Вся РоссияКомпании
здесь будут опции для поиска

Расчет механической прочности сталеалюминиевых проводов


При определении механического напряжения в многопроволочном проводе, состоящем из проволок одного металла, обычно принимают, что растягивающая сила F распределяется равномерно по всей площади поперечного сечения провода s, без учета влияния неодинаковых шагов скрутки отдельных повивов, так как это влияние сказывается в основном в начале растяжения. Среднее напряжение провода

При механическом расчете сталеалюминевого провода учитывают, что в работе его участвуют два разных металла, которые вследствие различия их физико-механических свойств по-разному воспринимают действие внешней растягивающей силы. При выводе формул для механического расчета проводов учитывают механическую связь между всеми смежными повивами проводов, обусловленную силами трения. На концах провода оба металла плотно соединяют в натяжном зажиме путем обжима или опрессования. Механическая связь не допускает продольного перемещения алюминия - относительно стали при изменениях механической нагрузки или температуры.

Для упрощения расчета сталеалюминевых проводов принимают напряжения обоих металлов в пределе пропорциональности (σ = εЕ). По условной схеме сталеалюминевый провод можно представить состоящим из двух сплошных частей: внутренней в виде стального круглого цилиндра и внешней в виде концентрического алюминиевого слоя, образующего полый цилиндр. Суммарная площадь поперечного сечения сталеалюминевого провода равна

Для стандартных сталеалюминевых проводов отношение поперечного сечения алюминиевой части к сечению стального сердечника

Отношение модуля упругости алюминиевой проволоки к модулю упругости стальной проволоки

Отношение температурных коэффициентов линейного расширения алюминия и стали

Растягивающая внешняя статическая сила, приложенная к сталеалюминевому проводу, вызывает его удлинение, которое сопровождается появлением внутренних сил упругости в стальном сердечнике и алюминиевой части провода, возрастающих по мере удлинения провода. Процесс удлинения прекратится тогда, когда сумма внутренних сил будет равна установившейся конечной величине внешней силы. В этот момент наступит статическое равновесие сил в проводе. Сумма внутренних сил, действующих в каждом металле составляет его внутреннее растягивающее усилие, а сумма растягивающих усилий двух металлов составляет полное растягивающее усилие, действующее на провод:

Это суммарное растягивающее усилие - равно по величине внешней растягивающей силе, но направлено противоположно. Благодаря механической связи между стальным сердечником и повивом из алюминиевой проволоки каждое статическое изменение внешней растягивающей силы, вызывающее удлинение стали, вызывает такое же удлинение повива из алюминиевых проволок. Удлинение провода

При этом растягивающее усилие распределяется между двумя металлами в зависимости от отношений их площадей поперечного сечения и модулей упругости. На оснований закона упругости уравнение (6-7) можно записать как

откуда относительное удлинение

Следовательно усилие, прикладываемое к проводу,

Соотношение усилий в стальном сердечнике и повиве из алюминиевых проволок

Распределение растягивающего усилия между стальным сердечником и повивом из. алюминиевых проволок может быть найдено при совместном решении (6-9) и (6-10):

Равенство относительных удлинений можно представить следующим уравнением:

где Е, Е ст и Е а - модули упругости, н/м 2 ; σ - τиктивное напряжение провода.

Следовательно,

Напряжение в стальном сердечнике

в повиве из алюминиевых проволок

Температурный коэффициент линейного расширения алюминия в 1,92 раза больше, чем стали. Поэтому при повышении температуры повив из алюминиевых проволок удлиняется больше, чем сердечник из стальных проволок. Однако такому расхождению в длинах препятствует механическая связь между соседними повивами за счет трения, вследствие чего изменения длин алюминиевых и стальных проволок получаются одинаковыми и равными изменению длины провода в целом:

Силы трения вызывают изменения длин стальной и алюминиевой проволок, что приводит к возникновению в них внутренних усилий. По отношению к проводу в целом силы трения и вызванные ими усилия в стальной и алюминиевой проволоках являются только внутренними и совершенно не связаны с внешней растягивающей силой. Они могут существовать как при наличии, так и при отсутствии внешней силы. Из условий статического равновесия провода в целом при (отсутствии внешних сил следует, что алгебраическая сумма усилий в стальной и алюминиевой проволоках, обусловленных изменениями температуры, равна нулю:

