拉线塔主柱刚度测量实验系统及方法与流程

本发明属于输电线路技术领域，具体涉及了一种用于输电线路中拉线塔主柱刚度测量的实验系统及方法。

背景技术：

我国能源与负荷需求呈现极不均衡、逆向分布的态势。因此，发展大容量、跨区域、远距离的特高压输电是必然的要求。拉线塔因其具有结构简单、施工方便、节约线路走廊等诸多优点被广泛应用于西北草原、戈壁等地势平坦、地广人稀的区域。

特高压拉线塔主柱的第一阶振动为扭转振动，扭转刚度对主柱的固有频率有决定性的作用。因此研究拉线塔的主柱刚度具有重要的价值。拉线塔的主柱刚度按特性可分为弯曲刚度以及扭转刚度，目前对主柱刚度的研究主要是通过理论分析和有限元模拟模拟，而对分析方法的正确性并未进行实验验证，缺少实验数据的支撑，无法对分析方法的精确性给予定量的评估。

目前，一些关于弯曲刚度以及扭转刚度的测量装置，比如专利号为CN 103499497中公开了一种架空线弯曲刚度测量装置，该装置利用架空线测试台上的可调位置的测力机构，实现对架空线的弯曲刚度测量。由于架空线为柔性体，因此不能用于具有较大刚度的拉线塔上使用。专利号为CN103776629中公开一种组合齿轮扭转刚度测量仪，该装置通过扭转装置使固定于平板上的组合齿轮的上齿轮和下齿轮发生偏转，并通过角度测量装置读取扭转角度，通过读取转角以及扭转组合齿轮时的扭矩即可计算出组合齿轮的扭转刚度。这种扭转方式的加载不适用于钢结构形式的拉线塔，同时由于拉线塔尺寸较大，而且弯矩和扭矩同时作用于拉线塔顶部，利用角度测量装置来读取扭转角度的方式很难实现。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种拉线塔主柱刚度测量实验系统及方法，本系统组成简单，操作简便、读数方便、测试精度高等特点，测量方法读数简单、灵敏度较高、计算过程简便，降低了运算过程的误差累计。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种拉线塔主柱刚度测量实验系统，用于测量拉线塔主柱的弯曲刚度和扭转刚度，其特征在于：包括拉线塔主柱，所述的拉线塔主柱水平放置，其拉线塔主柱根部的固定板固定于竖直放置的支撑架上，支撑架保持固定不动，在拉线塔主柱顶部一侧焊接扭矩加载支架；还包括激光发射器和塔尺，激光发射器发射的激光指向塔尺，在塔尺读取拉线塔主柱加载弯曲载荷和扭转载荷前后的变形量。

对上述方案作进一步限定，在测量拉线塔主柱的弯曲刚度时，在拉线塔主柱顶部放置重物，激光发射器设置于拉线塔主柱根部，在拉线塔主柱顶部的下表面设置有圆环，其中圆环与激光发射器处于拉线塔主柱横截面的同一位置，并且圆环内径与激光发射器的激光束直径匹配，塔尺置于拉线塔主柱顶部正前方，激光发射器的激光束经圆环指向塔尺的刻度。

对上述方案作进一步限定，所述的激光发射器固定于三脚架上。

对上述方案作进一步限定，在测量拉线塔主柱的扭转刚度时，在扭矩加载支架上悬挂重物，两个激光发射器固定于拉线塔主柱顶部的左右两侧，两个塔尺分别置于拉线塔主柱顶部两侧，两个激光发射器发射的激光束分别指向两个塔尺的刻度。

对上述方案作进一步限定，所述的扭矩加载支架包括一个水平杆和一个斜杆，其中水平杆的一端与拉线塔主柱顶部的下表面固定连接，斜杆的一端与拉线塔主柱顶部的上表面连接，并且斜杆的另一端与水平杆的另一端连接，水平杆和斜杆组成稳定三角形结构。

对上述方案作进一步限定，所述拉线塔主柱包括采用边角钢制作的主材和斜材，主材和斜材组成无变坡的桁架，桁架根部利用等边角钢通过加强筋焊接在固定板上，固定板通过螺栓安装于支撑架上。

一种拉线塔主柱刚度测量方法，其特征在于包括弯曲刚度测量方法和扭转刚度测量方法，

弯曲刚度测量方法的具体步骤：

1)首先利用手持式激光测距仪自带的水平仪标定激光发射器水平，将其置于拉线塔主柱根部，并固定于三脚架上，使得激光与拉线塔主柱平行，穿过拉线塔主柱顶部的圆环，并打在设置与拉线塔主柱前方的塔尺上，记录此时塔尺上的读数；

2)将重物固定在拉线塔主柱顶部，调整三脚架的旋钮，使得激光发射器发射的激光再次穿过圆环，并打在塔尺上，记录塔尺上读数，与步骤1中读数对比，可以得到两次的读数之差a；3)使用手持式激光测距仪测量激光发射器根部到圆环的距离b和激光发射器顶端到塔尺的距离c，由相似原理可以得到，拉线塔主柱顶端的位移d＝a×b/c，此时得到的即为拉线塔主柱顶端的弯曲变形量；

