適用于井下敷設(shè)的電纜敷設(shè)機(jī)的設(shè)計(jì)

陶霞，俞偉勇，王剛，關(guān)山

（1.杭州凱達(dá)電力建設(shè)有限公司，杭州 311100；2.東北電力大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

0 引言

電力電纜在電力系統(tǒng)的主干線路中用以傳輸和分配大功率電能，合理選擇電纜的敷設(shè)方式對(duì)保證線路的傳輸質(zhì)量、可靠性和施工維護(hù)等都是十分重要的。隨著電纜直徑和長(zhǎng)度的不斷增加，輸電線路的電纜自重呈數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)，電纜敷設(shè)路徑復(fù)雜多變等工況的出現(xiàn)，單純依靠人工已無法滿足輸電電纜的布置需要和現(xiàn)代電網(wǎng)建設(shè)要求，必須依靠機(jī)械輔助來完成。機(jī)械輔助敷設(shè)與人工敷設(shè)法相比，在效率、敷設(shè)質(zhì)量的可靠性、安全性及遠(yuǎn)期成本方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[1]。國(guó)內(nèi)外的研究人員針對(duì)電纜敷設(shè)問題進(jìn)行了大量的研究[2-5]。目前，應(yīng)用于電纜敷設(shè)的機(jī)械輔助方法可分為單向牽引敷設(shè)法和串聯(lián)助力敷設(shè)法，現(xiàn)有的電纜敷設(shè)機(jī)構(gòu)雖然實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化實(shí)時(shí)控制和信息化管理功能，但是大多以牽引力為主，在敷設(shè)過程中往往需要借助人力或者卷?yè)P(yáng)機(jī)配合，導(dǎo)致電纜敷設(shè)過程中會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷，同時(shí)對(duì)操作人員的技術(shù)水平有較高的要求。

因此，本文通過建立仿真模型，對(duì)電纜敷設(shè)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)功能要求，設(shè)計(jì)了電纜敷設(shè)機(jī)的控制裝置，研發(fā)了一種以推送力為主的電纜敷設(shè)機(jī)，保證了電纜敷設(shè)質(zhì)量，提升了電纜敷設(shè)的智能化水平和工作效率。

1 電纜敷設(shè)機(jī)結(jié)構(gòu)分析

1.1 功能要求

通常以拉力為主的電纜敷設(shè)機(jī)工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、對(duì)電纜表面磨損嚴(yán)重，為了提高敷設(shè)效率，實(shí)現(xiàn)電纜敷設(shè)工作的智能化，將電纜敷設(shè)機(jī)設(shè)計(jì)成以推送力為主，由控制裝置智能調(diào)控的方式。其主要功能有：1）根據(jù)不同工況條件智能調(diào)控夾緊力和電纜推送速度；2）升降方便，保證電纜和敷設(shè)管口對(duì)齊；3）實(shí)時(shí)采集夾緊力、敷設(shè)速度、敷設(shè)長(zhǎng)度等工況信息；4）工況參數(shù)實(shí)時(shí)顯示，控制裝置報(bào)警保護(hù)。

1.2 參數(shù)計(jì)算

電纜敷設(shè)機(jī)布置在相鄰的電纜井內(nèi)實(shí)現(xiàn)電纜推送，可根據(jù)電纜管口位置對(duì)電纜敷設(shè)機(jī)進(jìn)行調(diào)整，適用于不用型號(hào)電纜的敷設(shè)工作，同時(shí)可以通過電纜推送過程中對(duì)夾緊力的監(jiān)測(cè)判斷電纜的工作狀態(tài)是否正常，假設(shè)相鄰兩電纜井間隔100 m，電纜直徑為90 mm，對(duì)電纜敷設(shè)機(jī)的主要參數(shù)和主要部件進(jìn)行計(jì)算和選型，推送電動(dòng)機(jī)選型計(jì)算過程如下。

電纜的質(zhì)量為12 314 kg/km，電纜與管間的摩擦因數(shù)μ為0.4，安全系數(shù)c為1.2，則需要提供的摩擦力為：

滑動(dòng)絲杠的傳動(dòng)效率μ滑為0.3～0.6，所以?shī)A緊力Fn計(jì)算公式為

所選電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3000 r/min，電動(dòng)機(jī)與鏈輪之間的傳動(dòng)比i為100，鏈輪直徑D鏈為0.1 m。則推送速度v的計(jì)算公式為

