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【摘要】：750kV输电线路金属工器具在钛合金材料的应用、液压机械组合式收紧装置以及钛合金卡具加工新工艺的制定方面均为首次，这三项关键技术填补了国内带电作业工器具研制的空白，本文对这三项关键技术进行了系统的阐述，可为后续1000kV、±800输电线路带电作业工器具的研制提供参考。
【关键词】：750kV；输电线路 ；带电作业 ；金属工器具；关键技术
0、引言
750kV输电线路最高的铁塔达到了111m；单片绝缘子最重达到了14kg；单块金具联板最重的达到了65kg；导线张力单根最大达到了3300 kg；最大垂直档距达到了1398m；悬垂绝缘子串最大垂直荷载（无覆冰）达到了12675kg；单串绝缘子串最重达到了985kg。所以塔高、绝缘子重、金具结构复杂、导线应力大是750kV输电线路固有的特点。
如果其带电作业金属工器具仍按330kV、500kV带电工器具材质进行模仿加工，收紧装置仍使用机械传动丝杆。一是器具的重量将无法保证作业人员能正常实施。二是工器具的复杂结构使得受力强度无法满足承力要求。三是机械传动丝杆收紧装置无法进行大张力的收紧作业。
所以针对750kV输电线路固有的特性，其带电作业工器具必须从减轻重量、提高收紧装置的可操作性这两个方面作为切入点进行相关研究。
本文主要通过对工具结构的优化及工具材料的优选、收紧装置的创新设计，以及钛合金卡具制作新工艺的规范，使得750kV输电线路带电作业工具具有结构合理，强度高、质量轻、工作可靠的性能特点。
1、卡具主体材料的选择
卡具型式及工作负荷确定后，进一步需要确定的就是卡具主体的材质。可供选择的卡具主体材质及机械性能见下表1：
从表1中可见40Cr、LC4、 TC4三种材料的机械强度都较高，如选用铝合金（LC4）材料，虽然材料比重较小，但力学性能 [бb]及[бs]较钢材40Cr及钛合金TC4小的多，差了1倍左右，做成的卡具外形尺寸较大，整体重量反而较大，使用时需要较大的安装空间。
对于钢材40Cr及钛合金TC4，二者机械性能[бb]及[бs]很接近，40Cr的比重比TC4高1.8倍，因此40Cr材料不可取。
钛是同素异构体，熔点1720℃，882℃为同素异构转变温度。α—Ti是低温稳定结构，呈密排六方晶格；β—Ti是高温稳定结构，呈体心立方晶格。不同类型的钛合金，就是在这两种不同组织结构中添加不同种类、不同数量的合金元素，使其改变相变温度和相分含量而得到的。室温下钛合金有三种基体组织（α、β、α+β），故钛合金也相应分为三类。
TC4，它由α及β两相组成，α相为主，β相少于30%。此合金组织稳定，高温变形性能好，韧性和塑性好，能通过淬火与时效使合金强化，热处理后强度可比退火状态提高50%～100%，高温强度高，可在400～500℃下长期工作，热稳定性稍逊于α钛合金。
鈦合金材料性能的主要特点：
强度高：钛合金的密度仅为钢的60%左右，但强度却高于钢，比强度（强度/密度）是现代工程金属结构材料中最高的。
热强性好：往钛合金中加入合金强化元素后，大大提高了钛合金的热稳定性和高温强度，如在300～350℃下，其强度为铝合金强度的3～4倍。
耐蚀性好：钛合金表面能生成致密坚固的氧化膜，故耐蚀性能比不锈钢还好。如不锈钢制作的反应器导管在19%HCI+10mg/L NaOH条件下使用只能用5个月，而钛合金的则可用8年之久。
化学活性大：钛的化学活性大，能与空气中的氧、氢、氮、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气、氨气等产生强烈化学反应，生成硬化层或脆性层，使得脆性加大，塑性下降。
