自提升型跨越架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)起吊裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用

閻 萌，孫章領(lǐng)，張湘潭，羅本壁，吳昊亭

(1.河北省送變電公司，石家莊 050051；2.國家電網(wǎng)公司交流建設(shè)分公司，北京 100005)

自提升型跨越架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)起吊裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用

閻 萌1，孫章領(lǐng)1，張湘潭1，羅本壁2，吳昊亭2

(1.河北省送變電公司，石家莊 050051；2.國家電網(wǎng)公司交流建設(shè)分公司，北京 100005)

特高壓輸電線路建設(shè)中組合格構(gòu)式跨越架的組裝中需要一種輕型化的起吊裝置，為滿足該需求，提出一種自提升型跨越架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)起吊裝置，該裝置以鋼管為主體，通過頭部旋轉(zhuǎn)帽對(duì)格構(gòu)架的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)進(jìn)行起吊，并通過便攜式牽引葫蘆進(jìn)行自提升，經(jīng)過現(xiàn)場反饋，裝置存在質(zhì)量較大以及卡具安裝不方便的問題，通過改變主體材質(zhì)以減輕其質(zhì)量，同時(shí)對(duì)其中的卡具進(jìn)行改進(jìn)，方便操作人員安裝。

特高壓輸電線路；跨越架；起吊；自提升

特高壓輸電線路建設(shè)中經(jīng)常需要跨越高速鐵路、電氣化鐵路和重要電力線路[1-5]。其中的組合格構(gòu)式跨越架，是由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)六通連接件組裝而成，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)及組裝成型的架體見圖1所示。當(dāng)遇有山區(qū)、河網(wǎng)等特殊地形或鐵路管理部門有特殊要求，而不具備起重機(jī)吊裝作業(yè)條件時(shí)[4]，需要一種輕型化的起吊裝置對(duì)跨越架進(jìn)行組裝。為滿足這種需求，研發(fā)出一種自提升型跨越架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)起吊裝置。

1 需求分析

跨越架使用的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)為角鋼鋼板焊接而成的空間桁架，其規(guī)格以截面尺寸劃分。在該跨越架立柱的主要規(guī)格有500 mm、600 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm，其中500 mm、600 mm、800 mm規(guī)格多用作橫梁，而作為立柱的是800 mm及以上規(guī)格。其相應(yīng)規(guī)格長度及質(zhì)量見表1。在吊裝中立柱時(shí)為單節(jié)吊裝，吊裝橫梁時(shí)同時(shí)使用2個(gè)起吊裝置整體吊裝。在橫梁最長值12 m時(shí)，由4個(gè)800 mm×3 m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組裝時(shí)最重，質(zhì)量為896 kg?？紤]到不平衡載荷系數(shù)k1=1.1以及動(dòng)載荷系數(shù)k2=1.1，以及吊裝設(shè)備的整體安全系數(shù)1.4，單個(gè)起吊裝置的載荷應(yīng)大于759 kg。

圖1 組合格構(gòu)式跨越架及其標(biāo)準(zhǔn)節(jié)示意圖

表1 不同規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)節(jié)質(zhì)量表

長度500mm600mm800mm900mm1000mm2m84kg100kg149kg194kg240kg3m126kg150kg224kgN/AN/A4m168kg200kgN/AN/AN/A

2 裝置設(shè)計(jì)

裝置的設(shè)計(jì)思路為：使用1根較長的無縫鋼管作為起吊裝置主體，將無縫管的根部通過卡具固定在已經(jīng)組立的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上，然后在其頂端設(shè)置一可繞無縫管旋轉(zhuǎn)的起吊橫臂?？紤]到起吊抱桿節(jié)的最大高度為4 m，固定端長度為 1 m，因此主體高度設(shè)計(jì)為5.5 m。起吊橫臂長度應(yīng)以最大的1 000 mm截面標(biāo)準(zhǔn)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，1 000 mm標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的半對(duì)角線長為707 mm，加上抱桿主體的半徑60 mm，起吊橫臂長度應(yīng)大于767 mm。為保持起吊物與桿體的間隙，將此參數(shù)設(shè)定為850 mm，即荷載力臂為850 mm，同時(shí)已知起吊裝置的荷載為800 kg，可由此確定主桿的截面尺寸，經(jīng)計(jì)算，主桿可使用φ121 mm×7 mm熱軋無縫管鋼管為主體。起吊裝置總體設(shè)計(jì)如圖2所示。起吊裝置的鋼管上按裝可在鋼管上自由轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)帽，在其上裝有起吊鋼輪和轉(zhuǎn)向鋼輪，下端負(fù)有重物的鋼絲繩通過起吊鋼輪引至轉(zhuǎn)向鋼輪，在轉(zhuǎn)向后穿入旋轉(zhuǎn)帽和鋼管，從鋼管下部穿出引出至牽引絞磨。

