輸電線路施工用牽引設(shè)備高海拔地區(qū)性能試驗(yàn)研究

夏擁軍，趙 飛，張榮旺，藍(lán)健均

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；2.國(guó)家電網(wǎng)公司西南分部，四川 成都 610094）

1 引言

我國(guó)地勢(shì)復(fù)雜，高原地區(qū)占我國(guó)國(guó)土面積60%以上，高海拔地區(qū)存在低溫、低壓、風(fēng)沙大等惡劣氣候條件，對(duì)施工機(jī)械的機(jī)械效率和經(jīng)濟(jì)性有較大影響[1]。我國(guó)近年開展的青藏直流聯(lián)網(wǎng)、川藏交流聯(lián)網(wǎng)、藏中聯(lián)網(wǎng)等500kV電壓等級(jí)輸電線路工程，逐漸成為青藏高原地區(qū)電網(wǎng)的骨干網(wǎng)絡(luò)。以上工程建設(shè)投產(chǎn)將為西藏地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展起到戰(zhàn)略保障和促進(jìn)作用[2]。工程建設(shè)量的增加和西藏地區(qū)特殊的施工環(huán)境使工程建設(shè)人員對(duì)機(jī)械設(shè)備依賴性更強(qiáng)[3]。工程建設(shè)中，我國(guó)輸變電企業(yè)及施工設(shè)備生產(chǎn)商對(duì)施工設(shè)備的高原適應(yīng)性開展了大量的研究分析，得出高原環(huán)境對(duì)施工設(shè)備的影響主要有：（1）柴油機(jī)進(jìn)氣量減少，牽引力性能下降嚴(yán)重；（2）低溫使機(jī)油粘度、摩擦阻力增大，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難；（3）風(fēng)沙易堵塞濾清器，進(jìn)一步導(dǎo)致進(jìn)氣量減少，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降[4～7]。但并未給出高海拔地區(qū)牽引設(shè)備輸出功率及油耗變化規(guī)律。本研究針對(duì)輸電線路施工常用牽引設(shè)備開展性能試驗(yàn)研究，總結(jié)牽引設(shè)備輸出功率及油耗關(guān)于海拔高度的變化規(guī)律，為高海拔地區(qū)輸電線路施工提供了牽引設(shè)備選型依據(jù)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)原理

輸電線路施工作業(yè)中常用牽引設(shè)備主要為牽引機(jī)和機(jī)動(dòng)絞磨。工作原理均為通過鋼絲繩纏繞牽引設(shè)備摩擦卷筒產(chǎn)生的摩擦提供牽引動(dòng)力。設(shè)備輸出功率可通過設(shè)備的牽引速度與牽引力計(jì)算。假設(shè)牽引設(shè)備卷筒處于靜止?fàn)顟B(tài)，卷筒受力情況，如圖1所示。

圖1 雙摩擦卷筒的受力分析圖Fig.1 The Force Analysis of a Double Friction Drum

設(shè)備油耗可通過測(cè)量試驗(yàn)工況下燃油消耗量，計(jì)算得到單位時(shí)間耗油量與單位千瓦時(shí)耗油量。

功率計(jì)算的典型公式為：

式中：Px—輸出功率，kW；

T—輸出扭矩，N·m；

n—轉(zhuǎn)速，r/min。

對(duì)牽引機(jī)、機(jī)動(dòng)絞磨，有：

式中：D—滾筒直徑，m；

d—鋼絲繩直徑，m；

P1—鋼絲繩出線張力，N；

P2—鋼絲繩尾繩張力，N。

當(dāng)鋼絲繩在卷筒上包絡(luò)角α足夠小時(shí)，可認(rèn)為，則有：

設(shè)dp為某一段鋼絲繩dl在牽引力P1作用在相應(yīng)卷筒表面的壓應(yīng)力，則：

式中：μ—鋼絲繩與卷筒的摩擦系數(shù)；

將上式變換積分后可得：

將式（2）、式（5）帶入式（1）可得：

式中：P1—出線鋼絲繩張力，N；

v—放線速度，m/s。

2.2 試驗(yàn)樣品

選取高海拔地區(qū)500kV 輸電線路工程中應(yīng)用較為普遍的SA-QY-250型牽引機(jī)與CJM·5型機(jī)動(dòng)絞磨為本次試驗(yàn)樣品，樣品信息，如表1所示。

表1 試驗(yàn)樣品表Tab.1 Test Sample Table

2.3 試驗(yàn)場(chǎng)地

試驗(yàn)依托藏中聯(lián)網(wǎng)工程開展，選取試驗(yàn)條件較好，高度具有代表性的5處施工材料站作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)[8]；選取樣品產(chǎn)地作為對(duì)照，共計(jì)6組試驗(yàn)高度。試驗(yàn)場(chǎng)地情況，如表2所示。

表2 試驗(yàn)場(chǎng)地表Tab.2 Test Site Table

2.4 試驗(yàn)工況

牽引機(jī)試驗(yàn)樣品動(dòng)力源為增壓式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，為保證渦輪增壓器低速不喘振，高速不超速[9]，本次試驗(yàn)載荷分別選取牽引機(jī)、機(jī)動(dòng)絞磨額定載荷的60%及70%，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速選取樣品發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩最高的轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)工況，如表3所示。

