

(4)

式中：导线和牵引绳弹性模量E分别取55.0 GPa、181.4 GPa；导线和牵引绳的剪切模量G分别取21.5 GPa、69.8 GPa。导线和牵引绳的截面积A分别为6.7373×10-4m2、7.84×10-4m2。导线和牵引绳小圆柱微段的长度L分别取1 m。I和d分别为导线和牵引绳的惯性矩和直径。

本模型为一牵二张力架线模型，其中导线共两根，分别长320 m；牵引绳一根长282 m。牵引绳和导线分别由直径不同长度为1 m的小圆柱体微段构成，共922段，919个轴套力。拉伸阻尼因子因其对整个体系的运动性能影响较小，故不做修改。扭转阻尼因子对运动影响较大，根据工程的实际情况从1-10之间选取[11-12]。模型中part太多，故采用ADAMS/View命令语言完成导线和牵引绳的建模。张力架线系统模型见图4。

图4 张力架线模型图

2 张力架线系统仿真模型的验证

2.1 牵、导线轴向张力理论计算算例

图5 任意地形张力放线示意图

本文以淮上线某标段H080-H081号塔为算例，进行牵引绳、导线的轴向张力计算。#1塔为直线跨越塔，#2塔为耐张塔，实际工程采用2×一牵四方式放线，在模拟中考虑到计算机的计算能力采用一牵二的架线方式进行模拟。#1塔左边布置为张力场，#2塔右边布置为牵引场。牵引速度为1 m/s。在任意张力放线示意图5中，计算牵、导线的轴向张力时采用悬链线的方法得出牵引绳轴向张力、牵引机牵引轮与张力机制张力之间的关系式。

#i号杆塔滑轮左侧牵引钢绳轴向张力：

(5)

#i号杆塔滑轮右侧牵引钢绳轴向张力：

(6)

#i号杆塔滑轮左侧导线总轴向张力：

Tii=mεi-1+mw(εi-1h1/cosφ1±εi-2h2/cosφ2±…hi/cosφi) .

(7)

#i号杆塔滑轮右侧导线总轴向张力：

(8)

式中：TT为张力侧每根导线的轴向张力；m为导线根数；w为每根子导线单位长度自重；w0为牵引钢绳单位长度自重；ε、ε0分别为滑轮对导线和牵引绳的阻力系数，各取1.015；φi为#i号档两悬挂点高差角；hi为#i号档悬挂点高差，牵引侧悬挂点高于张力侧悬挂点时，其前的“±”号只取“+”号；反之取“-”号。

图6 维持一定高度导线的水平张力

在架线过程中，会经常遇到放线档距中的某位置需跨越障碍物，确保所架线路与已建线路或其他障碍物保持安全距离[13],如图6所示。维持距悬挂点B水平距离为n处的导线对地高度满足要求时所需的水平放线张力H的公式如下：

(9)

式中，H为所需的导线水平放线张力；ω为导线单位长度自重力；l为线档的档距；h为档距两侧挂点高差；N为牵引侧挂点与地面的距离；n右侧(牵引侧)挂点与某障碍物的水平距离；y为导线与障碍物的净空垂直距离。#i号档导线的水平张力Hi与张力机的对应制张力TTi的近似关系公式如下：

(10)

(11)

式中，l1，l2，l3为1，2，3…号档的档距；φ1，φ2，…，φi为1，2，…i号档的悬挂点高差角；F为#i号档导线牵引侧平视弧垂。

表1 牵引绳、导线轴向张力、牵引机牵引力、张力机张力表格(KN)

表2 布线计算表格

模拟仿真结束后，提取牵引绳和导线任意一小圆柱微段，验证其轴向速度是否和实际吻合,如图7、8所示。导线在通过#1、#2杆塔时，需满足对跨越物的安全高度。经计算，模型中导线需要满足跨中60 m处对跨越线路的安全高度至少20 m。最后，验证导线、牵引绳的轴向张力是否符合工程实际要求。

图7 牵引绳轴向牵引速度

图8 导线展放速度

本文分别提取了导线始端Part320和张力侧出口处Part216、Part916的y轴方向中心Marker点的坐标，如图9、图10。

图9 导线part320

图10 导线part216、part916

在ADAMS/Postprocessor中提取小圆柱微段的Bushing轴套力。牵引绳分别提取了Bushing479、509、614、631；导线分别提取了Bushing149、189、216、1013、1019。牵引绳的轴向张力如图11，导线的轴向张力图如12。

