管母液壓預拱儀的設計與研究

劉克毅，周希懷，邢文海，楊新杰，牛 強

（1.新疆工程學院，烏魯木齊 830023；2.新疆送變電有限公司，烏魯木齊 830001）

0 引言

隨著社會經濟的快速發(fā)展，社會用電量持續(xù)增長，新疆超高壓輸電及特高壓輸電的建設得到了迅猛發(fā)展。高等級電壓輸變電的建設對母線導電性、安全性提出了更高要求[1]。管型母線（管母）因具有肌膚效應小、載流量大的特點得到了廣泛應用[2]，其作為變電站運行中重要的連接導體，對保證輸變電系統(tǒng)的可靠、安全運行具有重要的作用。新疆準北750kV變電站項目使用的是6063G-T6-Φ250/230型鋁鎂合金管型母線，長度約為22m，管母由于跨度大、自身重力大和風力等環(huán)境原因，在使用過程中會產生下墜現象（如圖1所示），導致向下弧形形變，嚴重影響安裝質量、降低導電性能和輸電線路安全，存在安全隱患[3]。

圖1 管母下墜示意圖

《國家電網公司輸變電工程標準工藝 工藝標準庫2011版》要求將大口徑、大跨距支持式管型母線撓度控制在0.4D以下，其中在管母安裝前通過預拱處理，然后采用反弧垂安裝工藝是有效解決此問題的重要措施。目前的預拱工藝多采用人工控制手拉葫蘆或者液壓缸進行，存在預拱參數控制不精準、預拱質量不高、人員成本高、工作效率低等缺點。文獻[1]提出基于計算機雙目視覺測量體系的測量方法，實現對管母撓度的實時監(jiān)測。文獻[4]提出了采用手拉葫蘆牽引的方式進行管母預拱。文獻[5]提出了利用液壓千斤頂進行管母預拱的工藝。上述方法實現了對管母撓度測量和管母預拱的工藝，但預拱參數的精確控制和預拱過程的自動控制對預拱質量和預拱成本有著非常大的影響。在液壓系統(tǒng)設計與研究方面，目前有較多的研究成果：文獻[6]探討了通過伺服比例方向閥、比例壓力閥等可實現高精度、高生產效率、易操作的應用；文獻[7]介紹了超長大折彎機液壓系統(tǒng)的工作原理和參數計算方法，并提出充液閥采用近端控制的方案，解決遠端控制的不穩(wěn)定性的問題。在控制系統(tǒng)的設計與研究方面：文獻[8]提出了PLC結合組態(tài)軟件實現對生產線設備自動控制的設計；文獻[9]提出了利用組態(tài)王軟件+PLC模式設計機械手臂自動控制裝置，該設計操作方便、使用安全、效率高，克服了人工勞動強度大、精確度不高缺點，可以較好的滿足現場的生產自動化要求。然而，針對高等級電壓管母進行預拱的自動化處理儀器，目前還極少見到。

本文提出了一種高效自動控制液壓預拱儀的設計原理。根據設計自動化液壓預拱儀來實現高等級電壓管母的預拱。本系統(tǒng)通過完善液壓系統(tǒng)，提高其工作的安全性和可靠性，通過傳感器、PLC和計算機精確測量、控制預拱矢量、液壓缸的偏轉角度等參數，實現管母的高效預拱，提高工作效率，同時減少工作人員數量，提高工作安全性。

1 管母預拱儀基本原理

管母預拱儀以液壓系統(tǒng)為基礎，按照設定參數通過液壓缸的推力完成管母的預拱工作，同時通過傳感器實時測量相應參數，最終通過PLC和組態(tài)軟件實現系統(tǒng)控制，本設計可實現手動和自動控制兩種模式。預拱儀的設計參數以管母預拱時的最大撓度基礎，通過預拱量計算液壓缸的推力，從而計算液壓油的壓強和溢流閥的設定壓力。預拱儀根據功能主要分為液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分。

2 相關參數確定

根據大跨度管母的安裝使用要求，撓度需控制在0.4D以下，需要通過管母在受自然重力作用下撓度的計算確定預拱的變形量，進而確定液壓缸的受力情況。

2.1 管母的基本參數

結合變電站電壓等級、支架距離等參數，選用合適的管母，其基本參數如下所示：

管母型號：6063G-T6-Φ250/230；

長度：L =22m；

密度：ρ=2700kg/m3；

彈性模量：E=6.9×1010N/m2；

管母外徑：D1=250mm。

2.2 管母撓度計算[10]

