面向输电线路铁塔组立施工承力系统安全检测的力传感器设计.pdf
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1、引用格式:引用格式:刘源,熊鹏文,曾云飞,等.面向输电线路铁塔组立施工承力系统安全检测的力传感器设计J.中国测试,2024,50(3):116-122.LIU Yuan,XIONG Pengwen,ZENG Yunfei,et al.Design of force sensor for safety inspection of bearing system intransmission line tower erection constructionJ.China Measurement&Test,2024,50(3):116-122.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124
2、.2022060006面向输电线路铁塔组立施工承力系统安全检测的力传感器设计刘源1,熊鹏文2,曾云飞2,龚文凯1,郭政1,林志驰1,甘帆1,宋爱国3(1.国网江西省电力有限公司建设分公司,江西南昌330000;2.南昌大学先进制造学院,江西南昌330031;3.东南大学仪器科学与工程学院,江苏南京210096)摘要:现阶段,输电线路铁塔组立工艺在承力系统吊装施工过程中,安全措施主要依赖施工人员的施工经验、人工监测以及视频监控等方式,严重缺乏直观可视的保障手段;在针对施工过程受力检测方案中,缺少适配范围广,安装简便,与现有工艺结合性强的设备。为解决上述问题,在铁塔组立吊装过程中,选择抱杆、钢丝绳
3、和卸扣主要承力部件作为检测对象,检测包括抱杆姿态、钢丝绳张力和姿态、卸扣所受拉力和姿态等数据;与传统串联型力传感器相比,该文在不改变钢丝绳外在结构的情况下,依靠绳索端固定的卸扣实现准确的力感知;针对 D 型卸扣设计可包覆、可拆卸专用的触感单元支架,然后通过受力分析与仿真,得到施力下的力敏感区域,并将应变片贴置于力敏感区域。最后通过仿真与实验,证明该文设计的力传感器能够实现输电线路铁塔组立施工承力检测。关键词:铁塔组立;抱杆;钢丝绳;力传感器中图分类号:TH7;TB9文献标志码:A文章编号:16745124(2024)03011607Design of force sensor for safe
4、ty inspection of bearing system in transmission linetower erection constructionLIUYuan1,XIONGPengwen2,ZENGYunfei2,GONGWenkai1,GUOZheng1,LINZhichi1,GANFan1,SONGAiguo3(1.ConstructionBranchofStateGridJiangxiElectricPowerCo.,Ltd.,Nanchang330000,China;2.SchoolofAdvancedManufacturing,NanchangUniversity,Na
5、nchang330031,China;3.SchoolofInstrumentScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)Abstract:Duringthehoistingconstructionofthebearingsystem,thesafetymeasuresatthisstagemainlyrelyontheconstructionexperience,manualmonitoringandvideomonitoringoftheconstructionpersonnel,which收稿日期:2022-
6、06-01;收到修改稿日期:2022-08-26基金项目:国家自然科学基金资助项目(61663027,61903175);国网江西省电力有限公司重大科技项目(52182420001c)作者简介:刘源(1993-),男,山东东营市人,工程师,硕士,主要从事电力施工工程管理、电力技术研究。通信作者:熊鹏文(1987-),男,江西南昌市人,教授,博导,博士(后),主要从事力触觉传感器研究。第50卷第3期中国测试Vol.50No.32024年3月CHINAMEASUREMENT&TESTMarch,2024isseriouslylackofintuitiveandvisualguaranteemean
7、s;Inthestressdetectionschemefortheconstructionprocess,thereisalackofequipmentwithwideadaptationrange,simpleinstallationandstrongcombinationwiththeexistingprocess.Inordertosolvetheaboveproblems,itisanalyzedthatintheprocessoftowerassemblyandhoisting,thederrick,steelwireropeandshacklearethemainload-bea
