联结金具的设计计算

时间：2023-10-26 百科知识版权反馈

【摘要】：根据金具安全系数2．5的规定，许用应力为破坏应力的40%，因屈服应力约为破坏应力的60%，故若按试验判断时，屈服变形时的荷载对于许用荷载则取1．5的安全系数。因联板受力时可能具有“折叠”的倾向，推荐以下计算方法。但对于三串绝缘子，则有若干设计方案，如设计成为空间式星型三联板。与对称式三联板比较是结构简单，且在断一串时具有自动调整荷载，并使其受力均匀化的性能。

第二节　联结金具的设计计算

一、基本连接件的设计计算

金具的连接通常要采用销钉、眼孔和螺栓连接，为此有必要对这三类基本连接件的设计计算方法作简单介绍。

1．销钉的强度计算

销钉的连接是一种松连接方式。在销钉与孔、双板与单板之间总有一些间隙，因此销钉主要承受弯矩（与销钉受剪切相比，弯矩居主导地位），故必须计算其抗弯强度（计算简图，如图4-51所示）。销钉的剪应力

图4-51　销钉受力示意图

在外荷载P力的作用下，并假定荷载通过孔板而传到销钉上沿零件的宽度均匀分布，则销钉上所产生的弯矩为

根据材料力学计算原理，则销钉上大弯曲应力为：

强度条件为：

许用应力取值为：

由于销钉受力情况一般比板件严重，故所选用销钉材料的强度应高于板件（例如板件用Q235，Q245）。

金具用带销孔螺栓按DL/T 764．1-2001《六角形带销孔螺栓》制造，闭口销按DL/T 764．2-2001《闭口销》制造。

2．眼孔受力计算

所谓眼孔就是和销钉配合单板，如图4-52所示。因为应力在眼孔截面上的分布受材料屈服延伸的影响而不均匀，破坏力矩加在危险截上（C-C）将是一个梯形，相当于抗拉强度σ_B及屈服强度σ_S的平均值，故眼孔破坏力为：

式中：F为侧截面积，F＝h×t；t为板件的厚度。根据试验结果得出眼孔破坏力P破坏的近似计算公式为

图4-52　眼孔受力计算

图4-53　孔壁的平均半径

对于两个U形环的链形铰接，其受力情况与眼孔相似，也可以按式（4-7）计算确定。

图4-54　螺栓轴向受拉力

3．螺栓受力计算及螺栓直径系列

联结金具中螺栓联接有两种情况，下面分别考虑。

（1）松联接（图4-54），当联接承受工作荷载P时，螺栓受到工作拉力P的作用，根据强度条件有

式中：［σ］松螺栓联接的许用应力（N/mm²）；对于钢制螺栓［σ］＝σ_S/n；d为螺丝内径（mm）。

（2）紧联接（图4-55），紧螺栓联接在拧紧螺母时，螺杆除沿轴向受预紧力P｀的拉伸作用外，还受螺纹旋转力T1的作用，螺纹处于拉应力σ和剪切力τ的复合作用，此时，螺纹部分的强度为：

图4-55　拧紧螺帽产生轴向压力

为了保证预紧力P｀不致过大或达不到预力，应在柠紧螺栓过程中注意控制柠紧力M的大小，其方法采用测力矩板手或定力矩板手。螺母的拧紧力矩M（单位：N．cm）与螺栓所受预紧力的关系为：

K系数，根据不同的经验有不同的数值选取，机械设计手册要求，对于镀锌钢螺栓取K＝0．20～0．22，但实验结果分散性很大。不涂油的情况K≥0．3。涂油的K＝0．18～0．31。若改用铝合金螺栓，并将螺帽漆油，K值分散性最小，一般在为0．14～0．16之间。

二、球头和球设计

球头和碗头的设计，主要考虑的问题是尺寸结构。为了保证安全、适用和互换，国际电工委员会（IEC）的120、372等两个文件，均有详细规定，我国也参照该标准执行。

为了保证配合，IEC还特别制定一个样板，以便应用。其形状如图4-56所示。该规是一个“过”规，即该规放入碗头可以过去而不是被止住。用这个样板套进、能将琬头自由地套进，即碗头的外廓尺寸合格。而对于球头，球头的杆径在不小于规范规定的H3的高度范围内，必须符合碗头、球头直径允许的公差要求。

图4-56　球、碗头配合检查样板

图4-57　U形环

（a）直腔U形环；（b）大肚子U形环

1．U形环设计

U形环按其形状特征可分为直腔U形环和大肚子U形环两种。

（1）直腔U形环强度计算

直腔U形环除销钉可按前述方法计算外，因下端和上端分别有两种眼孔［图4-57（a）］。这时应分别考虑其强度问题。下端眼孔的强度计算则应按前述介绍的公式（4-7）计算，即下端强度求解公式为：

