CN102134931A - 一种玻璃钢电线杆 - Google Patents

Abstract

一种玻璃钢电线杆，包括杆体、横担、导线座、金具、卡箍、端帽和套筒，横担通过卡箍安装在杆体的上部，杆体顶端安装端帽，三套导线座和金具分别用螺钉固定在横担的两端和端帽上，杆体的下部套装套筒，导线座和金具之间固定导线，杆体为均匀变壁厚的中空圆锥形结构，壁厚变化率δ为0.15％～0.2％，其中壁厚变化率

d_max为杆体的最大壁厚即杆体最下端的壁厚，d_min为杆体的最小壁厚即杆体最上端的壁厚，l为杆体的母线长度。本发明采用特殊的变壁厚杆体结构设计，使材料发挥其最佳的承载功能并降低了制作成本；本发明杆体采用缠绕方法整体成型杆体根部玻璃钢法兰，在方便与地基安装的同时，满足了力学性能要求；本发明设计不同材料和成型工艺来生产杆体、横担和导线座，在满足了电线杆耐腐蚀、电绝缘性能的同时，又满足了性能可设计、减重等多种功能需求。

Description

一种玻璃钢电线杆

技术领域

本发明涉及一种电线杆，特别是涉及一种玻璃钢电线杆，属于复合材料及电线杆制造技术领域。

背景技术

目前国内架空输电线路中使用较为广泛的杆塔主要有混凝土杆、钢管杆、钢管混凝土杆、格构式铁塔等，传统的输电杆塔普遍存在质量重、易腐烂、锈蚀或开裂等缺陷，施工运输和运行维护困难，容易出现各种安全隐患。

玻璃纤维增强树脂基复合材料具有强度高、质量轻、耐腐蚀、耐疲劳性能、耐久性能和电绝缘性能好等特点，非常适于制造输电杆塔。现阶段开展复合材料杆塔研究的主要目的有：

(1)利用复合材料优异的绝缘性能缩小输电线路宽度，节约占地面积，这在城市中尤为重要。

(2)利用复合材料优异的耐腐蚀性能解决沿海、盐碱地等腐蚀严重地区的输电杆塔安全和寿命问题。

随着电力输送对新型杆塔结构需求的增长，树脂基复合材料将逐渐在架空输电线路杆塔中得到广泛的应用。

作为传统材料木材、钢以及混凝土的替代品，国外复合材料杆作为轻质杆在电力输电塔上应用上超过三十年。它具有很多优点，如高的强度比，耐腐蚀性，耐紫外线，耐久性能以及电绝缘性能良好等特点，在高山和沼泽地方便安装，维修和运输费用低。如在美国的蒙那大省积雪量大的山区地带，运输极为不方便，采用FRP输电杆(因其质量轻且易安装)极大的减轻了安装人员的操作难度，取得了良好的效果。

目前国外在输电杆塔上树脂基复合材料的应用形式主要有变截面单杆和直管装配式塔架两种。一般都是纤维增强材料，用聚酯，乙烯基酯或环氧树脂作基材，E-玻璃、S-玻璃、芳族聚酰胺以及碳纤维来作为增强材料。一般大多数采用的是纤维缠绕技术成型。D.Polyzois等采用纤维缠绕技术成型玻璃纤维增强乙烯基酯树脂基复合材料中空锥形杆，并利用有限元分析对复合材料杆的动态行为进行了研究；Sherbrooke大学采用纤维缠绕技术成型玻璃纤维增强环氧树脂复合材料杆，并对杆的弯曲行为进行了研究；Ioannis.G等对纤维缠绕成型的玻璃纤维增强聚酯复合材料中空锥形杆的动态行为进行了一定的研究；南加州爱迪生电力公司使用高强玻璃纤维和聚氨酯树脂制造复合材料电杆，并对性能进行了评估，专家委员会认为，复合材料杆有望显著减少杆的维修，不需要频繁的更换，这些改进降低了维修费用；Desai等采用有限元模型研究了复合材料杆的弯曲特征，实验结果表明，碳纤维增强的复合杆的承载能力大约是玻璃纤维增强的复合杆的承载能力的1.75倍；美国蒙那大省的一个大学设计一种复合材料杆，它主要是选用E-玻璃纤维增强的乙烯基酯树脂基复合材料，并且选用纤维缠绕技术，复合材料杆的横截面是薄壁型的，其质量比传统的杆要轻得多，他们分析了横截面积的大小及其增强效果。