其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2 電纜敷設(shè)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電纜敷設(shè)機(jī)總體結(jié)構(gòu)及工作方式如圖1所示，包括輸送裝置、升降裝置、固定裝置和控制裝置四部分，升降裝置橫跨電纜井兩端，實(shí)現(xiàn)輸送裝置的升降；固定裝置利用兩端橡膠盤頂緊在井壁內(nèi)側(cè)，固定輸送裝置；電纜敷設(shè)機(jī)改變了以拉力為主的傳統(tǒng)電纜敷設(shè)方式，在電纜敷設(shè)過程中針對(duì)不同型號(hào)的電纜施加不同程度的夾緊力，通過電纜與輸送裝置履帶之間的摩擦實(shí)現(xiàn)電纜的推送敷設(shè)；控制裝置可以實(shí)時(shí)采集電纜敷設(shè)過程中的各類工況參數(shù)，根據(jù)實(shí)際工況對(duì)電纜敷設(shè)機(jī)進(jìn)行智能化調(diào)控以滿足工作需要。

圖1 電纜敷設(shè)機(jī)示意圖

2.1 輸送裝置設(shè)計(jì)

輸送裝置主要包括夾緊裝置和推送裝置。整體長(zhǎng)度為658 mm，高度為465 mm，寬度為314.5 mm，適用于在電纜敷設(shè)井內(nèi)的狹小空間作業(yè)。

夾緊裝置主要由導(dǎo)入輪組、支撐軸、夾緊殼體、夾緊電動(dòng)機(jī)、直線止推軸承、絲杠絲母、夾緊絲杠等組成。當(dāng)電纜進(jìn)入導(dǎo)入輪組時(shí)，控制裝置根據(jù)協(xié)調(diào)控制終端的指令控制夾緊電動(dòng)機(jī)，從而帶動(dòng)夾緊絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，利用絲母的固定約束使得夾緊底板帶動(dòng)夾緊殼體進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)電纜施加夾緊力，在電纜敷設(shè)過程中為電纜的推送提供足夠的摩擦力，電纜敷設(shè)過程中對(duì)夾緊力的測(cè)量通過輪輻式壓力傳感器完成，壓力傳感器與絲杠絲母并排放置，實(shí)時(shí)測(cè)量施加給電纜的夾緊力，夾緊裝置示意圖如圖2所示。

圖2 夾緊裝置示意圖

推送裝置主要由調(diào)節(jié)桿、鏈輪、傳動(dòng)軸、支撐板、傳送帶、光電編碼器、推送裝置減速器、推送電動(dòng)機(jī)組成，在電纜敷設(shè)過程中，電纜通過導(dǎo)入輪組進(jìn)入推送裝置，調(diào)節(jié)桿可以調(diào)節(jié)鏈輪之間的中心距，張緊傳送帶，防止傳送帶在推送過程中工作異常；導(dǎo)入輪組與光電編碼器摩擦輪驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜推送速度的檢測(cè)。當(dāng)夾緊裝置提供的夾緊力不足時(shí)，電纜可能會(huì)脫出輸送裝置，產(chǎn)生“打滑”現(xiàn)象時(shí)，光電編碼器同樣可以檢測(cè)出電纜推送速度的異常，從而完成與協(xié)調(diào)控制終端的信息交互，控制夾緊電動(dòng)機(jī)的啟停，提供足夠的夾緊力以保證電纜敷設(shè)工作的正常進(jìn)行，推送裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 推送裝置示意圖

2.2 升降裝置設(shè)計(jì)

升降裝置包括豎直調(diào)節(jié)裝置、水平調(diào)節(jié)裝置和支撐裝置。豎直調(diào)節(jié)裝置通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)絲杠來調(diào)節(jié)上下支撐臂的張角，從而控制升降機(jī)構(gòu)豎直方向的移動(dòng)；水平調(diào)節(jié)裝置通過橫梁上的滑軌控制升降機(jī)構(gòu)在水平方向的移動(dòng)；在電纜敷設(shè)過程中，支撐裝置置于電纜井兩側(cè)，針對(duì)實(shí)際工況，升降裝置可以將輸送裝置鎖定在規(guī)定的高度，對(duì)齊電纜及敷設(shè)管口，避免電纜敷設(shè)過程中電纜產(chǎn)生較大彎曲，影響敷設(shè)工作的效率。升降裝置如圖4所示。

圖4 升降裝置示意圖

2.3 固定裝置設(shè)計(jì)

固定裝置如圖5所示，主要由橡膠底盤、支撐桿、支撐座組成，輸送裝置在井內(nèi)電纜穿管模式時(shí)通過橡膠底盤與井壁接觸。電纜敷設(shè)機(jī)在推送電纜過程中產(chǎn)生的推送力反作用力，若沒有結(jié)構(gòu)來抵消這個(gè)作用力，那么這個(gè)作用力的存在會(huì)使得電纜敷設(shè)機(jī)在敷設(shè)過程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，因此為了避免這一缺陷，增加了固定裝置，保證電纜敷設(shè)機(jī)的穩(wěn)定工作。