Следовательно, усилия в стальной и алюминиевой проволоках должны быть всегда равны по величине и противоположны по знаку:

Если действующая температура равна температуре, при которой был изготовлен провод, то никаких температурных усилий в нем не возникает. В обычных условиях работы провода температурные усилия в нем значительно меньше усилий, вызываемых внешней растягивающей силой, поэтому они называются добавочными. При повышении температуры сила трения будет увеличивать температурное удлинение стальной проволоки и уменьшать температурное удлинение алюминиевой проволоки. Для стальной проволоки эта сила будет растягивающей, а для алюминиевой - сжимающей. Поэтому стальная проволока сверх температурного удлинения получит дополнительное упругое удлинение. В алюминиевой проволоке одновременно с температурным удлинением будет происходить упругое сокращение. Результирующее удлинение стальной и алюминиевой проволок (сумма температурного и дополнительного упругого удлинений) получается равным температурному удлинению провода в целом:

Результирующие удлинения стальной и алюминиевой проволок равны:

Температурные усилия в стальной и алюминиевой проволоках равны:

Температурные напряжения в стальной я алюминиевой проволоках определяются делением температурных усилий на соответствующие площади сечения:

Так как при повышении температуры добавочное усилие в стальной проволоке является растягивающим, а в алюминиевой - сжимающим, справедливо будет неравенство

При понижении температуры добавочное усилие в стальной проволоке является сжимающим, а в алюминиевой - растягивающим. При равенстве температур (t = t'') добавочные усилия в стальной я алюминиевой проволоках будут отсутствовать. В этом случае в уравнениях для температурных усилий сумму правых частей формул можно будет приравнять нулю, т. е.

Откуда

Температурный коэффициент линейного расширений провода

Следовательно, для стандартных сталеалюминевых проводов добавочное напряжение в стальной проволоке всегда больше, чем в алюминиевых проволоках. При одновременном действии на провод растягивающей внешней силы и температуры усилия алгебраически суммируются:

Так как усилий в стальной и алюминиевой проволоках равна внешней силе:

Напряжения в стальной и алюминиевой проволоках:

Так как изменение температуры вызывает изменение длины провода, то в реальных условиях, когда провод подвешен, изменяется и его напряжение. Добавочные напряжения, изменяя свои знаки, будут уменьшать шли увеличивать напряжения в стальной и алюминиевой проволоках. При понижении температуры добавочные напряжения в стальной проволоке уменьшают основные напряжения, вызванные растягивающей силой, а в алюминиевой проволоке происходит увеличение этих напряжений. При повышении температуры наблюдается обратное явление - увеличение добавочного напряжения в стальной проволоке и уменьшение его в алюминиевой проволоке.

Внешними факторами, вызывающими изменения механических напряжений в линиях передач из неизолированных проводов, являются температура воздуха, ветер и гололедно-изморозевые образования. Неизолированные провода, подвешенные на опорах воздушной линии электропередачи, находятся под постоянным действием равномерно распределенной по длине вертикальной статической нагрузки от собственного веса. Кроме того, на них могут действовать дополнительные нагрузки: вертикальная от гололеда и горизонтальная от ветра. Единичная нагрузка многопроволочного провода от собственного веса провода

Единичная нагрузка на многопроволочный провод от гололеда

где ρ о = 0,9 г/см 3 ; ∆ - толщина слоя гололеда.

Полная вертикальная нагрузка при гололеде

Единичная ветровая нагрузка на провод без гололеда

при гололеде

где α = 0,7 - 1,0 - коэффициент, учитывающий неравномерность действия ветра по длине пролета; ∆ = 1,1 - 1,2 - коэффициент лобового сопротивления; v - скорость ветра, м/сек.

Результирующая единичная нагрузка от совместного действия вертикальных и горизонтальных нагрузок (без гололеда)

при гололеде

Номинальный коэффициент запаса для многопроволочных проводов принимают равным 2,0-2,5, а для сталеалюминевого провода 2,5-3,0.


к содержанию