8、ringcomponentsandcanbeselectedasthedetectionobjects.Thedetectionincludesthedatasuchastheattitudeofthederrick,thetensionandattitudeofthesteelwirerope,thetensionandattitudeoftheshackle.Comparedwiththetraditionalseriesforcesensor,thispaperreliesontheshacklefixedattheendoftheropetorealizeaccurateforcese
9、nsingwithoutchangingtheexternalstructureoftherope;Inthispaper,aspecialtouchsensitiveunitbracketforD-typeshackleisdesigned,andthentheforcesensitiveareaisobtainedthroughforceanalysisandsimulation,andthestraingaugeisattachedtotheforcesensitivearea.Finally,throughthesimulationandexperiment,itisprovedtha
10、ttheforcesensordesignedinthispapercanrealizethebearingforcedetectionoftransmissionlinetowerassemblyconstruction.Keywords:towerassembly;holdingpole;steelwirerope;forcesensor0 引言随着雅中-江西直流特高压工程的建设,江西电网正式迈入特高压建设时代,电网基建规模逐年扩大,铁塔组立是电网线路建设的重中之重,施工现场安全形势严峻,管控压力巨大。为此,国网公司及江西公司提出了输变电工程“三算四验五禁止”管控要点和基于“e 安全”、“
11、小黄帽”等数字化手段来保障安全。然而,施工现场情况复杂,人员繁多,设备材料种类多且分布广,工程现场的安全性,尤其是“三算四验五禁止”的落实情况仍依赖施工人员的施工经验和人工监测等方式进行保障,对于地锚、拉线、地螺的受力情况仍停留在依靠经验公式计算的情况,严重缺乏直观可视的保障手段1-2。传统的视频监控和机器视觉难以监测到承力状态等内应力的微观变化3,更无法检测临界状态下的具体承力大小4。此外,传统的采用数值监测模式的传感器或者监测算法效果不佳,只采用一种力传感器监测或者数据处理算法比较简单。这种静态监测和单一数据采集难以应对复杂的施工环境和恶劣环境的动态变化,很难起到预测和预防作用。因此针对输
12、电线路建设中铁塔组立承力系统的安全问题5-7,以内悬浮外拉线铁塔组立施工工艺为蓝本,与传统串联型力传感器相比8-9,本文在不改变钢丝绳外在结构的情况下,依靠绳索端固定的卸扣实现准确的力感知;针对 D 形卸扣设计了可包覆、可拆卸专用的触感单元支架,然后通过受力分析与仿真,得到了施力下的力敏感区域,并将应变片贴置于力敏感区域。最后通过仿真与实验,证明本文设计的力传感器能够实现输电线路铁塔组立施工承力检测。1 整体系统架构设计整体系统架构如图 1 所示。其中检测终端包括抱杆姿态传感器、钢丝绳张力传感器和卸扣力传感器,各传感器由 zigbee10终端节点和检测姿态、力传感部分以及电池等组成,各传感器作
13、为获取铁塔受力情况的基础。zigbee 协调器节点与检测终端构成无线网络,具有集中处理检测终端的入网、地址分配、数据采集等功能,可使用跨平台软件为现场工作人员提供快速、有效的安全预警。抱杆姿态传感器钢丝绳张力传感器卸扣力传感器zigbee上位机wifi手机电脑图 1 整体系统架构设计示意图2 力传感器设计卸扣是机械工程中常用的连接器材11-12,是钢丝绳之间、钢丝绳与车体之间、钢丝绳与滑轮之间、刚性牵引架与车体之间的必要连接器材。因其体积小、承载重量大,广泛用于各个领域,而且一般用于关键节点连接。选择卸扣作为检测受力情况的切入点,能够精确地反映整个承力系统节点的受力情况,从而了解系统的工作状态