管母在工作過程中兩端受力支撐，可看成兩端簡支的簡支梁，在自身重力作用下受到均布載荷作用。根據材料的力學理論，慣性矩可表示為：

其中α為管母的內外徑之比，通過式(1)計算管型母線對其形心軸的慣性矩。

該簡支梁中心點最大撓度表示為：

其中Q為管母單位長度的重量，將慣性矩I代入式(2)，當管母只受重力作用時，帶入管母參數計算得到，其自然下垂的最大撓度為：ωc=0.1622m。

2.3 管母預拱儀基本參數

預拱儀對管母預拱過程中，當管母中心處的最大撓度ω為800mm，保持2.5h～3h的情況下，可以獲得180mm～190mm的最大撓度塑性變形，該塑性變形滿足管母的安裝、工作需求。以此為基礎計算液壓缸的受力和壓強。

撓度公式可表示為：

其中c、d為積分常數，依據目標撓度通過式(3)計算出預拱時管母的彎矩。

把式(4)代入彎矩，推算出達到目標撓度時中位液壓缸的推力F。

A為液壓缸的有效受力面積，根據式(5)推算出液壓系統(tǒng)的工作壓強P。

代入管母參數，最終計算得知達到預拱目標時液壓缸推力為F=25535N，液壓系統(tǒng)工作壓強為P=3.25MPa。

2.4 利用ANSYS軟件對預拱過程進行模擬

根據6063G-T6-Φ250/230型管母按照1:1比例建立模型，固定支點的間距為17.8m，劃分網格并模擬結果如圖2所示：當中位液壓缸推力為24900N時，管母中間位置形變位移為801.36mm，與理論計算基本相符。為保證足夠的液壓力，后期參數計算、系統(tǒng)設計時最大推力以25535N為基準。

圖2 管母變形圖（F=24900N）

3 機械系統(tǒng)設計

機械系統(tǒng)主要由機架、夾具、液壓系統(tǒng)、傳感器等裝置組成（如圖3所示），管母通過兩端的固定夾具固定，液壓缸伸出時通過夾具夾具推動管母變形，完成預拱工作，傳感器用來實時測量液壓缸的伸出量和液壓缸的偏轉角度，機架的具體尺寸為20m（長）×2.2m（寬）×0.8m（高）。

3.1 機架安裝

機架以槽鋼、角鋼焊接而成，下部安裝轉向輪，便于方向和位置的調整。作為所有元器件的安裝載體，機架在預拱時承受液壓缸和管母的巨大推力，需滿足強度和剛度要求，同時為便于該設備的運輸、安裝、調試等，元器件均采用可拆卸式安裝。由于該設備體積較大，為保證管母的預拱質量，安裝時需做“找平”、“對正”處理，保證豎直方向的安裝誤差小于5mm，水平方向安裝誤差小于10mm。

圖3 液壓預拱儀樣機

3.2 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是預拱儀的主要工作部件，通過液壓缸的動作完成預拱工序，具有易實現自動控制、自動過載保護等特點（液壓系統(tǒng)原理圖如圖4所示）。

圖4 預拱儀液壓系統(tǒng)原理圖

液壓系統(tǒng)主要由液壓泵、控制閥、液壓缸組成。液壓泵1是系統(tǒng)的動力元件，提供符合預拱要求的壓力和流量；溢流閥2是系統(tǒng)的安全裝置，避免系統(tǒng)在誤操作或出現故障時由于壓力超出額定值造成儀器損壞或安全事故，根據理論計算及實際經驗，該閥在滿足預拱壓力要求的前提下，還需考慮壓力的波動，設定壓力值調整為4Mpa，當系統(tǒng)壓力超過4MPa時，溢流閥打開，高壓油經溢流閥流回油箱，避免系統(tǒng)壓力的進一步升高，起到安全保護作用；換向閥3采用M型三位四通電磁換向閥，電磁控制滿足自動控制需要，中位時泵可以卸荷、液壓缸雙向鎖緊，一定程度上實現節(jié)能、保壓的作用；利用液控單向閥4反向密封性能好的特點，實現保壓階段液壓缸伸出量保持不變，進一步減小管母形變誤差，保證預拱質量。