4)由梁杆结构的弯曲变形公式可得，拉线塔主柱的弯曲刚度其中F为所施加重物的重量，l为拉线塔主柱未变形前的长度，ω为拉线塔主柱的挠度，ω的具体数值为位移d三次计算值的平均值；

扭转刚度测量方法的具体步骤：

1)首先把两个激光发射器固定在拉线塔主柱顶部的左右两侧，利用手持式激光测距仪自带的水平仪标定激光发射器水平，使得激光水平打到位于拉线塔主柱两侧的塔尺上；

2)将重物通过绳索固定在拉线塔主柱顶部的扭矩加载支架上，待拉线塔主柱稳定后，记录两个塔尺上的读数m和n；

3)使用手持式激光测距仪测量两个塔尺间的水平距离L，则拉线塔主柱的扭转角φ的正切值tanφ＝(m-n)/L，进而求得扭转角φ＝arctan((m-n)/L)；

4)由薄壁杆结构的扭转变形公式得拉线塔主柱的扭转刚度L为未变形拉线塔主柱的长度。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明依据简单直观的投影原理，使用放大法放大难以测量的弯曲、扭转变形量，测量弯曲变形时取塔尺读数差进行相似运算即可得到弯曲变形量；测量扭转变形时，由于拉线塔主柱在发生弯扭变形，可以看作是弯曲变形和扭转变形两种变形的叠加，因此将两塔尺上的读数做差就可以消除弯曲变形的影响，同时取两塔尺读数高度差与塔尺间的水平位移经三角函数运算即可得到扭转角。因此，本测量方法读数简单、灵敏度较高、计算过程简便，降低了运算过程的误差累计、可自主根据实验条件调节放大倍数。这些特点使得可以快速简便的获取拉线塔主柱的弯曲扭转变形量。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是拉线塔结构示意图；

图2是扭矩加载支架的结构示意图；

图3是弯曲刚度测量实验系统结构示意图；

图4是扭转刚度测量实验系统结构示意图；

其中：1、扭矩加载支架，2、拉线塔主柱，3、固定板，4、塔尺，5、支撑架，6、激光发射器，7、圆环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

本发明中的拉线塔主柱刚度测量实验系统包括拉线塔主柱2和由手持式激光测距仪、激光发射器6、三脚架以及塔尺4组成的测量系统。

本发明的拉线塔主柱2结构示意图如图1所示，依据已有特高压拉线塔输电线路工程设计，将拉线塔主柱2简化为无变坡的桁架，桁架结构由扭矩加载支架1、拉线塔主柱2和固定板3组成。该拉线塔主柱1的主材和斜材均采用L25×3的Q235等边角钢，在每根主材塔脚处设计为直径10mm的通孔，主材的其余位置和所有斜材的两端均设计为直径8mm的通孔。桁架模型与固定板3处连接角钢设计四个L30×3的Q235号等边角钢通过加强筋焊接在固定板3上。固定板3通过底部的4个直径为18mm的孔使用螺栓连接水平安装在竖直放置的支撑架5上。拉线塔主柱2通过螺栓连接水平安装在支撑架5上，便于进行加载。

如附图2所示，设置了扭矩加载支架1，具体包括一个水平杆和一个斜杆，其中水平杆的一端与拉线塔主柱2顶部的下表面固定连接，斜杆的一端与拉线塔主柱2顶部的上表面连接，并且斜杆的另一端与水平杆的另一端连接，水平杆和斜杆组成稳定三角形结构。扭矩加载支架1实现在保持原有载荷不变的前提下，放大扭矩，使得扭转变形更易测量。

本发明中的手持式激光测距仪，保证与未变形塔段平行，固定于三脚架上，测量时调整加载前后发射的激光穿过同一点打在塔尺4上，用作激光源并实现测量激光发射处到塔尺4的距离以及弯曲变形的放大量的作用。

如附图3所示，弯曲刚度测量激光模组安装时，使用手持式激光测距仪自带的水平仪进行调节激光发射器6，使得激光发射器6发射的激光与未加载荷的塔段保持平行，使用摄像机三脚架进行固定，同时在水平放置的拉线塔主柱2正前方竖直放置塔尺4，用于测量拉线塔主柱2的弯曲变形。

如附图4所示，扭转刚度测量激光模组安装时类似于弯曲刚度装置的安装，在拉线塔主柱2顶部的左右两侧均水平安装一个激光发生器6，用于抵消因加载扭矩而引起拉线塔主柱2发生的弯曲变形，同时在拉线塔主柱2顶部两侧安放两支塔尺4。

采用本发明的测量实验系统进行弯曲刚度测量的方法包括以下步骤：

1)在拉线塔主柱2顶端角钢外侧固定一个圆环7，其内径比激光稍大，使用手持式激光测距仪自带的水平仪标定激光发射器6水平，将其固定于三脚架上，使得激光穿过圆环7打在塔尺4上，记录此时塔尺4上的读数；