圖5 固定裝置示意圖

3 控制裝置設(shè)計(jì)

電纜敷設(shè)機(jī)控制裝置硬件使用MSP430F149IPMR作為主控芯片，包括信息采集模塊、顯示模塊、通信模塊和優(yōu)化控制模塊，在電纜敷設(shè)過程中實(shí)現(xiàn)工況參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示及智能調(diào)控，控制裝置的結(jié)構(gòu)框架圖如圖6所示。

圖6 控制裝置結(jié)構(gòu)框架圖

根據(jù)控制裝置數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性的要求和計(jì)算機(jī)性能的需求，使用MSP430F149IPMR作為主控芯片，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)模轉(zhuǎn)換、信號(hào)采樣[6]。工況參數(shù)監(jiān)測(cè)傳感器接入標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊，進(jìn)行工況信號(hào)的采集，并與主控模塊進(jìn)行信息交互，主控芯片實(shí)現(xiàn)模擬電信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，與優(yōu)化控制裝置實(shí)現(xiàn)串口通信，利用優(yōu)化控制模塊內(nèi)置的控制算法，對(duì)電纜敷設(shè)機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并發(fā)送調(diào)控命令，其接線方案如圖7所示。

圖7 控制裝置核心電路圖

標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊接入多個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)工況參數(shù)，由輪輻式壓力傳感器、光電編碼器及相關(guān)控制電路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)夾緊力和電纜推送速度的測(cè)量；為了實(shí)現(xiàn)電纜敷設(shè)機(jī)與協(xié)調(diào)控制終端的雙向通信，本文采用LoRa無線通信方案，LoRa是Semtech公司的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線通信方案，以其低功耗、長(zhǎng)距離、低成本、大網(wǎng)絡(luò)容量等特點(diǎn)擁有巨大的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用空間，有效傳輸距離可達(dá)數(shù)千米以上。LoRa 技術(shù)的應(yīng)用主要采用LoRaWAN通信協(xié)議，在滿足終端節(jié)點(diǎn)低功耗通信的同時(shí)，又滿足工況數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳的需求[7]。無線通信程序流程如圖8所示。

圖8 無線通信程序流程圖

控制裝置在電纜敷設(shè)過程中對(duì)電纜敷設(shè)機(jī)的工況參數(shù)智能調(diào)控，由于輸送裝置在推送過程中預(yù)設(shè)的夾緊力不同，可能出現(xiàn)“打滑”的現(xiàn)象，控制裝置將啟動(dòng)夾緊電動(dòng)機(jī)，以預(yù)設(shè)的夾緊力增量對(duì)電纜夾緊，直至“打滑”現(xiàn)象消除，控制過程自動(dòng)執(zhí)行，無需人工干預(yù)，控制過程迅速，保障電纜推送過程順利執(zhí)行，控制裝置工作流程如圖9所示。

圖9 控制裝置工作流程圖

顯示模塊是控制電纜敷設(shè)機(jī)人機(jī)交互的重要部分，用于實(shí)時(shí)顯示電纜推送速度、夾緊力、推送長(zhǎng)度等工況參數(shù)，顯示模塊主界面如圖10所示，工況參數(shù)一欄顯示電纜敷設(shè)機(jī)在工作過程中的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)夾緊力不足發(fā)生“打滑”現(xiàn)象時(shí)，打滑監(jiān)測(cè)指示燈顯示紅色并閃爍，并將故障信息上傳到協(xié)調(diào)控制終端進(jìn)行調(diào)控；運(yùn)行參數(shù)一欄顯示協(xié)調(diào)控制終端調(diào)控的電纜參數(shù)及控制參數(shù)，電纜敷設(shè)機(jī)根據(jù)輸入的電纜參數(shù)對(duì)應(yīng)預(yù)設(shè)的夾緊力閾值，從而統(tǒng)一電纜的推送速度。

圖10 顯示模塊主界面圖

4 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)了一種以推送力為主的電纜敷設(shè)機(jī)，實(shí)現(xiàn)電纜敷設(shè)過程中工況參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示和智能化控制，避免了鎧裝壓扁、絞擰等問題的發(fā)生，適用于電纜井內(nèi)的敷設(shè)工作，滿足電纜敷設(shè)的工作需求。

2）研發(fā)了根據(jù)不同工況條件智能化調(diào)控的控制裝置，利用LoRa無線通信方案實(shí)現(xiàn)電纜敷設(shè)機(jī)一對(duì)多的通信系統(tǒng)，人機(jī)界面操作簡(jiǎn)單方便，提升了電纜敷設(shè)的智能化水平。