国外对复合材料电杆的耐久性进行了一定的研究。Yokobori等人将FRP的疲劳寿命与破坏积累的机制联系在一起，实验采用短纤维增强聚碳酸酯复合材料作为实验材料，采用时间疲劳测试方法，研究疲劳寿命与破坏积累之间的关系，实验结果表明，这种材料的疲劳寿命来自于破坏积累，这些破坏积累取决于内部基体与纤维的断裂，这种断裂受控于时间周期；Suzanne等人对输电杆的疲劳断裂进行了红外光谱分析；Zhenyu Ouyang等研究了在潮湿环境中FRP连接处的连接界面破坏能的非线性降低模式，他们指出了湿度降低FRP的有效强度，减小了的破坏能，引起材料内部破坏的内聚力失效的失效形式，境相对湿度，材料尺寸大小，材料的扩散性能，测试方法，材料的表面处理都能显著影响耐久性实验中的破坏能的大小；底特律爱迪生公司指出，风力产生的谐振将引起输电杆的疲劳破坏，在季风区域，这个破坏发生在悬臂梁与杆主体部分的连接处。

加拿大的Bell等人采用离心制造技术成功制备了锥形的中空玻璃钢杆，实验结果表明在相同的条件下，GFRP杆与木质杆具有相同的横向承载能力，并进一步指出了，GFRP杆在发生偏转时具有一定的弹性。

Polyzois对GFRP杆进行了一定的测试，实验结果表明，GFRP杆采用悬臂梁结构，有三种不同的失效形式。失效形式一是在层间附近的扣锁失效，失效形式二是最大剪切力引起的失效，失效形式三是安装时最大横截面的张力引起的失效。

美国加利福尼亚大学对复合材料的整体镶嵌连接技术做了一定研究。在全复合材料300千伏高压输电塔设计中开发了CIF(整体镶嵌连接技术)，已经安装在了加利福尼亚州南部的输电厂。

复合材料电杆在国外取得了很好的发展，原材料和生产工艺得到了不断的改进，结构性能也得到了很大的提高，在很多地区应用取得了一定的成效。但是在国内，复合材料电杆处于起步阶段，其发展还需要加大研发力量，以期更好的应用于输电线路中。

从查阅的国内外文献和专利等可以看出，国内外均是对复合材料电杆杆体的力学计算、成型工艺、失效分析等作出介绍，对于杆体具体结构、横担、导线卡等各零部件及各连接件的结构、力学分析、成型工艺等尚未发现相关报道。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种通过结构设计和受力分析，采用玻璃纤维增强树脂基复合材料制作电线杆杆体、横担、导线座，用金属材料加工各连接件，装配制得的玻璃钢电线杆，电线杆结构强度、刚度均满足使用要求，绝缘性良好，质量轻，耐腐蚀，抗老化。

本发明的技术解决方案是：一种玻璃钢电线杆，包括杆体、横担、导线座、金具、卡箍、端帽和套筒，横担通过卡箍安装在杆体的上部，杆体顶端安装端帽，三套导线座和金具分别用螺钉固定在横担的两端和端帽上，杆体的下部套装套筒，导线座和金具之间固定导线，所述的杆体为均匀变壁厚的中空圆锥形结构，壁厚变化率δ为0.15％～0.2％，其中壁厚变化率

d_max为杆体的最大壁厚即杆体最下端的壁厚，d_min为杆体的最小壁厚即杆体最上端的壁厚，l为杆体的母线长度。

所述的横担的横截面采用等截面形式，采用玻璃纤维与乙烯基酯树脂拉挤成型。

所述的杆体采用玻璃纤维与乙烯基酯树脂缠绕工艺成型，底部整体成型法兰。

所述的导线座采用玻璃纤维与环氧树脂层压工艺成型。

所述的金具、卡箍、端帽和套筒采用金属材料制造，表面镀锌防腐。

所述的卡箍为前后对称的分体结构，每一半卡箍包括中部的半圆环结构和左右两侧与横担横截面形状一致的卡槽结构，在卡槽结构上加工安装孔。

所述的端帽为不对称的分体机构，由小圆环部分和大圆环部分组成，小圆环部分和大圆环部分的中部圆环部分组成一个完整的圆，小圆环部分和大圆环部分的两侧各有一个安装平台，安装平台上加工安装孔，在大圆环部分上加工导线座安装平台，导线座安装平台的宽度w＝2h，其中h为导线座安装平台外侧边缘的弦心距，w＞w_d，w_d为导线座宽度。

所述的金具为中部突出的片状结构，中部突出为内凹的圆弧面。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明采用特殊的变壁厚杆体结构设计，使材料发挥其最佳的承载功能并降低了制作成本；

