防鸟刺针刺长度选择方法

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防鸟刺可以防止鸟落在针刺上的原理是防鸟刺一般为弹性体材料，在自身重力、鸟类重力、起飞或降落的作用下只发生弹性变形。目前，关于鸟类起飞或降落时对支撑物作用力的研究较少，阜康市国津电气有限公司、深圳市龙岗区庭恺电力新技术研究咨询工作室的张传民、张东，在2023年第4期《电气技术》上撰文，设计作用力试验装置，进行家鸽在起飞和降落时对支撑物作用力的研究。 他们的研究结果表明，家鸽在起飞时对支撑物的作用力呈正态分布，在降落时的作用力呈对数正态分布；家鸽起飞和降落时对支撑物的最大作用力几乎不超过鸟类自身体重的4.6倍和3.8倍。由于未选用野生鸟类，试验结果可能不具通用性，实际使用中建议设计户外测试装置，以增加试验结果可靠性。最后，针对不同针刺材料、长度和直径进行试验，并给出选型建议。

防鸟刺的作用是防止鸟类落在防鸟刺的防护范围内。从实际运行效果看，防鸟刺防鸟是防止鸟类直接落到防鸟刺上，不能防止鸟类落在防鸟刺旁边时向防护范围内正常移动，即当鸟类落在防鸟刺防护范围外时是可以自由移动的，此时若防鸟刺最外层打开后的高度大于鸟类站立时的高度，则鸟类可能移动到防鸟刺的防护范围内，防鸟刺就失去了防护意义。

在实际运行中发现，部分防鸟刺在使用几年后会发生永久变形，原因是防鸟刺受到的外力大于其弹性变形力，产生塑性变形。造成防鸟刺塑性变形的原因有多种，例如本身的材料选择不当、针刺直径太小、外界风力过大、安装角度造成的受力不均、鸟类起飞或降落造成的冲击力过大等。目前针对防鸟刺针刺变形的研究较少。

防鸟刺防止鸟类落在针刺上的原理是防鸟刺一般为弹性体材料，根据大量观鸟人员拍摄的鸟类起飞或降落视频可知，鸟类降落在有弹性的物体上时，若该弹性物体不足以支撑鸟类站稳，则鸟类往往有再次起飞的动作，即鸟类不会落在无法稳定支撑其身体的物体上。

根据以上原理，可计算防鸟刺的针刺长度，使鸟类落在防鸟刺上时，防鸟刺可在鸟类重力作用下只发生弹性变形。当防鸟刺产生塑性变形时，不再是原来的打开状态，无法继续按预想状态进行防护。

本文针对防鸟刺针刺长度的选择进行研究，首先分析鸟类起飞降落时的冲力，然后分析不同材料、不同长度和直径的针刺发生塑性变化所需的力，为防鸟刺针刺长度的选择提供理论依据。

1 鸟类起飞降落时的冲力

鸟类起飞和降落时分为带助跑和不带助跑两种。对于带助跑的鸟类，由于起飞降落距离的限制，其不可能落到防鸟刺或铁塔上，所以在研究鸟类起飞降落的冲力时，应主要研究不用助跑就能起飞降落的鸟类。

国外有针对鸟类起飞时间和起飞速度的试验研究，但未研究降落速度。根据有关文献，鸟类的起飞时间在45～126ms之间，取直接起飞鸟类的起飞时间为100ms，飞离支撑物时的速度一般不小于10km/h，即2.78m/s左右，根据起飞时间和起飞速度，按照式（1）可计算其起飞时的平均加速度约为27.8m/s2。

式（1）

代入起飞时间和起飞速度可知，鸟类起飞时对支撑鸟体的物体的反作用力为鸟类自身重力的3.78倍左右。

针对上述研究结果，选用常见鸟类家鸽进行试验验证，为了验证鸟类起飞时对支撑物的作用力，设计如图1所示的鸟类起飞降落作用力试验装置。从图1可以看出，鸟类起飞降落作用力测量装置由两个弹簧、一根落鸟杆和支撑整个试验装置的试验平台构成，弹簧可压缩、可扭曲，其工作原理为鸟类落在落鸟杆上或从落鸟杆上起飞时产生的作用力会造成弹簧变形，通过施加外力使弹簧的形变与鸟类起飞降落时的形变相同，即可得到鸟类起飞或降落时对落鸟杆的作用力。

图1 鸟类起飞降落作用力试验装置

考虑鸟类起飞降落时不可能直上直下，会有一定的倾斜，所以仅采用上述方法无法直接测得鸟类起飞和降落时的作用力，需对图1所示装置进行改造，以适应鸟类倾斜起飞降落时的作用力监测。改造方案可采用高速摄像机或其他简易方法。

简易方法为在落鸟杆两端涂墨并放上白纸，根据墨水留在白纸上的痕迹来确认运动轨迹，然后再使用拉力秤将落鸟杆拉到运动轨迹的最远处，测量鸟类起飞或降落时的最大力。需要特别注意的是，测量起飞或降落时的最大力时，拉力计的方向需与落鸟杆的运动轨迹尽量平行，拉力计的位置需与鸟类在落鸟杆上的站立位置尽量相同。

受实验室条件限制，本次研究在落鸟杆两端涂墨，根据每次起飞或降落后留下的轨迹在落鸟杆上施加力，使落鸟杆的最终位置与鸟类起飞或降落时的位置相同，以此测得起飞或降落时的作用力。