导热性能差、弹性模量小：钛合金的导热系数仅为钢的1/7、铝的1/14；弹性模量为钢的1/2，钢性差、变形大，不宜制作细长杆和薄壁件。
钛合金TC4比重比铝合金LC4大1.6倍，但力学强度均为铝合金的2倍多，做成的卡具除长度尺寸外，其他外形尺寸均比铝合金卡具小一半，整体重量反比铝合金卡具轻，另外由于外形尺寸小，使用时需要的安装空间小，操作也相对方便的多。
对于纤维增强复合材料，尽管其材质轻、强度高（详见表2），但其机械性能各向异性，材质是非均匀的，其断裂伸长较小，横向强度及层间剪切强度低，在大载荷应用场合尚不如钢，且目前还没有现成的材料可选用，新开发成本很高。
经过对比研究可知，使用钛合金（TC4）来加工卡具主体最为合适。
2、传动系统设计
750kV相导线采用大导线六分裂，正常情况下，导线机械荷重大，高空作业费力。如果参照330kV、500kV输电线路带电作业机械传动丝杆收紧装置操作人员将无法进行收紧作业。因此，在大机械荷载下传动系统以液压机构为宜，但由于液压机构传动速度较慢，为了减少高空作业人员滞留空时间，应采用液压收紧装置+机械传动丝杆收紧装置结合的模式。详见图1-8。
采用液压、机械一体式收紧装置，最大的特点就是工作的可靠性提高了。一个系统的失效不影响另一个系统的正常工作，具有互为保护作用。还有一个特点是系统中梯形螺纹丝杆和液压缸分体设计，使用时组装成一体，不用时可分开存放，且便于损耗件的更换与维护。
另外，液压缸密封技术，首次应用航空新技术，采用间隙密封+密封圈密封，解决油渗漏问题，既保持了液压传动省力的特点，又避免了密封圈的老化问题。
3、缩小液压系统的体积，控制工具整体质量
由于卡具的工作负荷比较大，要把液压系统做得体积小、质量又要轻是有相当难度的，需要解决许多技术的问题。在研制过程中，主要解决了以下几个关键问题：
3.1柱塞泵的小型化问题。工作缸的进口压力确定以后，柱塞泵体积对减轻工具整体重量影响很大。通过两次设计改进，将外油路改进为内油路，把柱塞泵作为一个支座，柱塞泵与缸体、储油罐直接相连，省去了其间的连接装置。这样，不仅有效地利用支座的空间，而且有效地缩小了柱塞泵的体积，减轻了工具的质量。 3.2液压系统整体优化问题。柱塞泵的小型化问题解决后，对整套液压系统利用三维模型进行了整体优化，根据强度要求，将多余敷料通通祛除，从而大大地减轻了动力油源系统的质量。
4、钛合金卡具制作新工艺要求
钛合金材料是首次应用到卡具的加工，没有成熟的加工工艺和经验。因此，应根据钛合金的切削加工特点，必须制定新的加工工艺。
研究结果表明，钛合金的硬度大于300HBS或350HBS都难进行切削加工，但困难的原因并不在于硬度方面，而在于钛合金本身的力学、化学、物理性能间的综合，故表现有下列切削加工特点。
4.1变形系数小
变形系数Λh小是钛合金切削加工的显著特点，Λh甚至小于1。其原因一是钛合金的塑性小（尤其在切削加工中），切屑收缩也小；其二是导热系数小，在高的切削温度下引起钛的α向β转变，而β钛体积大，引起切屑增长；其三是在高温下，钛屑吸收了周围介质中的氧、氢、氮等气体而脆化，丧失塑性，切屑不再收缩，使得变形减小。当vc≤50m/min时，在两种介质中的Λh值基本相同，但vc>50m/min时，二者明显不同。
4.2.切削力
在三向切削分力中，主切削力Fc比45钢的小，背向力Fp则比切45钢大20%左右，但切削力的大小并非是钛合金难加工的主要原因。
4.3.切削温度高
切削钛合金时，切削温度比相同条件下切削其他材料高1倍以上，且温度最高处就在切削刀具附近狭小区域内。原因在于钛合金的导热系数小，刀屑接触长度短（仅为45钢的50%～60%）。
4.4.切屑形态