(2)本发明杆体采用缠绕方法整体成型杆体根部玻璃钢法兰，在方便与地基安装的同时，满足了力学性能要求；

(3)本发明设计不同材料和成型工艺来生产杆体、横担和导线座，在满足了电线杆耐腐蚀、电绝缘性能的同时，又满足了性能可设计、减重等多种功能需求；

(4)本发明采用特殊结构的金具、卡箍和端帽，在结构简单、轻便、安装方便的同时满足了力学性能要求。

附图说明

图1为本发明杆体结构示意图；

图2为本发明杆体下部与套筒连接关系结构示意图；

图3为本发明杆体上部与横担连接关系结构示意图；

图4为本发明卡箍主视图；

图5为本发明卡箍俯视图；

图6为图5A-A方向的剖视图；

图7为本发明端帽主视图；

图8为本发明端帽俯视图；

图9为本发明金具主视图；

图10为本发明金具俯视图。

具体实施方式

本发明如图2、3所示，包括杆体1、横担2、导线座3、金具4、卡箍5、端帽6和套筒7，横担2通过卡箍5安装在杆体1的上部，杆体1顶端安装端帽6，三套导线座3和金具4分别用螺钉8固定在横担2的两端和端帽6上，杆体1的下部套装套筒7，导线座3和金具4之间固定导线。

1、杆体

杆体的受力特点是杆体顶部受力最小，越接近杆体根部受力越严重。因此，根据其受力特点，将杆体设计成中空锥形均匀变厚度形式，即杆体根部厚度最大，向杆体顶部方向逐渐减小，壁厚变化率(单位长度上的厚度变化)δ为0.15％～0.2％，其中壁厚变化率

d_max为杆体的最大壁厚即杆体最下端的壁厚，d_min为杆体的最小壁厚即杆体最上端的壁厚，l为杆体的母线长度。这样可以充分发挥材料的承载作用，在满足受力要求的同时，最大限度的降低了成本。在杆体根部整体成型法兰翻边，便于杆体与地基相连接。杆体结构图见图1所示。

杆体采用玻纤、乙烯基酯树脂缠绕工艺成型。工艺流程为：玻璃纤维浸胶→缠绕→固化→脱模→涂刷涂料。缠绕成型制品的纤维体积含量高，力学性能较高，周向强度高，而且容易通过纤维缠绕方式设计实现制品性能的设计。工艺方法简单，产品质量稳定，适用于批量生产。

具体生产过程为：把连续的玻璃纤维经浸渍乙烯基酯树脂胶液后，在张力作用下缠绕到匀速旋转的缠绕模的芯模上，直至满足产品厚度要求时停止缠绕，然后通过常温固化成型，室温晾置固化24h后，将产品脱模，制成具有一定形状的制品，表面涂刷绿色的HBC-01型抗老化涂料。

2、横担

绝缘横担如图3所示，设计在满足其受力要求的同时，横截面采用等截面形式，如圆管、方管、异型截面管等结构，这种结构便于采用拉挤工艺成型。

横担采用玻纤、乙烯基酯树脂拉挤成型。工艺流程为：玻璃纤维浸胶→定型→固化→裁切→涂刷涂料。拉挤制品纤维体积含量高，力学性能高，特别是纵向比强度和比刚度尤为突出，制造成本低，可连续生产，生产速度高，可以按结构部件的荷载状态布置纤维，也可以实现在拉挤的同时横向布置纤维，使得制品的横向力学性能大幅度提高。

横担的生产工艺为：将浸渍乙烯基酯树脂的玻璃纤维在牵引机构拉力作用下，通过模具定型，并在模具中固化，连续拔出长度不受限制的玻璃钢产品，再经切割机裁成要求的长度，在产品表面涂刷绿色的HBC-01型抗老化涂料。

3、导线座

导线座如图3所示，采用玻纤/环氧层压工艺成型。导线座工艺流程为玻璃纤维浸胶→裁剪→铺层→固化→脱模→加工→涂刷涂料，在满足电绝缘性能的同时，制品强度高，产品质量稳定，可进行批量生产。玻璃钢导线座与连接金具共同构成导线卡起到固定导线的作用。

导线座的生产工艺为：将玻璃纤维预浸布按模具尺寸裁剪，在模具内逐层铺贴直至所需的厚度，在液压机上固化，固化完毕后脱模，加工成需要的尺寸，表面涂刷绿色的HBC-01型抗老化涂料。

4、金属件

套筒、卡箍、端帽、金具均采用金属材料加工，表面镀锌防腐。各金属件结构简单、轻便，满足力学性能要求。

套筒7如图2所示，为底部翻边的圆筒形结构，底部翻边与杆体1下部整体成型的法兰通过螺栓固定在一起。

卡箍5如图4～6所示，采用前后对称的分体结构，每一半卡箍包括中部的半圆环结构51和左右两侧与横担2横截面形状一致的卡槽结构52，在卡槽结构52上加工安装孔53。中部半圆环结构51套在杆体1的上部，左右卡槽52从前后卡住横担2，螺栓穿过安装孔53将横担2固定在杆体1上，卡槽的结构与横担的横截面形状对应，图6中为横担的横截面是方管的卡槽结构。