液壓缸的伸出量通過拉繩式位移傳感器進行測量，精度為0.1mm、相應頻率100kHz，最大拉線速度1000mm/s，實施液壓缸伸出量的實時測量，提高測量精度，進一步降低傳統(tǒng)的人工測量誤差，減輕人員測量工作量。

側位液壓缸的角度調整通過轉角電機（5LB20GU-7-120W）實現，該電機最大推力超過1000N，滿足工作需求。轉角電機通過U形螺栓固定在液壓缸的下部（如圖2所示），利用齒條和電機的相對運動實現液壓缸的平穩(wěn)轉向。轉向角度通過安裝在液壓缸回轉中心的角度傳感器（WDD35D-45K）進行實時測量，其獨立線性精度可達±0.1%，進一步確保液壓缸偏轉角度的精準性。

4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是實現管母預拱儀自動控制的核心部分，通過組態(tài)軟件和PLC實現預拱任務的參數設定和動作控制，精確控制液壓缸的角度和位移量，同時利用組態(tài)界面可方便、精確的調整預拱參數，以實現不同管母預拱的參數設計要求，進一步保證管母預拱形變的一致性，保證預拱質量。

1）預拱儀控制系統(tǒng)上位機采用組態(tài)控制，下位機采用PLC控制，設計為手動和自動兩種控制模式以滿足不同的工作需求。其中手動模式是操作人員通過組態(tài)界面或設備本地控制器控制液壓缸的角度調整和伸縮動作，需通過操作人員觀察界面的參數變化進行參數調整；自動模式根據預先通過組態(tài)軟件設定液壓缸的伸出量、角度和預拱時間等參數，系統(tǒng)將自動按照設定參數及液壓缸的動作順序完成預拱任務，達到保壓時間后發(fā)出警報，工作人員確定后，液壓缸自動回到初始位置，預拱過程結束（控制流程如圖5所示）。

2）控制系統(tǒng)控制操作界面（如圖6所示），在界面上設置位移和角度目標、保壓時間，控制液壓泵、預拱動作的啟停等操作。

圖5 預拱儀控制流程圖

圖6 組態(tài)控制界面

管母液壓預拱儀控制系統(tǒng)操作界面通過組態(tài)軟件開發(fā)，通過該界面實現以下管母預拱儀的主要控制功能。

1）通過該系統(tǒng)可選擇液壓缸順序動作或者同時動作，根據預拱經驗：液壓缸順序動作時管母穩(wěn)定性較好、預拱質量較好，所以本系統(tǒng)默認為液壓缸順序動作。

2）通過界面操作可控制液壓泵的啟停和是否啟動預拱動作，預拱動作通過控制方向控制閥的通斷電實現；換向閥右位電磁鐵通電時，液壓缸伸出，啟動預拱操作，當左位電磁鐵通電時，液壓缸縮回，預拱動作結束。

3）通過界面可設定液壓缸的軸向目標位移并實施顯示軸向位移。預拱動作開始后，在液壓缸伸出動作時，位移傳感器將測量到的數據實時傳遞給控制系統(tǒng)，并在控制界面實時顯示，當軸向位移達到設定目標后，系統(tǒng)將斷電信號發(fā)送給換向閥，電磁鐵斷電，預拱系統(tǒng)進入保壓狀態(tài)，液壓泵進入卸荷狀態(tài)。

4）根據實際需要設定保壓時間，為保證工作人員和相關設備的安全，當達到保壓的目標時間后，系統(tǒng)發(fā)出音響警報，提醒工作人員預拱動作結束，在工作人員確定后液壓系統(tǒng)啟動，液壓缸退回，當液壓缸全部退回，距離顯示為0時，系統(tǒng)斷電，該次預拱工作全部結束。

5 結論

本研究通過機械設計、組態(tài)軟件、PLC、液壓系統(tǒng)的設計開發(fā)來設計管母預拱儀，通過設計及理論計算，預制管母達到了相關技術要求和安全操作要求，不同管母預拱后的塑性形變差異小于2mm，滿足了管型母線的預拱需求，進一步保證了預拱質量。該管母預拱儀在實際現場應用將大量的節(jié)約人力資源，預拱工作過程中工作人員由8人減少為3人，降低了施工成本。