一種輸變電施工多功能導(dǎo)線牽引器研制*

張宏偉

(國網(wǎng)甘肅省電力公司 金昌供電公司，甘肅 金昌 737100)

0 引 言

輸變電工程施工中，線纜架設(shè)時需要利用鋼纜對線塔牽引固定，通常利用螺釘直接固定在塔身上[1]，需要作業(yè)人員精確確定塔身的錨點從而確定牽引方向，方向落后，安裝繁瑣，施工難度大。

筆者針對現(xiàn)有線塔牽引固定方式存在的問題，提出了一種多功能電動導(dǎo)線牽引器，借鑒施工塔吊工作原理，適應(yīng)不同牽引方向，可以根據(jù)工作需要組裝成不同的功能模塊組合或單獨使用，實用性強(qiáng)、攜帶方便、操作簡便。有效解決了輸變電線纜架設(shè)時，鋼纜牽引方向單一、安裝繁瑣、難度大等長期困擾施工的難點問題，可以廣泛應(yīng)用到各電壓等級輸變電工程和配電網(wǎng)線路施工。

1 設(shè)計與論證

輸變電工程施工中，常用的牽引方法主要有[2]：

(1) 定滑輪人工手拉繩子。主要是在傳遞體積小、重量輕的物品時采用。

(2) 動滑輪。主要是物品較重時采用。

(3) 機(jī)械絞磨。主要是人工無法傳遞物品時采用。

對某單位2019年1064次牽引方式進(jìn)行統(tǒng)計、分析情況，具體如下。

(1) 定滑輪人工牽引850次、占比79%，主要特點是作業(yè)人員體力消耗大，無法牽引重物。

(2) 動滑輪人工牽引120次、占比11.1%，主要特點是作業(yè)人員體力消耗小，需要高空作業(yè)人員攜帶兩組滑輪及牽引繩登塔。

(3) 定滑輪人工絞磨53次、占比4%，主要特點是作業(yè)人員體能消耗小，需要地面安裝絞磨，攜帶不方便。

(4) 動滑輪人工絞磨10次、占比0.9%，主要特點是作業(yè)人員體能消耗小，安裝繁瑣，高空作業(yè)人員工作量較大。

(5) 定滑輪機(jī)械絞磨26次、占比2.4%，主要特點是安裝繁瑣，不能適應(yīng)所有場所。

(6) 動滑輪機(jī)械絞磨5次、占比0.46%，主要特點是安裝繁瑣，不能適應(yīng)所有場所。

可以看出，定滑輪人工牽引、動滑輪人工牽引等方式需要多人配合，且無法牽引較重物品。其他方式雖然能牽引重物，但附屬設(shè)施較多，攜帶不便，且對使用場所要求較高[3]。如圖1所示。

圖1 常用牽引方式

對2015年～2019年各種繩索牽引方式進(jìn)行統(tǒng)計如表1所列，可以看出，定滑輪人工牽引的牽引重量最小，作業(yè)人員最少。定滑輪絞磨的牽引重量最大，但需要作業(yè)人員較多。

表1 各類牽引方式統(tǒng)計表

1.1 目標(biāo)與方案

經(jīng)過充分調(diào)查和分析，確定了研究目標(biāo)。

(1) 定性目標(biāo)。研制一種適應(yīng)性強(qiáng)、攜帶方便、動力強(qiáng)勁，能夠替代人工的電動牽引輔助作業(yè)工具，提升工作效率，減少作業(yè)人員。

(2) 定量目標(biāo)。將100 kg重物由地面垂直提升至30 m高處時，作業(yè)人員控制在3人以內(nèi)，時間控制在5 min以內(nèi)。降至地面時僅需1人，時間控制在2 min以內(nèi)。

根據(jù)上述目標(biāo)，提出了3個總體方案。如表2所列。

表2 方案設(shè)計表

1.2 分析與論證

對上述方案逐一分析、比較，并請一線工作人員結(jié)合工作經(jīng)驗和現(xiàn)場實際綜合評價，評價標(biāo)準(zhǔn)如下。

(1) 牽引至30 m高處的時間控制在1 min以內(nèi)。

(2) 作業(yè)人員按最小需量控制，200 kg重物牽引至10 m高處時，只需要2人。

(3) 成本費(fèi)用最低，總造價不超過3 000元，單體設(shè)備不超過1 500元。

(4) 總重量不超過10 kg，組裝不超過120 s。

各擬選方案分析論證如表3所列。

表3 擬選方案分析論證表

通過分析、論證，最終確定研制基于電動絞磨驅(qū)動的多功能牽引器。

1.3 評估與優(yōu)化

對擬選方案進(jìn)一步優(yōu)化，主要涉及驅(qū)動電機(jī)、動力電源、電機(jī)調(diào)速器及主體材料選擇等方面。

(1) 驅(qū)動電機(jī)選擇

驅(qū)動電機(jī)主要有直流渦輪蝸桿減速電機(jī)、直流齒輪減速電機(jī)、行星減速電機(jī)和諧波減速機(jī)等4種方式。按照轉(zhuǎn)速大于30 r/min、重量輕、造價低等標(biāo)準(zhǔn)遴選。如表4所示。

