型线同心绞架空导线异形单线设计及模具加工研究

段国权， 方健银， 张　静， 廉　辉

（1.特变电工股份有限公司新疆线缆厂，新疆昌吉831100；2.武汉纵缆通模具有限公司，湖北武汉430035）

型线同心绞架空导线异形单线设计及模具加工研究

段国权1， 方健银2， 张静1， 廉辉1

（1.特变电工股份有限公司新疆线缆厂，新疆昌吉831100；2.武汉纵缆通模具有限公司，湖北武汉430035）

探讨了一种异形单线结构尺寸设计的新方法，论证了由T型结构等面积演变成Z型（或S型）结构的可行性，同时介绍了采用3D成型设计技术加工异形单线拉丝模具的方法，旨在简化异形单线结构设计，提高异形单线设计制造的精确度以及生产效率。

型线同心绞架空导线；异形单线；设计；模具加工

0 引 言

型线同心绞架空导线（以下简称型线导线）由加强芯与异形即非圆形单线绞合而成，一般异形单线是T型、Z型（或S型）结构。型线导线的应用，可减少雪、霜和水的积聚，提高导线防冰雪和防冻雨的性能，减小空气动力系数，降低微风振动和舞动对导线的危害，同时能扩大导电截面，增大载流量，减小电损，且降低电晕和无线电干扰水平，因此其优势明显。但是，型线导线的设计生产工艺复杂，T型或Z型（或S型）单线的弧角的圆弧难以确定，一般凭经验处理，实际结果与设计误差较大。T型和Z型（或S型）的弧角的圆弧决定了导线的填充系数（也称紧密度系数），所以圆弧尺寸的确定是型线导线设计的关键参数。异形线的配模设计及模具加工也很复杂，本文将一并探讨。

1 T型单线结构设计

型线导线异形单线采用T型结构，产品示意图见图1。在导线T型结构设计中，知道导线外径、层数及每层T型线截面和加强芯结构组成，假设导线各层填充系数相等，很容易计算出T型上弧半径（R1）、下弧半径及填充系数（t），T型单线尺寸设计的目标是确定上弧、下弧四个角的圆弧半径。这四个圆弧有多种选择，从对称合理、简化计算方面考虑，可以假定T型四个角的圆弧半径均为r，且圆弧分别与T型的上弧、下弧及侧边相切。

1.1作图

（1）取圆心O，分别作半径为R1、R2的圆，经过O作直线与R2圆、R1圆交点分别为X、Y，以XY作为T型的侧边线。OY=R1、OX=R2。

（2）作T型侧边线XY的平行线，平行距离为r。

（3）以O为圆心，以R1-r、R2+r为半径做两个圆，与侧边T型线及其平行线的交点分别为A、B、C、D。

（4）以B点、D点为圆心作半径为r的圆，与T型上弧、下弧、侧边线的交点分别为E、F、G、H。连接BE、DG，不难推出BE⊥EA、DG⊥GC，BE= DG=r。

暂不考虑总重，为了平衡跨中的活载，同前，当预应力度分别取为1和0.5时得到的剪力滞系数沿着跨径方向的变化曲线如图10所示。

（5）连接OB、BF、OH、DH，不难推出OBF、OHD为直线。分别设∠EOF=θ1、∠GOD=θ2。阴影部分1、2、3、4即为T型单线间隙，θ角为T型单线所占圆周角，θ=360/g（g为本层根数）。

图1　梯形单线结构示意图

1.2列式

列式的依据是T型的填充系数公式。因T型线选对称结构，填充系数由上弧、下弧共四个间隙决定。可列式如下：

从图1可知，上弧间隙列式如下：

从图1可知，下弧间隙列式如下：

1.3计算

由式（2）、（3）、（4）可得：

将式（10）、式（11）代入式（1），可得：

由上述列式可知，很难推出一个计算r的直接公式。因r的取值是有限的，可用Excel将不同的r代入上述公式，从而计算出填充系数t值。能满足t值的r值，即可作为r的合理取值。即采用倒推法求取r值。

r值求得后，即可确定T型单线几何尺寸。同理可确定每层T型单线几何尺寸。

2 Z型（或S型）单线结构设计

经反复验证，如果型线采用Z型（或S型）单线结构，可由T型结构演变。演变示意见图2。

图2　Z型单线结构示意图

在图2中，ABCD构成T型截面，∠AOB=θ为T型单线等分角（360/g）。从稳定对称Z型结构考虑，以O点为圆心、R2+（R1-R2）/2为半径作圆弧（中弧），与OA、OB相交于E、G；在∠AOB中作直线，与下弧、中弧相交于Ⅰ、F，∠AOF=β；以O为起点作直线，与下弧、中弧相交于H、J，并使∠GOH=β。不难证明SDEFI=SCGHJ