由于野生鸟类捕捉训练困难，为了方便试验，选取与常见中型鸟类体重相当的家鸽作为试验对象。利用质量为202～345g的10只家鸽进行起飞和降落试验各20次，试验中发现不同质量的家鸽对支撑杆的作用力差距较大，为消除此影响，对数据进行处理，即将最大力除以对应家鸽的体重作为采集数据，后续数据分析均以对支撑杆产生的作用力与家鸽体重之比作为基础数据。

分别对家鸽起飞时对落鸟杆的作用力和降落时对落鸟杆的作用力进行正态、指数、威布尔和对数正态分布拟合，结果表明鸟类起飞时的作用力数据服从正态分布，降落时的作用力数据服从对数正态分布。

起飞数据正态分布概率密度拟合曲线如图2所示，起飞数据正态分布累积概率拟合曲线如图3所示，正态分布拟合平均值为3.5053，标准差为0.3253。从图3可以看出，正态分布曲线可较好地拟合起飞时的作用力数据。为了后续试验时施加的力能尽可能覆盖所有数据，采用双边检验的方法，画出95%置信度下双边置信区间如图4所示。从图4可以看出，在95%的置信度下，家鸽起飞时对落鸟杆的作用力99%在自身体重的4.6倍以内。

图2 起飞数据正态分布概率密度拟合曲线

图3 起飞数据正态分布累积概率拟合曲线

图4 95%置信度下双边置信区间（起飞）

降落数据对数正态分布概率密度拟合曲线如图5所示，降落数据对数正态分布累积概率拟合曲线如图6所示，对数正态分布拟合平均值为0.609 7，标准差为0.2677。从图5可以看出，对数正态分布可较好地拟合降落时的作用力数据。同样为了后续实际试验所施加的力能尽可能覆盖所有数据，采用双边检验的方法，画出95%置信度下双边置信区间如图7所示。从图7可以看出，在95%的置信度下，家鸽降落时对落鸟杆的作用力99%在自身体重的3.8倍以内。

图5 降落数据对数正态分布概率密度拟合曲线

图6 降落数据对数正态分布累积概率拟合曲线

图7 95%置信度下双边置信区间（降落）

2 防鸟刺针刺材料及长度选择

根据《输电线路“六防”工作手册 防鸟害》中对防鸟刺防护面积的要求，防鸟刺打开后的直径不小于1.2m，最长针刺长度可选65～70cm，中间针刺长度可选50～55cm，内层针刺长度可选40～45cm。在针刺长度选定后，以往防鸟刺针刺直径一般在1.5～2.2mm之间，根据第1节得到的家鸽起飞和降落时对针刺的最大作用力分别为4.6倍家鸽体重和3.8倍家鸽体重，对比分析不同材料的针刺在350g（常见家鸽质量上限）鸟类的作用下是否会发生变形，本文以常用的45#、55#、65#钢丝进行试验。

根据防鸟刺打开后的状态，鸟类落到防鸟刺上最有可能的落点为针刺尖端向下10cm处。在试验时，为了模拟更严酷的条件，将对针刺的力施加在距离尖端向下4cm处，力的施加方向与针刺垂直，类似在悬挑梁的末端施加压力。根据防鸟刺长度选择方法确定针刺长度，同时考虑针刺的工艺和材料一致性，将施加力提高20%进行试验，以使针刺材料选择时具有一定的裕度。将最大作用力施加在针刺上时，针刺不发生塑性变形即为试验通过。

由于鸟类起飞时的作用力较降落时的作用力大，所以选取鸟类起飞时作用力的1.2倍作为试验时所施加的力，即18.66N，得到不同材料、不同长度、直径同为1.5mm粗钢丝的试验结果见表1，不同材料、不同长度、直径同为2.2mm粗钢丝的试验结果见表2。

表1 不同材料、不同长度、直径同为1.5mm粗钢丝的试验结果

表2 不同材料、不同长度、直径同为2.2mm粗钢丝的试验结果

由表1可知，防鸟刺针刺采用1.5mm粗钢丝，在运行过程中有鸟类降落时容易产生塑性变形，导致防鸟刺失效。由表2可知，防鸟刺针刺采用2.2mm粗钢丝时，65#钢针刺在所有长度下均不会产生塑性变形，55#钢中刺和短刺不会产生塑性变形，同时考虑可靠性和钢丝价格，建议防鸟刺长刺采用2.2mm直径的65#钢丝，中刺选用1.5mm直径的65#钢丝，短刺选用1.5mm直径的55#钢丝。

3 结论

针对目前缺少鸟类起飞或降落时对支撑物作用力的研究，本文设计了鸟类起飞或降落时对支撑物作用力的试验装置，进行家鸽在起飞和降落时对支撑物的作用力研究。研究结果表明，家鸽在起飞时对支撑物的作用力呈正态分布，在降落时对支撑物的作用力呈对数正态分布，家鸽起飞和降落时对支撑物的作用力99%在鸟类自身体重的4.6倍和3.8倍以内。

根据防鸟刺针刺直径，对常用的几种针刺材料进行了试验，根据试验结果，建议防鸟刺长刺采用2.2mm直径的65#钢丝，中刺选用1.5mm直径的65#钢丝，短刺选用1.5mm直径的55#钢丝，可在确保可靠性的前提下实现价格最优。本文给出的鸟类起飞或降落时对支撑物作用力的研究方法，可为相关研究提供参考。

本工作成果发表在2023年第4期《电气技术》，论文标题为“防鸟刺针刺长度选择方法”，作者为张传民、张东。

中国电工技术学会

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