圖2 提升裝置總體設(shè)計(jì)

裝置的固定卡具設(shè)計(jì)為一端為角鋼卡具，另一端為圓管抱箍。為方便裝拆，將圓管抱箍部分設(shè)計(jì)為2個(gè)半圓管的形式。同時(shí)，如圖3所示，由于起吊裝置在起吊過程中徑向支反力方向隨著旋轉(zhuǎn)帽的方向改變，變化范圍如圖所示，當(dāng)受力方向?yàn)閳D3中箭頭位置時(shí)，將在圓箍和卡具連接處產(chǎn)生較大彎矩，而此處該方向的抗彎截面模量較小，因此在卡具和半圓箍上增加連接耳(圖中紅色部分)，使該處截面變?yōu)镃型截面，以提高其抗彎截面模量。

圖3 固定卡具設(shè)計(jì)

起吊裝置自提升功能的實(shí)現(xiàn)是依靠其底部的電動(dòng)葫蘆。圖4為自提升過程示意圖。在自提升過程前，先安裝上下提升腰環(huán)至已經(jīng)組立的抱桿上，并保持其間距大于800 mm。安裝電動(dòng)葫蘆于裝置的底部，并將電動(dòng)葫蘆的牽引掛鉤掛于上提升腰環(huán)的掛孔內(nèi)，之后將電動(dòng)葫蘆的固定掛鉤掛于提升裝置下部提升抱箍的吊環(huán)螺絲上，之后調(diào)整就位提升抱箍上的吊環(huán)螺絲，完成后，收緊電動(dòng)葫蘆的鋼絲繩，使其承受裝置自提升部分的質(zhì)量，在此之后，拆卸固定卡具。在固定卡具拆卸完成后，通過電動(dòng)葫蘆對(duì)鋼絲繩的收緊，提升起吊裝置就位。在起吊裝置就位后，安裝固定卡具，在固定卡具上緊后拆除上提升腰環(huán)、下提升腰環(huán)和電動(dòng)葫蘆。此時(shí)可繼續(xù)進(jìn)行起吊作業(yè)。其中，起吊裝置自提升部分質(zhì)量為150 kg，最大提升距離為4.5 m，電動(dòng)葫蘆選擇額定載荷500 kg，繩長6 m的ATQ-04型號(hào)。

圖4 裝置自提升示意

3 裝置改進(jìn)

經(jīng)過現(xiàn)場使用反應(yīng)，起吊裝置有以下問題：首先由于自提升部分自重較大，不方便使用；其次固定卡具和提升腰環(huán)的安裝過于繁瑣。

針對(duì)自重較大的問題，采取將裝置的自提升部分(即旋轉(zhuǎn)帽部分以及主桿)改變材料的方式減重，將熱軋鋼板(管)改為鋁合金板(管)。對(duì)改換材料后的裝置進(jìn)行校核。受力示意見圖5。

圖5 受力示意圖及彎矩圖

最大彎矩

M=P×L=8 000 N×850 mm=6 800 000 N·mm

抗彎截面模量

最大彎曲應(yīng)力

鋁合金桿壓桿穩(wěn)定計(jì)算(外徑121 mm，壁厚7 mm)

因此采用用歐拉公式計(jì)算

軸向力帶來的應(yīng)力

將模型導(dǎo)入ABAQUS有限元軟件進(jìn)行分析，采用C3D10(10節(jié)點(diǎn)二次四面體單元10-node quadratic tetrahedron)劃分網(wǎng)格，在旋轉(zhuǎn)帽處的螺栓孔處施加平行于z軸的-8 000 N集中力荷載，限制固定卡具處主桿的全部自由度。計(jì)算出Von Mises應(yīng)力云圖如圖6所示(截取抱桿頭部)，類似的，可以得到，受力最大處在旋轉(zhuǎn)帽根部的主桿外緣處，此處應(yīng)力為126.9 MPa。因此，如將主桿更換為鋁合金，則不能滿足壓桿穩(wěn)定校核[6]。

圖6 Von Mises應(yīng)力云圖(截取端部)

通過上述計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，裝置的主要應(yīng)力由彎曲引起(其產(chǎn)生的應(yīng)力約為100 MPa)，其軸向壓力產(chǎn)生的應(yīng)力(僅為3.2 MPa)非常小。為減小主桿的應(yīng)力，在裝置的起吊側(cè)的對(duì)側(cè)設(shè)置了平衡該力矩的預(yù)應(yīng)力桿，其力臂與起吊側(cè)等長，其中結(jié)構(gòu)為圓型截面的上拉桿以及H型截面的下壓桿，如圖7所示。通過該力臂平衡起吊裝置桿體所受的彎矩，適當(dāng)調(diào)整預(yù)緊桿使主桿只受軸向壓力，此時(shí)彎矩消除，軸向力增大為原來的2倍，增大至6.4 MPa，但仍遠(yuǎn)小于臨界應(yīng)力13.6 MPa。

