孙奇慧 ，朱 轲 ，濮峻嵩 ，蔡 钢 ，刘 曦 ，朱 轲 ，邓 涛 ，陈正雄

（1.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都610041；2.四川蜀能电力有限公司高新分公司，四川 成都610041）

0 引言

盘形悬式瓷和玻璃绝缘子作为输电线路的重要材料，使用在世界各地的高压、超高压和特高压输电线路上，为各国输电线路安全运行提供了可靠的保障。李钊、袁田[1]等人研究了不溶物在盘形悬式绝缘子污秽试验中的影响，对型号为CA-872EX、FC12P/146和FC120/146盘形绝缘子进行了人工污秽试验(固体层法）。毕睿华、张涛[2]等人计了一种工作人员站于配电构架上手持清扫盘形悬式绝缘子的气动带电清扫装置。Liu，Yong；Farzaneh[3]等研究了漏电流（LC）的非线性特性，分析和监测了被冰覆盖的悬式绝缘子的交流闪络性能。作为绝缘子使用和检测单位，各科研单位主要还是以传统检测手段为主，依靠人工的方式来进行绝缘子尺寸参数及拔销拉力的测量。但是这种测量方式难免存在一定的人为误差，会出现测量精度低等问题，因此设计了一种悬式绝缘子综合测试装置。为验证这种测试装置的框架及关键零部件是否满足强度及设计测量的精度要求，应用UG对其进行了有限元分析。

1 悬式绝缘子测试装置简介

悬式绝缘子测试装置可应用于绝缘子使用单位的到货验收、第三方机构的权威检测及绝缘子生产厂家的出厂检验中。装置引入了激光测距及力学传感技术，优化整合了检测方法及程序，提高了检测数据的准确性及易读性，缩短了试验时间、提高了检测效率。

悬式绝缘子的测量装置的机械结构主要由测量部分和框架结构这两大部分构成。其中测量部分又由绝缘子上、下固定端、锁紧销拉力测试装置、激光测距装置、电机及减速装置这几部分构成。其整体结构如图1所示。

图1 悬式绝缘子测量装置整体结构示意图

1.1 整体框架

1.1.1 整体框架结构

框架主要由40 mm的矩管焊接而成，方矩管即能增强结构的强度又能减轻框架本身的重量，且价格相对便宜，是构成框架的一种很好的构件。为了便于安装，亦可采用拼接的方式。在安装激光测距装置及安装止推轴承座和直线轴承（带法兰）的位置铺设5 mm的钢板。其整体框架示意图如图2所示。

图2 整体框架示意图

1.1.2 框架受力分析

当测试装置处在工作状态，绝缘子被拉紧时，框架的横梁和底板分别受到拉力F1和F2，拔销被拉出时，侧向梁受到拉力F的作用，同时产生一个对绝缘子的拉力，这三个力就是框架所受到的主要力载荷，通过对测试装置框架进行简化，并分析其受力情况，得到如图2、图3所示的框架受力分析图。

图3 框架受力分图

进行有限元分析时，式中：F是F′一对作用力与反作用力，大小相等方向相反，因侧向电动推杆拉力最大拉力为500 N，故其最大值取为500 N；因竖直方向电动推杆最大拉力为1 000 N，绝缘子最大重力为500 N，故F1和F2最大分别取1 500 N和1 000 N。

注：由于框架上方斜支撑质量占比较小，所以可以将框架近似看出对称结构，重力G与地面对框架的支撑力N，拉力F1和F2在同一条直线上，同时包括F和F′，所有的力交于一点，由此构成平面汇交力系，所以合力矩 M（o）＝ 0。