钛合金的切屑呈典型的锯齿挤裂状，成因是钛的化学活性大，在高温下易与大气中的氧、氮、氢等发生强烈化学反应，生成TiO2、TiN、TiH等硬脆层。在生成挤裂切屑的过程中，在剪切区产生塑性变形，切削刃处的应力集中就使得切削力变大。然而，龟裂进入塑性变形部分，引起剪切变形，应力释放又使切削力变小。挤裂屑的生成过程会重复引起切削力的动态变化，伴随一次剪切变形就会出现一次切削力变化，这与切削奥氏体不锈钢情况非常类似。当vc=200m/min时，伴随挤裂屑现象产生的振动频率约在15kHz左右，切削Ti合金的振动频率会更高。生成硬脆层的加工表面会产生局部的应力集中，从而降低疲劳硬度。据资料报导，这种硬脆层厚度约为0.1～0.15mm，其硬度比基体高出50%，疲劳强度降低10%左右。
4.5.刀具的磨损特性
切削钛合金时，由于切削热量多、切削温度高且集中切削附近，故月牙洼会很快发展为切削刃的破损。切削合金钢时，随vc的提高，在距离切削刃处一定位置会产生月牙洼磨损，产生这种磨损的原因在于高温下硬质合金刀具中的W、C较容易扩散。
4.6.粘刀现象严重
由于钛的化学亲和性大，加之切屑的高温高压作用，切削时易产生严重的粘刀现象，从而造成刀具的粘结磨损。
由于上述原因，钛合金卡具在前几次试加工时，结果都很不理想，所以最终选择用线切割的方法进行加工。用线切割的方法进行加工，形成的零件表面比较光整，加工过的表面其金相组织没有变化，其力学性能得到了充分的保证。同时，由于420kN和400kN悬式绝缘子钢帽很大，卡具的型腔和悬式绝缘子钢帽的准确配合，车加工很困难，为此绘制了悬式绝缘子钢帽的剖面图纸，并加工了专用的成型刀具，用这样的刀具车制的卡具型腔与悬式绝缘子钢帽配合非常准确，在大载荷情况下保障卡具的强度。
另外，对于卡具加工全是小批量或是单件加工，所以需投大量的二类，三类专用工装，这类工装是保证卡具精度不可缺的。
5、工具强度计算
以更换耐张单片绝缘子闭式卡具为例，更换耐张单片绝缘子的前、后卡具均卡在绝缘子的钢帽上，通过收紧丝杆，将绝缘子串的張力转移到卡具及丝杆上，使被更换的绝缘子松弛，达到更换的目的。整个卡具使用时的受力情况如图10所示。
1、5—绝缘子；2—前卡；3—收紧装置；4—后卡
由图10可知，前、后卡受的外力完全一样，且前、后卡设计的外形尺寸也完全一样。但由于前卡、后卡与钢帽接触的位置不同：前卡具是通过卡具前沿的“爪”与钢帽凸缘接触传递力，接触面有限，受力较复杂，既有弯矩，又有剪切力和挤压力。而后卡是通过卡具内腔壁与整个钢帽外壁接触传递力[参见图10]，接触面大，基本上是弯矩。所以卡具变形和破坏的部位都是在两翼的端部，说明该处是受弯矩最大的部位，主导力是弯矩的作用力，剪力和挤压是次要的。因此，无论前卡或后卡具，从整体受力来看，均五可简化为一简支梁计算，如图11所示。A、B为两支点，所受力为P/2，最大弯矩在AB段。卡具危险截面的强度条件为σmax=Mmax/ W≤[σ]。
最终通过对各种型式卡具和紧线器强度的演算均合格后方可进行加工生产。
6、结语
从材料的优选、液压收紧装置的应用、钛合金卡具制作新工艺制作为750kV输电线路实现钛合金卡具与液压收紧装置结合模式的系列工器具从关键技术方面取得了突破，填补了国内空白。
在实际生产应用中，闭式卡与机械液压组合式收紧装置整体组装后重量仅为23kg，等电位作业人员可实现带人整体安装。
750kV输电线路带电作业系列工器具在2011年西北地区进行的带电作业技术比武中，以耐张单片更换速度8min、直线复合绝缘子单串更换速度18min的速度得到效率验证。
2010年以来，运行单位先后以带电作业方式在750kV凉乾一线286#塔对多处破损绝缘子进行了更换，在750kV彬乾一线更换完成了4基悬垂单、双串复合绝缘子更换。