2)使用液压叉车将重物举起，将一定重量的重物通过绳索固定在塔段顶部，然后通过液压叉车的液压系统将载荷缓缓加载到拉线塔主柱2顶部以模拟实际情况下的水平载荷。调整三脚架的旋钮，使得激光发射器6发射的激光再次穿过圆环7打在塔尺上，读出塔尺4上读数与之前的读数对比可以得到两次的读数之差a；

3)使用手持式激光测距仪测量激光发射器6顶端到拉线塔主柱2顶端圆环的距离b和激光发射器顶端到塔尺的距离c，由相似原理可以得到，拉线塔主柱顶端的位移d＝a×b/c。此时得到的即为拉线塔主柱顶端的弯曲变形量；

4)由材料力学中梁杆结构的弯曲变形公式可得，拉线塔主柱的弯曲刚度其中F为所施加重物的重量，l为拉线塔主柱(2)未变形前的长度，ω为拉线塔主柱(2)的挠度，ω的具体数值为位移d三次计算值的平均值。

采用本发明的测量实验系统进行扭转刚度测量的方法包括以下步骤：

1)使用手持式激光测距仪自带的水平仪标定激光发射器6水平，固定在拉线塔主柱2顶部的左右两侧，使得激光水平打到两侧的塔尺4上；

2)使用液压叉车将重物举起，将一定重量的重物通过绳索固定在塔段顶部的扭矩加载支架1上，以达到载荷不变的前提下放大拉线塔主柱2受到的扭矩。调节液压叉车的液压系统将载荷缓缓加载到拉线塔主柱2顶部以模拟实际情况下拉线塔主柱受到的扭矩，待读数稳定后记录塔尺上的读数m、n；

3)使用手持式激光测距仪测量两塔尺4间的水平距离L，则扭转角的正切值tanφ＝(m-n)/L，进而求得扭转角φ＝arctan((m-n)/L)；

4)由材料力学中薄壁杆结构的扭转变形公式得拉线塔主柱的扭转刚度L为未变形拉线塔主柱的长度。

下面给出本发明的具体计算实例。按照实验设计和各种设备的安装情况以及使用的注意事项，缓慢将重物加载在塔段顶部。读出激光在塔尺上的示数，实验结果如下(G＝9.8N/kg)：

(1).拉线塔主柱弯曲变形下数据

弯曲实验中，先测出激光发射点到塔尺的水平距离L1和激光发射点到拉线塔主柱顶端之间的水平距离L2。每一个距离重复测量三次，数据依次为：8.810、8.803、8.802、2.398、2.407、2.413。取平均值后L1＝8.805m，L2＝2.406m。根据L1、L2就可以确定相似三角形的相似比。

弯曲实验中，在单柱拉线塔主柱上不同载荷加载前后的相关测量数据如表1所示：

表1

弯曲实验中，读出了激光在塔尺上的示数并算出了加载前后塔尺上示数差。根据测量原理，利用三角形相似的关系可算出单柱拉线塔主柱顶端的弯曲位移。具体计算公式为：

式中：ω：拉线塔主柱的挠度；

Δs：加载前后塔尺上的示数差；

L₁、L₂：激光发射点分别到塔尺、拉线塔主柱顶端之间的水平距离。

挠度对应的就是拉线塔主柱顶端的位移，取三次计算值的平均值作为拉线塔主柱在该载荷下的挠度。

挠度数据处理结果如表2所示。

表2

弯曲实验中顶端位移即是单柱拉线塔主柱在相应载荷下的挠度。测量结果汇总如下表3所示：表3

(2)拉线塔主柱在扭曲变形下数据

扭转实验中，先测出两个竖直放置的塔尺之间的水平距离L3。重复测量三次，数据依次为：4423mm、4421mm、4416mm。取平均值L3＝4420mm。

弯曲实验中，在单柱拉线塔主柱上不同载荷加载前后的相关测量数据如表4所示：

表4

扭转实验中，激光模组水平发出的激光偏转的角度可以近似为整个拉线塔主柱顶端偏转的角度。测量的数据是两侧的激光在塔尺上示数的差值。实验中，由于激光水平发出，只需测量出两个塔尺之间的水平距离L₃就可以利用三角关系将扭转的角度计算出来。具体计算公式：

式中：扭转角的反正切；

L₃：两个塔尺之间的水平距离；

Δs₁、Δs₂：加载前后两个塔尺上的示数差。

根据实验设计中对测量的设计可知：计算出的角度即是扭转角。取三次计算值的平均值作为单柱拉线塔主柱在该载荷下的扭转角。

扭转实验数据处理如表5、6所示：

表5

表6

三结果对比

针对实验设计进行了挠度和扭转角的简化计算和有限元分析。现将三种方法下的单柱拉线塔主柱的挠度和扭转角做对比。对比结果如表7、8所示。

表7

表8

根据上述两表可以看出简化计算和有限元分析的结果相差不多。实验结果中扭转角和另两种结果相差不多，符合预期。

综上所述，本发明中的测量方法读数简单、灵敏度较高、计算过程简便，降低了运算过程的误差累计、可自主根据实验条件调节放大倍数。这些特点使得可以快速简便的获取拉线塔主柱的弯曲扭转变形量。