14、。本文以 50kN 电力专用 D 形卸扣为例,所用卸扣如图 2 所示,设计出 U第50卷第3期刘源,等:面向输电线路铁塔组立施工承力系统安全检测的力传感器设计117形传感器底座和外壳组合套件结构,再配合电阻应变片、单片机、无线通信技术,能够实现远程在线检测卸扣受力情况13。卸扣拉力传感器主要安装在以下位置:四套卸扣拉力传感器用于四根外拉线与抱杆顶部连接节点,两套卸扣拉力传感器用于起吊绳与吊件连接节点。图 2 D 形卸扣图卸扣与传感器底座配合如图 3 所示。传感器底座根据 D 形卸扣与钢丝绳连接时受力部位的形状,设计出贴合于 D 形卸扣结构的 U 形传感器底座,底座分为两部分:底座 1 和底座
15、2,两部分是凹凸配合的,组合式底座结构小巧,易于安装和拆卸,安装在卸扣上不会对现有工作在底座中部开孔,通过测量孔上表面的变形来检测卸扣的受力情况,电阻应变片贴于开孔上表面中心处。本文中以附加配件的形式加载于现有卸扣结构中,便于能够市场化推广、大规模使用。图 3 卸扣与传感器底座配合图传感器底座结构小巧,这就对底座材料和结构强度提出了更高的要求,该结构既要能承受 50kN的压力,又要保证足够的测量精度。底座在考量市面上其他传感器材料后,选择国标 40CR 钢材,其属于中碳调质钢,价格适中,加工容易,经适当的热处理后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性。在温度550570 进行回火,该钢具有最佳的综合力
16、学性能。传感器底座中部开孔,以此作为弹性体,开孔的形状、大小、位置都对测量结果至关重要,为了更全面了解加载 50kN 力时底座的受力情况,以及为实物制作提供更好的指导,使用有限元分析软件ANSYSWorkbench16.0 对底座进行受力分析,具体作用:1)验证结构强度,是否存在明显变形情况;2)测量结构变形、应力和应变量,尤其是开孔上表面的情况。变形量的范围应与电阻应变片相匹配,开孔上表面中心变形形状类似双曲抛物面。电阻应变片选取为 BF350-3EB,敏感栅尺寸为 3mm3.1mm,应变极限为 2%,敏感栅形状接近正方形,更能准确反映变形情况,由此计算:变形量为 32%=0.06mm,因此
17、判断结构是否合理的依据有:1)总体应变应力合理,无明显变形;2)检测面有效区域变形量范围大且小于 0.06mm。3 有限元分析与仿真使用 ANSYS 软件14做静力学分析,选择staticstructural 模块,需要知道材料的杨氏模量和泊松比,取 40CR 的杨氏模量为 2.111011Pa,泊松比为 0.277,在前期做受力分析时,将底座作为一个整体进行分析,对整体模型简化如图 4、图 5 所示。J:YAR=32 145ForceTime:1 s2021/4/23 8:34Forces 50 020 N02550kN37.512.5应变片粘贴处Components:0-50 000.0
18、N图 4 50 kN 力加载示意图查阅得知,50kN 力需使用直径 1622mm 的钢丝绳,为尽可能模拟真实受力情况,受力部分(图 4 红色面)取宽度为 20mm。贴合卸扣原有的结构,选取固定面(图 5 蓝色面)。关于孔形的确定,本文试验了 3 种方案,分别是矩形孔、半圆孔和桥形孔,如图 6所示。加载 50kN 力,观测上表面的等效弹性应变和总变形量,使用软件探测器测量中心位置,其中编118中国测试2024年3月号 Y 为开孔位置高度,AB、AR 和 AR 分别矩形孔、半圆孔和桥形孔开孔宽度与高度控制参数,实验结果是如图 7图 9 所示。D:XYAB=0 38 20 5Equivalent e
19、lastic strain 2Type:Equivalent elastic strainUnit:mm/mmTime:12021/3/31 21:04D:XYAB=0 38 20 5Total deformation 2Type:Total deformationUnit:mmTime:12021/3/31 21:090.004 277 1 Max0.003 8290.003 380 90.002 932 90.002 484 80.002 036 80.001 588 70.001 140 60.000 692 560.000 244 5 Min0.066 351 Max0.060 755
20、0.055 1590.049 5630.043 9660.038 3700.032 7740.027 1780.021 5810.015 985 Min1.761 7e0034.460 5e002图 7 矩形孔 YAB=38 20 5 受力情况由表 1 可知,在开孔上表面面积一致和同等位置的情况下,桥形孔开孔上表面应变和变形最大,且中心位置与四周应变和变形分布情况合适,综合评价:优先级桥型孔半圆孔矩形孔。在确定孔形后,要确定孔的位置和大小,在位置的设计上,主要考虑上表面与底座鞍部低的厚度,厚度越小,其应变与变形越大。孔的大小也是如此,孔的宽度越大,其应变与变形越大,同时要兼顾加表 1 3 种孔
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