图11 牵引绳轴向张力

图12 导线轴向张力

2.2 张力架线模型轴向张力理论分析

根据牵引绳和导线的轴向速度可知与实际施工的牵引速度吻合，牵引绳和导线的轴向速度满足要求，且在刚开始牵引的瞬间，轴向波动较大，随着时间的增加，牵引速度变得稳定，维持在1 m/s的速度。在牵引板经过#1、#2杆塔的放线滑车时，由于牵引板和滑车的碰撞，速度会发生波动。因此，在初始牵引时要缓慢提升牵引速度，在牵引板接近放线滑车时适当减小牵引速度，以使牵引板平稳过渡，顺利完成导线展放。经计算，Part320、Part216和Part916分别经过83.3 s和164.2 s到达被跨线路处。提取微段位移曲线上对应时间点的高度值分别为34.8 m、35.2 m，满足展放导线对地高度要求。

表3 各位置张力计算值与仿真值比较

由上述牵引绳和导线各点随时间变化的轴向张力图，可读取某时刻的轴力值。将实际施工中的计算值与动力学仿真的结果中相应位置处的数值进行分析比较。实验计算值与仿真值的比较如表3所示。由表3可知计算值与仿真值的误差控制在5%左右。

由上述牵引绳和导线的Bushing轴套力图，可得到导线、牵引绳在放线过程中的动态张力变化趋势，得到最大轴力的时间点，如牵引绳Bushing 509在30.2 s轴向张力达到43.08 kN，从而找出波动的规律。通过对架线仿真系统的全面观察，提取导线、牵引绳的张力值可发现牵引绳和导线在接近滑轮两侧时张力值增大发生波动。因此在实际工程中应在张力最大值处多加观察，杜绝意外的发生。其次，在初始牵引阶段，轴力会有较大的波动，主要因为导线由静态通过施加牵引力产生牵引加速度，运动形式出现了变化。由于该工程中导线为大截面导线，自重大，且架线档距较大，所需要的牵引力和制动张力相应增大，在仿真起始阶段的0 s-10 s内，动态张力波动较大，又因为距离#1塔较近，约20 s左右到达放线滑车，所以在通过#1塔之前波动一直持续，牵引绳瞬时最大动态张力可达到51.25 kN，导线瞬时最大动态张力可达25 kN。初始阶段稳定性较差，会影响整个架设系统的稳定性，故在开始放线时，应该控制好牵引速度，逐步增大牵引力，使瞬态张力降至最小。

综上所述，一牵二的张力架线系统模型经验证正确可行，可以得出导线和牵引绳在牵引过程中的动态张力变化，弥补了传统理论公式只针对杆塔两侧位置成立的缺点，采用动态仿真形式，可以观察架线全程的变化，得出导线、牵引绳的速度、加速度、轴向张力以及对地安全高度等。而且，张力架线仿真形象生动，以动画、图表、数据等多种形式呈现出来，有利于更加直观的为工程实际服务。

3 结 论

通过对ADAMS二次开发的研究，选择了最适合本模型导线、牵引绳的建模方法Bushing轴套力连接，为一牵二架线形式的顺利完成提供了保障，获得了导线、牵引绳动张力随时间的变化及其他特性，且模型的可靠性和有效性通过与实际施工中的计算数据得以验证。主要结论有以下两点：

(1)利用ADAMS二次开发功能，通过编制Macro命令语言，完成导线、牵引绳的快速建模。通过简化模型、控制接触力数量、编制ADAMS/Slover仿真脚本，大大提高了仿真速度。

(2)一牵二张力架线系统模型，可全面观察整的放线过程，体现了导线、牵引绳的动态特性，还可精准得出各个时间段的张力值大小和位置，方便更好的指导工程实际。

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The Dynamic Analysis of tension stringing in Transmission Based on ADAMS

XIAO Qi1，ZHAO Hai-ling1，LU Shuai2，YAN Bin3

(1.Architecture Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.Shandong Taikai tansformers limited company，Taian Shandong 271000；3.Technology Center State Grid XINYUAN Company LED.，Beijing 100000)

Tension stringing is taking an important part in transmission project.It must to be ensured its safety and efficiency.But due to the large operating area，it is difficult to make the whole experiment.In this paper，taking the advantage of ADAMS，completed the model of the tension stringing construction and used the way of Bushing to complete the model.And accelerate the time by using ADAMS software secondary development function and the simplified model.Finally，extracted the bushing force of the conductor and the overhead conductor tension and obtained the contact force curve，which is easy to intuitive analysis the contact force changes of the wire and the pulley.Finally，compare the hand calculated results with the results in the constriction，which verified the correctness of the model.Based on the above results，analyzed the dynamic tension of the wire and summarized the tension stringing process.Give the reasonable advice and practical reference for the project.

Transmission；Tension stringing system；ADAMS virtual prototyping；Overhead conductor；Traction rope；Dynamic tension

2016-04-12

肖 琦(1962-)，女，吉林省吉林市人，东北电力大学建筑工程学院教授，硕士，主要研究方向：输电线路防灾减灾、输电线路及杆塔结构设计理论及设计方法.

1005-2992(2016)06-0077-07

TP29

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