在图2中，如“T型单线结构设计”中所述，作半径为r弧线后，形成八个面积基本相等的阴影部分，即将T型截面演变成了Z型截面，含阴影部分4和阴影部分5面积在内。

在ABCD构成的T型截面中有四个（1、2、9、10）阴影部分，减小了T型有效面积，填充系数小于1。

在Z型截面的演变中出现了八个阴影部分，其中阴影4增加面积与阴影7减少面积基本相互抵消，阴影5增加面积与阴影6减少面积基本相互抵消。因此，在Z型截面演变中，异形线有效截面没有变化，填充系数也没有变化。

即使阴影部分引起误差，也不影响设计结果，可由填充系数自动调整。

由此可知，Z型（或S型）导线间隙与T型导线间隙几乎一样，仍可由T型结构公式计算Z型（或S型）结构小圆弧半径r。

3 异形线模具设计及加工

3.1产品中异形单线设计

根据T型、Z型（或S型）单线结构设计方法确定各层异形单线圆弧半径r后，采用计算机作图，设计成品中各层异形单线的尺寸图形。Z型（或S型）线设计由T型结构演变而成，转换时，以Z型（或S型）截面中间接近正方形、两侧边呈小正方形为最稳定、最合适结构尺寸。

3.2异形线连续变形拉丝配模

连续变形拉丝配模技术可应用于水箱拉丝机、滑动式高速大拉机、非滑动式大拉机（分电机拉丝机），配模首先确定拉丝机类别及该拉丝机的各鼓轮间的速比参数，通过设备参数核算是否满足异型线材质的拉制，铝合金异形线压缩率不宜超过20％，铝异形线压缩率不宜超过23％。结合拉丝设备参数确定每道次的压缩率，根据压缩率计算拉伸道次及各道次截面。

3.3异形高速拉丝模设计

已知进线杆材尺寸（φ9.5 mm或φ12 mm），按T型或Z型（S型）设计及加工示意图采用计算机建模成型技术，模拟计算并绘制出各道模具定径孔尺寸，并验证各道次截面是否满足配模要求，满足要求后进行每道次异形拉丝模具的3D成型设计。异形高速拉丝模设计要考虑六个功能区（见图3）：入口区、润滑区、压缩区、定径区、安全角、出口区；为保证高速拉制不粘铝不断线，各功能区间平滑过渡要好。异形高速拉丝模3D成型示意图见图4。

图3　异形高速拉丝模功能区示意图

图4　异形线高速拉丝模3D成型设计

3.4模具数控加工

将计算机模拟设计的模具尺寸电子数据信息，传输到数控电火花线切割机进行模具加工，可实现异形单线加工模具设计与制造的无缝连接。T型线设计及模具加工示意图见图5，Z型（S型）线设计及模具加工示意图见图6。

图5　连续变形高速拉制T型线配模示意图

图6　连续变形高速拉制S型线配模示意图

以上方法，可保证异形单线结构尺寸设计合理。在型线导线实际设计和生产中，因加工设备精度及拉丝绞线工序张力值大小等影响，实际生产成品截面比设计值小，解决此问题的有效方式就是导体设计截面时适当放大（放大系数硬铝或铝合金一般取1.03～1.06，软铝型线取1.08～1.12）。

4 结束语

本文通过建立异形单线几何数学模型，采取倒推法求取了T型线弧角的圆弧半径值，利用计算机模拟设计产品异形单线结构尺寸图，再用3D建模成型技术设计异形单线各道次拉丝配模尺寸图，最后用数控电火花线切割机完成了模具加工，并论证了Z型（或S型）线设计由T型结构等面积演变的可行性，简化了异形单线设计过程，提高了异形单线设计及制造的精确度，为异形单线生产利用常规拉

丝机拉制提供了新的思路办法。

采用连续变形拉丝配模及模具设计加工可使异形线拉制速度提高到10 m/s及以上，有效解决行业内异形线拉丝生产效率低下的状况，对各种异形线设计加工具有参考意义。

Design of Abnormity Strands and Research of Die Molding for Formed W ire Concentric-Lay-Stranded Overhead Conductors

DUAN Guo-quan1，FANG Jian-yin2，ZHANG Jing1，LIAN-Hui1
（1.TBEA Xinjiang Cable Company，Changji 831100，China；2.Wuhan Zong Tong mould Co.，Ltd.，Wuhan 430035，China）

This paper explores a new method about abnormity strands structure size design，demonstrates the feasibility that T-type structure transforms into Z-type（or S-type）structure under the same cross sectional area.In addition，in order to simplify the design process of abnormity strands structure and increase accuracy of manufacture and production efficiency of the design and abnormity strands.This study also introduces the method of processing abnormity strands drawing die with 3D molding design technology.

formed wire concentric-lay-stranded overhead conductors；abnormity strands；design；diemolding

TM244.2

A

1672-6901（2015）01-0006-04

2014-08-25

段国权（1969-），男，高级工程师，总工程师.

作者地址：新疆昌吉市延安南路52号［831100］.

［1］ GB/T 20141—2006 型线同心绞架空导线［S］.