合金材质及液压收紧装置的应用以及加工工艺的标准化将是带电作业的一种发展趋势，750kV输电线路带电作业关键技术方面的研究可作为后续1000kV、±800输电线路带电作业提供参考借鉴。
【关键词】：750kV；输电线路 ；带电作业 ；金属工器具；关键技术
0、引言
750kV输电线路最高的铁塔达到了111m；单片绝缘子最重达到了14kg；单块金具联板最重的达到了65kg；导线张力单根最大达到了3300 kg；最大垂直档距达到了1398m；悬垂绝缘子串最大垂直荷载（无覆冰）达到了12675kg；单串绝缘子串最重达到了985kg。所以塔高、绝缘子重、金具结构复杂、导线应力大是750kV输电线路固有的特点。
如果其带电作业金属工器具仍按330kV、500kV带电工器具材质进行模仿加工，收紧装置仍使用机械传动丝杆。一是器具的重量将无法保证作业人员能正常实施。二是工器具的复杂结构使得受力强度无法满足承力要求。三是机械传动丝杆收紧装置无法进行大张力的收紧作业。
所以针对750kV输电线路固有的特性，其带电作业工器具必须从减轻重量、提高收紧装置的可操作性这两个方面作为切入点进行相关研究。
本文主要通过对工具结构的优化及工具材料的优选、收紧装置的创新设计，以及钛合金卡具制作新工艺的规范，使得750kV输电线路带电作业工具具有结构合理，强度高、质量轻、工作可靠的性能特点。
1、卡具主体材料的选择
卡具型式及工作负荷确定后，进一步需要确定的就是卡具主体的材质。可供选择的卡具主体材质及机械性能见下表1：
从表1中可见40Cr、LC4、 TC4三种材料的机械强度都较高，如选用铝合金（LC4）材料，虽然材料比重较小，但力学性能 [бb]及[бs]较钢材40Cr及钛合金TC4小的多，差了1倍左右，做成的卡具外形尺寸较大，整体重量反而较大，使用时需要较大的安装空间。
对于钢材40Cr及钛合金TC4，二者机械性能[бb]及[бs]很接近，40Cr的比重比TC4高1.8倍，因此40Cr材料不可取。
钛是同素异构体，熔点1720℃，882℃为同素异构转变温度。α—Ti是低温稳定结构，呈密排六方晶格；β—Ti是高温稳定结构，呈体心立方晶格。不同类型的钛合金，就是在这两种不同组织结构中添加不同种类、不同数量的合金元素，使其改变相变温度和相分含量而得到的。室温下钛合金有三种基体组织（α、β、α+β），故钛合金也相应分为三类。
TC4，它由α及β两相组成，α相为主，β相少于30%。此合金组织稳定，高温变形性能好，韧性和塑性好，能通过淬火与时效使合金强化，热处理后强度可比退火状态提高50%～100%，高温强度高，可在400～500℃下长期工作，热稳定性稍逊于α钛合金。
鈦合金材料性能的主要特点：
强度高：钛合金的密度仅为钢的60%左右，但强度却高于钢，比强度（强度/密度）是现代工程金属结构材料中最高的。
热强性好：往钛合金中加入合金强化元素后，大大提高了钛合金的热稳定性和高温强度，如在300～350℃下，其强度为铝合金强度的3～4倍。
耐蚀性好：钛合金表面能生成致密坚固的氧化膜，故耐蚀性能比不锈钢还好。如不锈钢制作的反应器导管在19%HCI+10mg/L NaOH条件下使用只能用5个月，而钛合金的则可用8年之久。
化学活性大：钛的化学活性大，能与空气中的氧、氢、氮、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气、氨气等产生强烈化学反应，生成硬化层或脆性层，使得脆性加大，塑性下降。
导热性能差、弹性模量小：钛合金的导热系数仅为钢的1/7、铝的1/14；弹性模量为钢的1/2，钢性差、变形大，不宜制作细长杆和薄壁件。