端帽6如图7、8所示，为不对称的分体机构，由小圆环部分61和大圆环部分62组成，小圆环部分61和大圆环部分62的中部圆环部分组成一个完整的圆，端帽6分割成小圆环部分61和大圆环部分62的不对称结构是为了使导线座安装平台为一整体，增加强度。小圆环部分61和大圆环部分62的两侧各有一个安装平台63，安装平台63上加工安装孔65，在大圆环部分62上加工导线座安装平台64，导线座安装平台64在小圆环部分61和大圆环部分62的中部圆环部分组成的圆的水平中心线对称分布，即导线座安装平台64的宽度w＝2h，其中h为导线座安装平台64外侧边缘的弦心距，w＞w_d，w_d为导线座宽度。端帽6套在杆体1上端，螺栓穿过安装平台63上的安装孔65，将端帽6固定在杆体1上，导线座安装平台64上安装导线座3。

金具4如图9、10所示，为中部突出的片状结构，中部的圆弧面与导线座的圆弧面配合固定导线。

杆体、横担、金属件等所有零件表面涂刷抗老化涂层，以提高复合材料的抗紫外光老化、耐候性等性能，同时涂层的颜色经过精心选配，具有优异的环境友好性和宣传推广性。

本发明得到的电线杆的性能：

玻璃钢电杆绝缘性能优良，可缩小输电线路宽度，节约占地面积；

玻璃钢电杆耐腐蚀性能优良，在沿海、盐碱地等腐蚀严重地区使用可提高使用寿命和增加安全系数；

(3)玻璃钢电杆强度高，在最严重的工况条件下，电杆承载时发生的挠度见下表，在200％载荷下，材料不发生破坏；

(4)复合材料电杆减重效果明显，整体减重约500kg，可有效降低运输、安装成本，在高山和沼泽地安装方便。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.一种玻璃钢电线杆，其特征在于：包括杆体(1)、横担(2)、导线座(3)、金具(4)、卡箍(5)、端帽(6)和套筒(7)，横担(2)通过卡箍(5)安装在杆体(1)的上部，杆体(1)顶端安装端帽(6)，三套导线座(3)和金具(4)分别用螺钉固定在横担(2)的两端和端帽(6)上，杆体(1)的下部套装套筒(7)，导线座(3)和金具(4)之间固定导线，所述的杆体(1)为均匀变壁厚的中空圆锥形结构，壁厚变化率δ为0.15％～0.2％，其中壁厚变化率

d_max为杆体(1)的最大壁厚即杆体(1)最下端的壁厚，d_min为杆体(1)的最小壁厚即杆体(1)最上端的壁厚，l为杆体(1)的母线长度。

2.根据权利要求1所述的一种玻璃钢电线杆，其特征在于：所述的横担(2)的横截面采用等截面形式，采用玻璃纤维与乙烯基酯树脂拉挤成型。

3.根据权利要求1所述的一种玻璃钢电线杆，其特征在于：所述的杆体(1)采用玻璃纤维与乙烯基酯树脂缠绕工艺成型，底部整体成型法兰。

4.根据权利要求1所述的一种玻璃钢电线杆，其特征在于：所述的导线座(3)采用玻璃纤维与环氧树脂层压工艺成型。

5.根据权利要求1所述的一种玻璃钢电线杆，其特征在于：所述的金具(4)、卡箍(5)、端帽(6)和套筒(7)采用金属材料制造，表面镀锌防腐。

6.根据权利要求1或5所述的一种玻璃钢电线杆，其特征在于：所述的卡箍(5)为前后对称的分体结构，每一半卡箍包括中部的半圆环结构(51)和左右两侧与横担(2)横截面形状一致的卡槽结构(52)，在卡槽结构(52)上加工安装孔(53)。

7.根据权利要求1或5所述的一种玻璃钢电线杆，其特征在于：所述的端帽(6)为不对称的分体机构，由小圆环部分(61)和大圆环部分(62)组成，小圆环部分(61)和大圆环部分(62)的中部圆环部分组成一个完整的圆，小圆环部分(61)和大圆环部分(62)的两侧各有一个安装平台(63)，安装平台(63)上加工安装孔(65)，在大圆环部分(62)上加工导线座安装平台(64)，导线座安装平台(64)的宽度w＝2h，其中h为导线座安装平台(64)外侧边缘的弦心距，w＞w_d，w_d为导线座宽度。

8.根据权利要求1或5所述的一种玻璃钢电线杆，其特征在于：所述的金具(4)为中部突出的片状结构，中部突出为内凹的圆弧面。

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