表4 驅(qū)動電機(jī)選擇對比表

同時，進(jìn)行牽引試驗，將100 kg重物牽引至15 m高處，記錄用時。

(2) 動力電源選擇

從電壓等級合理、充電速度快、使用壽命長、續(xù)航里程強(qiáng)勁、安全穩(wěn)定、價格適中及重量輕等方面選擇，主要有鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫蓄電池和鋰離子電池等4種。如表5所列。

表5 動力電源選擇對比表

續(xù)表5 動力電源選擇對比表

(3) 電機(jī)調(diào)速器選擇

為實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，選擇直流電機(jī)調(diào)速器。

按照電壓等級合理、最大電流≤30A及安全風(fēng)險低等標(biāo)準(zhǔn)選擇調(diào)速器方式，有有線調(diào)速和無線調(diào)速兩種。如表6所列。

表6 電機(jī)調(diào)速器選擇對比表

(4) 固定方式選擇

為適應(yīng)不同電壓等級和不同類型的桿塔，固定方式主要有卡具端子和線夾兩種方式。從機(jī)械強(qiáng)度、安全性及穩(wěn)固性等方面綜合評估。如表7所列。

表7 固定方式選擇對比表

(5) 主體支撐材料選擇

為減輕設(shè)備重量、提高安全性，從機(jī)械強(qiáng)度、成本費(fèi)用等方面選擇主體材料，主要有鐵質(zhì)和鈦合金材料兩種，對比分析如下。

鐵質(zhì)材料。重量15 kg，造價為100元，主要特點是加工制作方便，可塑性強(qiáng)，可以制作各種不同形狀，強(qiáng)度較低。20次模擬操作時，出現(xiàn)裂紋或變形。

鈦合金材質(zhì)。重量8 kg，造價為200元，可利用現(xiàn)成電力卡具絲桿制作，材質(zhì)強(qiáng)度較高。模擬20次操作未發(fā)生損壞或斷裂。因此，主體支撐材料擬選擇鈦合金材質(zhì)。

2 研究與制作

2.1 確定最佳方案

按照以上分析、論證，確定最佳制作方案，如圖2所示。

圖2 方案設(shè)計總框圖

2.2 制定計劃

根據(jù)5W1H原則，制定研制計劃表，如表8所列。

表8 研制實施計劃表

2.3 設(shè)計制作

(1) 動力部分 采用齒輪減速電機(jī)，如圖3所示。經(jīng)過試驗，扭矩符合要求，動能輸出穩(wěn)定持續(xù)，正、反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換靈敏，轉(zhuǎn)速正常。

圖3 動力部分加工制作圖

經(jīng)過模擬操作，穩(wěn)定輸出率達(dá)到100%，20次牽引操作，最大容許扭矩正常。如表9所列。

表9 電機(jī)最大容許扭矩試驗表

可以看出，此電機(jī)滿足不同條件下最大容許扭矩要求[4]，輸出穩(wěn)定，啟停反應(yīng)靈敏，可快速實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)切換。

(2) 動力電源 選用鋰離子電池組，外形尺寸為350 mm×270 mm×160 mm、標(biāo)準(zhǔn)電壓為24 V、額定容量為120 AH，重量<10 kg。

經(jīng)過試驗，電池組持續(xù)放電時間≥10 h，充電電流為10 A，滿足要求。

(3) 遙控裝置 設(shè)置直流無線遙控控制器，外形尺寸為160 mm×92 mm×43 mm、輸入電壓為12～30 V、額定電流為30 A、調(diào)速范圍為0～100%、pwm頻率為21 kHz、電位器阻值為100 k。

經(jīng)過試驗，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制正反轉(zhuǎn)及牽引雙速度，停止供電后可以對電機(jī)發(fā)送鎖死信號。接線如圖4所示。

圖4 無線控制器接線圖 圖5 主體結(jié)構(gòu)圖

(4) 主體結(jié)構(gòu) 主體結(jié)構(gòu)尺寸為：卡具絲桿伸縮范圍30～60 mm，卡具絲桿螺栓孔距16 mm，地面卡座(長×寬)500 mm×300 mm，線夾尺寸50 mm×20 mm×30 mm，卡具端子直徑Φ150～Φ230 mm，螺栓尺寸Φ16 mm。