钛合金TC4比重比铝合金LC4大1.6倍，但力学强度均为铝合金的2倍多，做成的卡具除长度尺寸外，其他外形尺寸均比铝合金卡具小一半，整体重量反比铝合金卡具轻，另外由于外形尺寸小，使用时需要的安装空间小，操作也相对方便的多。
对于纤维增强复合材料，尽管其材质轻、强度高（详见表2），但其机械性能各向异性，材质是非均匀的，其断裂伸长较小，横向强度及层间剪切强度低，在大载荷应用场合尚不如钢，且目前还没有现成的材料可选用，新开发成本很高。
经过对比研究可知，使用钛合金（TC4）来加工卡具主体最为合适。
2、传动系统设计
750kV相导线采用大导线六分裂，正常情况下，导线机械荷重大，高空作业费力。如果参照330kV、500kV输电线路带电作业机械传动丝杆收紧装置操作人员将无法进行收紧作业。因此，在大机械荷载下传动系统以液压机构为宜，但由于液压机构传动速度较慢，为了减少高空作业人员滞留空时间，应采用液压收紧装置+机械传动丝杆收紧装置结合的模式。详见图1-8。
采用液压、机械一体式收紧装置，最大的特点就是工作的可靠性提高了。一个系统的失效不影响另一个系统的正常工作，具有互为保护作用。还有一个特点是系统中梯形螺纹丝杆和液压缸分体设计，使用时组装成一体，不用时可分开存放，且便于损耗件的更换与维护。
另外，液压缸密封技术，首次应用航空新技术，采用间隙密封+密封圈密封，解决油渗漏问题，既保持了液压传动省力的特点，又避免了密封圈的老化问题。
3、缩小液压系统的体积，控制工具整体质量
由于卡具的工作负荷比较大，要把液压系统做得体积小、质量又要轻是有相当难度的，需要解决许多技术的问题。在研制过程中，主要解决了以下几个关键问题：
3.1柱塞泵的小型化问题。工作缸的进口压力确定以后，柱塞泵体积对减轻工具整体重量影响很大。通过两次设计改进，将外油路改进为内油路，把柱塞泵作为一个支座，柱塞泵与缸体、储油罐直接相连，省去了其间的连接装置。这样，不仅有效地利用支座的空间，而且有效地缩小了柱塞泵的体积，减轻了工具的质量。 3.2液压系统整体优化问题。柱塞泵的小型化问题解决后，对整套液压系统利用三维模型进行了整体优化，根据强度要求，将多余敷料通通祛除，从而大大地减轻了动力油源系统的质量。
4、钛合金卡具制作新工艺要求
钛合金材料是首次应用到卡具的加工，没有成熟的加工工艺和经验。因此，应根据钛合金的切削加工特点，必须制定新的加工工艺。
研究结果表明，钛合金的硬度大于300HBS或350HBS都难进行切削加工，但困难的原因并不在于硬度方面，而在于钛合金本身的力学、化学、物理性能间的综合，故表现有下列切削加工特点。
4.1变形系数小
变形系数Λh小是钛合金切削加工的显著特点，Λh甚至小于1。其原因一是钛合金的塑性小（尤其在切削加工中），切屑收缩也小；其二是导热系数小，在高的切削温度下引起钛的α向β转变，而β钛体积大，引起切屑增长；其三是在高温下，钛屑吸收了周围介质中的氧、氢、氮等气体而脆化，丧失塑性，切屑不再收缩，使得变形减小。当vc≤50m/min时，在两种介质中的Λh值基本相同，但vc>50m/min时，二者明显不同。
4.2.切削力
在三向切削分力中，主切削力Fc比45钢的小，背向力Fp则比切45钢大20%左右，但切削力的大小并非是钛合金难加工的主要原因。
4.3.切削温度高
切削钛合金时，切削温度比相同条件下切削其他材料高1倍以上，且温度最高处就在切削刀具附近狭小区域内。原因在于钛合金的导热系数小，刀屑接触长度短（仅为45钢的50%～60%）。
4.4.切屑形态