2 框架及关键零部件有限元分析

2.1 测量的精度要求

如表1所示为绝缘子测量精度要求表，由表可知，绝缘子的尺寸需要测量盘径、结构高度、轴向偏差以及径向偏差。其误差要求均为±0.5 mm。

表1 测量精度要求表

2.2 整体框架仿真

2.2.1 建立模型和划分网格

为了保证本装置的测量精度和验证其机构安全性及合理性，通过对测试台框架进行结构受力分析，首先对框架进行简化，简化后的模型的强度比现有模型低，若简化后的模型满足要求，则本模型亦满足要求。打开UG NX，在新建分类里选择“模型”建立名称为“The framework”的prt文件，进入建模环境，使用相关建模命令建立如图4所示的框架模型图。进入高级仿真模块，选择新建FEM命令，建立名称为The framework_fem1.fem的文件，在材料库里找到U20402（40#钢），并指派给实体。物理属性设置里，材料选择材料“Iron_40”。网格收集器命令，实体属性选择“PSOLID”。选择3D四面体网格，在网格参数一栏，点击自动单元大小，显示20.1，将其修改为20，同时在目标收集器一栏选择solid（1），完成网格划分，如图5所示。

图4 简化后的框架模型图

图5 框架网格图

2.2.2 施加约束和力载荷

约束类型选择“固定约束”，选择模型底边缘面，完成约束创建。载荷类型选择“力”，分别在框架的横梁、底板、侧向梁的相应位置添加力载荷，设置完毕，力载荷图如图6所示。

图6 力载荷图

2.2.3 求解及结果分析

经过求解，可以得到如下所示的结果。如图7所示，框架在承受载荷力的情况下，x方向最大变形量为0.893 mm，因为这是在完成绝缘子尺寸测量后，进行拔销拉力测量时框架的变形量，也就是说进行绝缘子测量时，x向不受力的作用，x向变形量为零，同时拔销拉力在x向产生的变形属于弹性变形范畴，考虑到后期材料及结构的加强，以及可以通过调整测量参数等手段进一步提升测量精度，故x方向的偏差不会对测量结果造成影响，目前的设计符合要求。

图7 X方向应变云图

如图8所示，框架在承受载荷力的情况下，y方向最大变形量为0.0 719 mm，远小于0.5 mm的精度要求，且考虑到后期材料及结构的加强，以及可以通过调整测量参数等手段进一步提升测量精度，故y方向的偏差不会对测量结果造成影响，目前的设计符合要求。

图8 Y方向应变云图

如图9所示，框架在承受载荷力的情况下，z方向最大变形量为0.429 mm，实际测量过程中变形量会小于此值。由于本装置的测量误差来自框架受力变形及激光传感器，激光传感器选择欧姆龙ZX1-LD300A61 2M传感器，其精度为30 μm。变形量和激光传感器总误差之和为0.459 mm，小于0.5 mm的精度要求，考虑到后期会对材料及结构进行加强，并且可以通过调整测量参数等手段进行补偿，故z方向的偏差不会对测量结果造成影响，故现目前的设计符合要求。

图9 Z方向应变云图

2.3 绝缘子上固定端上滑杆有限元仿真

绝缘子上固定端上滑杆将承受拉力，为了防止上滑杆的变形量过大对测试结果的影响，需对上滑杆进行有限元分析。材料选用U20402（40#钢），由于选用了直线轴承和推力滚子轴承，且转速不高，径向形变量对测试结果无影响，所以这里主要考虑其轴向变形情况和受应力的情况。对其进行有限元分析的结果（由于该轴只受拉力的作用，比较简单，不再赘述有限元分析过程）如下所示：

如图10所示，上拉杆在承受载荷力的情况下，z方向最大变形量为1.361e-4mm，变形量很小，不会对测量精度造成影响，故现目前的设计符合要求。

图10 Z方向应变云图

如图11所示，上拉杆在承受载荷力的情况下，最大主应力为4.958 MPa，通过查阅资料可知40#钢最大屈服强度为355 MPa，故现目前的设计符合要求。

图11 最大主应力云图

3 结论

综上所述，通过运用UG NX高级仿真模块，对悬式绝缘子综合测试装置整体框架及关键零部件进行有限元分析，得出其满足强度及测量精度要求，并为后续工程应用提供了参考，也为悬式绝缘子综合测试装置以后的结构优化设计提供了数据依据和思路。