上端眼孔的强度计算则按式（4-7）计算，但上端为双联，故应对每一联以总荷载的一半计算，即上端强度求解公式为：

关于上述两式中的相关符号含义同前。

（2）大肚子U形环强度计算

根据经验公式，最大弯曲矩为

大肚子U形环［图4-58（b）］圈部分的应力原应按弯梁计算，但为了简便起见，仍采用直梁公式，并引入一个校正系数Ψ（取值时按应力最大侧的内侧纤维考虑），其数值如表4-13所示。

表4-13　校正系数Ψ值

弯曲应力为

根据金具安全系数2．5的规定，许用应力为破坏应力的40%，因屈服应力约为破坏应力的60%，故若按试验判断时，屈服变形时的荷载对于许用荷载则取1．5的安全系数。

三、U形螺丝的设计

图4-58　U型螺丝垂直荷载作用

U形螺丝经常被用在悬垂绝缘子串与杆塔相连处。在工作时受三个方向的作用力，即垂直、纵向和横向。

1．垂直荷载作用下的强度计算

U形螺丝受垂直荷载作用，如图4-58所示。

U形螺丝环圈部分应按弯梁计算，其弯曲力矩为M＝1/7Q·L，此时的弯曲力σ_N（由于弯曲部分被拉直不如大肚子U形环严重，未考虑校正系数Ψ）为

式中：W——材料的抗变截面模量，cm³；对圆形截面取W＝π×d³/32≈0．1d³。式（4-15）的计算，系以变形来控制的；许用应力对变形时的强度采用1．5的安全系数。对破坏强度而言安全系数仍为2．5。

2．纵向荷载强度计算

U型螺丝纵向受力情况如图4-58所示。假定受力点取在圆弧开始处，对二腿弯矩按4∶6分配，则有M＝Q×h×0．6，抗变截面模量W≈0．1d³，弯曲应力σ_N＝M/W，在事故情况下取许用［σ］＝2σ_B/3，又因U型螺丝都用圆形钢件制造，故许用纵向荷载近似为

3．受横向交变荷载作用力下的强度计算特点

导线在风荷载作用下产生摆动，U形螺丝受到交变应力作用。这种交变应力作用下的疲劳极限可以用古德曼（Goodman）图形表达。有关这方面的论述，考虑到专业性较强及读者已有机械基础与施工机械的基础，同时也因篇幅有限，这里就不作详细分析，仅介绍相关计算公式。

在水平荷载作用下的应力σ_h，可按下式计算

式中：σ_v表示垂直荷载作用下的应力。一般来说，垂直荷载作用对许用水平荷载的影响并不大（仅使许用的水平荷载减少5%）。因此垂直荷可以忽略不计，也就是说，可取σ_v≈0。

图4-59　二联板受力

四、联板的设计

1．二联板强度的计算

二联板孔眼的受拉、销钉的受剪、受弯曲计算方法，可按本节第一部分孔眼受剪计算。因联板受力时可能具有“折叠”的倾向，推荐以下计算方法。二联板受力如图4-59所示。

为了确定扁平矩形断面自由端的稳定性，根据材料公式，有

关于JK的计算，当h/t＞4时JK＝。

根据经验，两片组成的联板稳定性很高，不必考虑拆叠稳定性。

2．二联板的高宽比设计

图4-60（a），表示两串绝缘子中有一串折断的情况，这时二联板的顶点突然放松Δh的距离，受到很大的冲击，其值越大，冲击也就越大。

图4-60　二联板稳定性图解

（a）断一串绝缘子；（b）偶然外力作用

由式（4-24）分析知，当二联板受到断串冲击力P作用时，角度γ越小越好。

图4-60（b）所示，二联板在偶然外力作用下，其偏转角度为θ时将产生恢复力矩M，即

分析式（4-25）知，也是角度γ越小越好，即2arctg（a/b）。因此，取高宽数值之比b/2a＝S称之为稳定系数。根据国外应用经验，一般推荐取S＝0．2～0．3，而对于双分裂导线用的二联板，取S＝0．3～0．5。

（1）对称型平面三联板

耐张绝缘子串有时需要两串以上。对于四串绝缘子，可由二联板简单组合而成。但对于三串绝缘子，则有若干设计方案，如设计成为空间式星型三联板。

图4-61　不对称型平面三联板

（a）四元件式；（b）五元件式

对于悬垂绝缘子串，也可用星型三联板。但在耐张绝缘子串上，平面三联要优于星型三联板，因为平面三联板能使三串绝缘子均处于相同的运行条件下，其优点是给带电检修代来方便，再者各绝缘子遭受雨水冲刷时，从绝缘子上冲下来的泥层不会像星型三联板那样落到底下的绝缘子串上。平面三联板当中用得最多的是图4-61（a）所示的四元件式，属于对称型。当联板中一串绝缘子拆断时，剩下的两串就要互撞，所以有的就改进为图4-61（b）的五元件式。

对于这类对称型三联板的动态稳定设计问题，国外（波兰、日本等）的研究分析认为，C＝3b时，荷载分布才是平衡的；只有b/a＞时，能对动态扰动保持稳定。