為方便安裝，卡具絲桿與卡具端子、電機(jī)、線夾采用螺栓連接固定。主體結(jié)構(gòu)尺寸準(zhǔn)確率100%，主體結(jié)構(gòu)尺寸誤差在±10 mm以內(nèi)。經(jīng)過試驗，機(jī)械強(qiáng)度、粗糙度、彎度及間隙等指標(biāo)均符合要求。如圖5所示。

(5) 與桿塔連接工具 固定卡具端子與不同型號鋼管桿、水泥桿、鐵塔100%接觸，同時應(yīng)具有防止滑跑措施，各方位晃動不脫落。

(6) 固定螺栓 螺栓主要用于固定卡具絲桿與線夾、卡具端子及底座，不用扳手即可固定，攜帶方便。同時，要求承重大于10kN，扭矩滿足要求。

對螺栓連接部位進(jìn)行10次調(diào)節(jié)、拆卸試驗，接觸機(jī)構(gòu)與扳手連接牢固，可任意調(diào)整，可調(diào)率達(dá)到了100%。螺栓安裝位置正確，用扭矩扳手測量螺栓扭矩滿足要求。

(7) 電線接頭 電線接頭及延長線選用10號、4 m2純銅線纜，可通過最大瞬時電流為30A。外殼絕緣部件采用高性能工程塑料。

插頭采用航空插頭，插接方便，接觸穩(wěn)定、可重復(fù)插拔。如圖6所示。

圖6 電線接頭及延長線圖

2.4 組裝調(diào)試

經(jīng)過試驗，整體組裝時間為3 min，活動部件轉(zhuǎn)動無卡澀，使用正常，效果良好。組裝后，安全、質(zhì)量、設(shè)備、環(huán)保等管理部門組織了專題安全、質(zhì)量、技術(shù)和環(huán)保認(rèn)證，結(jié)論為合格[5]，并獲得授權(quán)。

3 成果分析

3.1 研究成果

2020年11月，將多功能牽引器固定到鐵塔主材上，在2人配合下垂直牽引100 kg重物至桿塔下橫擔(dān)15 m處，模擬10次牽引操作試驗。時間分別為：1.2 min、1.2 min、1.3 min、1.3 min、1.2 min、1.2 min、1.3 min、1.2 min、1.3 min及1.2 min，平均用時間1.24 min。

3.2 效果檢查

該多功能電動牽引器總重量10kg，攜帶方便?，F(xiàn)場168次模擬牽引試驗中，該牽引器牽引153次、占比91%，其他方式牽引15次、占比9%。

很明顯，多功能電動牽引器使用頻次高，起吊效果良好，且適合各種作業(yè)場所，實用性很強(qiáng)。

3.3 性能試驗

按照規(guī)定[6-7]，對多功能電動牽引器進(jìn)行動、靜荷重試驗，試驗結(jié)果均合格。

(1) 靜荷重試驗[8]。耐加120 kg重力持續(xù)5 min，未發(fā)生變形及受損。

(2) 動荷重試驗[9]。施以1.5倍允許工作負(fù)荷，模擬3次操作試驗，工具使用正常，活動部件無卡澀。

3.4 效益分析

(1) 經(jīng)濟(jì)效益。本科研項目費(fèi)用主要有材料費(fèi)、工器具購置和加工制作費(fèi)等。

總成本=材料費(fèi)+購買工器具費(fèi)用+加工費(fèi)≈1 500元/件

多功能電動牽引器研制成功投入使用后，降低人工費(fèi)用，節(jié)約運(yùn)維成本。

年節(jié)約成本≈300元/天.人×2人×50天=30 000元

其中，工作時間按50天/年計算，人工成本按照300元/天.人計算[10]。

(2) 社會效益。多功能電動牽引器的應(yīng)用，減少了作業(yè)人員，提高了工作效率，節(jié)約了人工成本，降低了安全風(fēng)險，提升了安全管理水平。同時，提高了供電可靠性和電壓合格率，提升了供電企業(yè)形象。

4 結(jié) 語

輸變電用多功能電動導(dǎo)線牽引器借鑒施工塔吊工作原理，適應(yīng)各類型號鋼纜及不同牽引方向，可以根據(jù)工作需要組裝成不同的功能模塊組合或單獨使用，實用性強(qiáng)、攜帶方便、操作簡便，一具多用、功能齊全、安全可靠。該工具有效解決了輸變電線纜架設(shè)時，鋼纜牽引方向單一、安裝繁瑣、難度大等長期困擾施工的難點問題[11]，經(jīng)濟(jì)性、實用性、安全性、可靠性及便捷性等都很強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用到各電壓等級輸變電工程和配電網(wǎng)線路施工，推廣應(yīng)用前景廣闊。