表3 試驗(yàn)工況表Tab.3 Test Condition Table

2.5 現(xiàn)場(chǎng)布置

現(xiàn)場(chǎng)布置，如圖2、圖3所示，試驗(yàn)樣品與提供穩(wěn)定載荷的輔助裝置對(duì)拉。通過測(cè)速傳感器與無線拉力傳感器測(cè)量對(duì)拉鋼絲繩的拉力與速度。以流量計(jì)采集試驗(yàn)過程中耗油量。

圖2 機(jī)動(dòng)絞磨能效試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Energy Efficiency Test for Powered Winch

圖3 機(jī)動(dòng)絞磨能效試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.3 Scene Photo of Energy Efficiency Test for Powered Winch

3 試驗(yàn)結(jié)果

以機(jī)動(dòng)絞磨海拔高度3740m，試驗(yàn)載荷35kN 工況為例，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制為張力-時(shí)間曲線與速度-時(shí)間曲線，如圖4所示。

圖4 海拔3740m機(jī)動(dòng)絞磨35kN載荷數(shù)據(jù)曲線Fig.4 35kN Working Condition Data Curve of Powered Winch at Altitude 3740m

取兩曲線較為平穩(wěn)的（40～60）s時(shí)間段為試驗(yàn)有效數(shù)據(jù)，將有效數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，可得功率-時(shí)間曲線，如圖5所示。有效時(shí)間段內(nèi)的功率取平均值即為本工況有效輸出功率[10]。

圖5 有效時(shí)間段功率時(shí)程曲線Fig.5 Power-time Curve in Effective Time Period

3.1 輸出功率

對(duì)試驗(yàn)樣品的60%、70%額定載荷情況下的有效輸出功率取平均值可得輸出功率表，如表4、表5所示。

表4 牽引機(jī)有效輸出功率表Tab.4 Summary Table of Effective Output Power of Pullers

表5 機(jī)動(dòng)絞磨有效輸出功率表Tab.5 Summary Table of Effective Output Power of Powered Winch

3.2 油耗

對(duì)試驗(yàn)樣品的60%、70%額定載荷情況下的油耗取平均值可得油耗表，如表6、表7所示。

表6 牽引機(jī)油耗表Tab.6 Summary Table of Fuel Consumption of Pullers

表7 機(jī)動(dòng)絞磨油耗表Tab.7 Summary Table of Fuel Consumption of Powered Winch

4 結(jié)果分析

將牽引設(shè)備高海拔處輸出功率、油耗與平原地區(qū)進(jìn)行比較可得牽引設(shè)備輸出功率降幅表，如表8所示。及油耗增量表，如表9所示。

表8 牽引設(shè)備輸出功率降幅表Tab.8 Output Power Efficiency Scale Table of Traction Equipment

表9 牽引設(shè)備油耗增量表Tab.9 Fuel Consumption Increment Table of Traction Equipment

從牽引設(shè)備輸出功率降幅-海拔高度曲線中可以看出牽引設(shè)備輸出功率隨海拔高度升高而降低，如圖6所示。試驗(yàn)海拔高度達(dá)到4990m 時(shí)，牽引機(jī)功率降效19.12%，機(jī)動(dòng)絞磨功率降效35.11%。牽引機(jī)用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)因配備渦輪增壓裝置，可緩解高海拔地區(qū)低氧環(huán)境造成的發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比降低問題，燃燒環(huán)境得以改善；且牽引機(jī)功率設(shè)計(jì)余量較大，故功率降幅較小；海拔超過4000m時(shí)，增壓器發(fā)生超速[11]，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒情況繼續(xù)惡化，功率降幅曲線斜率增大。

圖6 牽引設(shè)備性能-海拔曲線圖Fig.6 The Performance-Altitude Curve of Traction Equipment

牽引設(shè)備油耗隨海拔高度升高而升高，試驗(yàn)海拔高度達(dá)到4990m時(shí)，牽引機(jī)油耗增加29.20%，機(jī)動(dòng)絞磨油耗增加89.27%。因高海拔造成發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量減少，柴油燃燒不充分，著火延遲，后燃現(xiàn)象嚴(yán)重，造成燃燒效率下降，油耗隨之增加。牽引機(jī)因渦輪增壓器可增加發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，油耗增量小于機(jī)動(dòng)絞磨。海拔4500m以上時(shí)，機(jī)動(dòng)絞磨因空氣密度降低，燃燒情況惡化，造成發(fā)動(dòng)機(jī)積碳，機(jī)油失效，潤(rùn)滑性能降低，油耗急劇升高。

5 結(jié)論

（1）高原環(huán)境下，輸電線路施工用牽引設(shè)備輸出功率顯著下降，為滿足施工需求，高海拔地區(qū)施工可選用功率余量較大的設(shè)備，補(bǔ)償功率降效。重要設(shè)備施工前應(yīng)進(jìn)行高海拔地區(qū)試驗(yàn)，確定降效幅度。

（2）渦輪增壓器可緩解高海拔地區(qū)低壓環(huán)境造成的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率降低問題，高海拔地區(qū)施工用牽引設(shè)備宜安裝高海拔地區(qū)專用增壓設(shè)備，提高設(shè)備有效輸出功率。

（3）高海拔地區(qū)輸電線路施工牽引設(shè)備應(yīng)調(diào)整供油系統(tǒng)供油量和供油提前角，提高燃燒室空燃比，改善柴油燃燒環(huán)境，降低排氣溫度，減少發(fā)動(dòng)機(jī)積碳，提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率，減少油耗及環(huán)境污染。