圖7 力矩平衡裝置

新增拉線上端固定于旋轉(zhuǎn)帽，下端點(diǎn)應(yīng)在固定起吊裝置根部，此受力點(diǎn)應(yīng)可繞主桿轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)考慮到其固定位置，此處結(jié)構(gòu)將受傾覆力矩，而普通的滾動(dòng)體軸承必須成對(duì)使用才能承載傾覆力矩，為保持結(jié)構(gòu)簡潔，并減小質(zhì)量，在此處選擇安裝四點(diǎn)接觸回轉(zhuǎn)支撐。此時(shí)主桿及旋轉(zhuǎn)帽均可采用鋁合金材料。裝置自提升部分的質(zhì)量將由原來的150 kg降低為80 kg，總重由190 kg降低為120 kg。 同時(shí)，原設(shè)計(jì)在使用中，發(fā)現(xiàn)其固定卡具的安裝就位困難。為簡化固定卡具的安裝就位，將抱桿的固定卡具從原來的分體式設(shè)計(jì)改為一體式設(shè)計(jì)，并減少一組固定螺絲，改進(jìn)前后如圖8所示。改進(jìn)后，在固定卡具操作中，由安裝13條螺絲，變?yōu)榘惭b6條螺絲。同時(shí)，卡具的開啟形式改為了合頁式，在安裝過程中抱桿主體更容易對(duì)中，方便使用人員的操作。

圖8 固定卡具改進(jìn)

針對(duì)自提升過程中腰環(huán)安裝就位困難的問題，如圖9所示將原設(shè)計(jì)中的上提升腰環(huán)與下提升腰環(huán)的不同形式改為統(tǒng)一形式。在提升過程中，只打開和拆除輥?zhàn)硬糠?，腰環(huán)與抱桿主材連接的部分在使用完后不拆除，在抱桿下降的過程中可以繼續(xù)使用腰環(huán)與抱桿主材連接部分。

4 結(jié)束語

自提升起吊裝置可以滿足特高壓輸電線路建設(shè)中組合格構(gòu)式跨越架的組裝需求。在場地限制，難以使用吊車等大型起吊設(shè)備時(shí)，可以使用本裝置作為替代。通過現(xiàn)場使用反饋，對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化其受力形式，以此將原有以熱軋鋼板(管)為主的材質(zhì)改為鋁合金材質(zhì)，極大的減輕了自提升部分的質(zhì)量，使該裝置在施工現(xiàn)場的使用更加方便。同時(shí)，對(duì)其固定卡具和提升腰環(huán)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，減少操作人員的工作量，縮短起吊-提升循環(huán)工步，提高本裝置在實(shí)際應(yīng)用中的效率。

圖9 提升腰環(huán)改進(jìn)

[1] 李 翔,趙全文,劉文勛. 1 000 kV特高壓交流大跨越線路設(shè)計(jì)[J].高壓電技術(shù),2010,36(1):265-269.

[2] 胡守松,李 健,馬 凌. ±1 100 kV特高壓直流輸電線路對(duì)地及交叉跨越距離[J].電力建設(shè),2012,33(10):25-28.

[3] 沈 洋,趙增林.特高壓交流輸電線路跨越高速公路施工安全技術(shù)研究[J].公路交通科技,2014(5):332-335.

[4] 李百根.特高壓直流輸電線路交叉跨越施工方法 [J]. 廣東科技,2014,6:49-50.

[5] 尹俊松.±800 kV特高壓直流輸電線路跨越高鐵架線施工技術(shù)[J].低碳世界,2016(5):18-19.

[6] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2004.

本文責(zé)任編輯：齊勝濤

Design and Application of Self-lifting Device for Standard Block Hoisting in Crossing Frame Assemble

Yan Meng1,Sun Zhangling1,Zhang Xiangtan1,Luo Benbi2,Wu Haoting2

(1.Hebei Electric Power Transmission and Transformation Company,Shijiazhuang 050051,China; 2.State Grid Electric Power Corporation AC Power Line Construction Branch,Beijing 100005, China)

In ultra-high voltage power line construction, the crossings quantity with express ways, railways and other power lines kept growing,in those crossings,assembly lattice frame need to be built. In this process, a light weight hoisting device is need. Therefore,we develop a type of self-lifting hoisting device for this occasion. Main body of this device is a hot-rolled steel tube, then, hoisting the lattice standard block is by the rotating head. The self-lifting function is achieved by portable winch. With the feedback from the field, we reduced the self-lifting mass of this device by changing the hot-rolled steel tube to aluminum alloy tube, we also modified the jig, to make the device more handy and compact.

ultra-high voltage power line;crossing frame;hoisting;self-lifting

TM754

：B

：1001-9898(2017)04-0046-04

2017-03-09

閻 萌(1989-),男，工程師，主要從事輸電線路相關(guān)技術(shù)工作。