钛合金的切屑呈典型的锯齿挤裂状，成因是钛的化学活性大，在高温下易与大气中的氧、氮、氢等发生强烈化学反应，生成TiO2、TiN、TiH等硬脆层。在生成挤裂切屑的过程中，在剪切区产生塑性变形，切削刃处的应力集中就使得切削力变大。然而，龟裂进入塑性变形部分，引起剪切变形，应力释放又使切削力变小。挤裂屑的生成过程会重复引起切削力的动态变化，伴随一次剪切变形就会出现一次切削力变化，这与切削奥氏体不锈钢情况非常类似。当vc=200m/min时，伴随挤裂屑现象产生的振动频率约在15kHz左右，切削Ti合金的振动频率会更高。生成硬脆层的加工表面会产生局部的应力集中，从而降低疲劳硬度。据资料报导，这种硬脆层厚度约为0.1～0.15mm，其硬度比基体高出50%，疲劳强度降低10%左右。
4.5.刀具的磨损特性
切削钛合金时，由于切削热量多、切削温度高且集中切削附近，故月牙洼会很快发展为切削刃的破损。切削合金钢时，随vc的提高，在距离切削刃处一定位置会产生月牙洼磨损，产生这种磨损的原因在于高温下硬质合金刀具中的W、C较容易扩散。
4.6.粘刀现象严重
由于钛的化学亲和性大，加之切屑的高温高压作用，切削时易产生严重的粘刀现象，从而造成刀具的粘结磨损。
由于上述原因，钛合金卡具在前几次试加工时，结果都很不理想，所以最终选择用线切割的方法进行加工。用线切割的方法进行加工，形成的零件表面比较光整，加工过的表面其金相组织没有变化，其力学性能得到了充分的保证。同时，由于420kN和400kN悬式绝缘子钢帽很大，卡具的型腔和悬式绝缘子钢帽的准确配合，车加工很困难，为此绘制了悬式绝缘子钢帽的剖面图纸，并加工了专用的成型刀具，用这样的刀具车制的卡具型腔与悬式绝缘子钢帽配合非常准确，在大载荷情况下保障卡具的强度。
另外，对于卡具加工全是小批量或是单件加工，所以需投大量的二类，三类专用工装，这类工装是保证卡具精度不可缺的。
5、工具强度计算
以更换耐张单片绝缘子闭式卡具为例，更换耐张单片绝缘子的前、后卡具均卡在绝缘子的钢帽上，通过收紧丝杆，将绝缘子串的張力转移到卡具及丝杆上，使被更换的绝缘子松弛，达到更换的目的。整个卡具使用时的受力情况如图10所示。
1、5—绝缘子；2—前卡；3—收紧装置；4—后卡
由图10可知，前、后卡受的外力完全一样，且前、后卡设计的外形尺寸也完全一样。但由于前卡、后卡与钢帽接触的位置不同：前卡具是通过卡具前沿的“爪”与钢帽凸缘接触传递力，接触面有限，受力较复杂，既有弯矩，又有剪切力和挤压力。而后卡是通过卡具内腔壁与整个钢帽外壁接触传递力[参见图10]，接触面大，基本上是弯矩。所以卡具变形和破坏的部位都是在两翼的端部，说明该处是受弯矩最大的部位，主导力是弯矩的作用力，剪力和挤压是次要的。因此，无论前卡或后卡具，从整体受力来看，均五可简化为一简支梁计算，如图11所示。A、B为两支点，所受力为P/2，最大弯矩在AB段。卡具危险截面的强度条件为σmax=Mmax/ W≤[σ]。
最终通过对各种型式卡具和紧线器强度的演算均合格后方可进行加工生产。
6、结语
从材料的优选、液压收紧装置的应用、钛合金卡具制作新工艺制作为750kV输电线路实现钛合金卡具与液压收紧装置结合模式的系列工器具从关键技术方面取得了突破，填补了国内空白。
在实际生产应用中，闭式卡与机械液压组合式收紧装置整体组装后重量仅为23kg，等电位作业人员可实现带人整体安装。
750kV输电线路带电作业系列工器具在2011年西北地区进行的带电作业技术比武中，以耐张单片更换速度8min、直线复合绝缘子单串更换速度18min的速度得到效率验证。
2010年以来，运行单位先后以带电作业方式在750kV凉乾一线286#塔对多处破损绝缘子进行了更换，在750kV彬乾一线更换完成了4基悬垂单、双串复合绝缘子更换。
合金材质及液压收紧装置的应用以及加工工艺的标准化将是带电作业的一种发展趋势，750kV输电线路带电作业关键技术方面的研究可作为后续1000kV、±800输电线路带电作业提供参考借鉴。