絞磨尾繩自動收放機結構設計與研究

張文濤 李 凱 余漢偉 張必余

（安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

目前，送變電行業(yè)立塔、架線施工現(xiàn)場使用的機動絞磨，尾繩留繩均采用人工收放，施工過程中人員投入多且存在一定安全風險。在人力成本驟增、安全形勢嚴峻的今天，這種方式顯然已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代施工企業(yè)的需求。為進一步落實國網(wǎng)公司“機械化代人、智能化減人”的工作思路，項目團隊擬進行機動絞磨尾繩自動收放機的研制[1-5]。

該類設備早在2015年已有施工企業(yè)投入研發(fā)，當時的產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)尾繩自動收放的基本功能，但存在結構復雜、機體質(zhì)量大以及操作不便等問題，不具備現(xiàn)場推廣使用條件。2021年，國網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)公司研制出液壓傳輸?shù)奈怖K自動收放機，與機動絞磨通過油管共用油泵，通過切換油路實現(xiàn)自動收繩的功能，但存在零件多、運輸組裝復雜的缺點，仍缺乏現(xiàn)場實用及推廣價值。目前，國內(nèi)電網(wǎng)施工企業(yè)急需一款功能齊全、安全性能高且輕巧便捷的自動化收繩設備。

1 工作原理

1.1 設計目的

該項目團隊研制的尾繩自動收放機，主要用于輸電線路施工過程中絞磨尾繩的自動收卷和松放。收放機可自動識別機動絞磨收、放繩狀態(tài)，實施隨動使絞磨尾繩盤與絞磨滾筒間始終保持有效張力，可完全替代絞磨使用過程中的2名尾繩留繩人員，實現(xiàn)傳統(tǒng)3人配合操作向單人操作的進階。

根據(jù)功能需求，尾繩自動收放機由架體、收繩線盤、電動機、減速機和排繩器等組成。對尾繩收放裝置進行三維建模，模型如圖1所示。其中收繩線盤用于盤繞絞磨尾繩；鋼軸用于支撐收繩繩盤；電機減速器用來為整個結構系統(tǒng)提供動力；架體用來支撐整個結構；排線器螺桿用來為排線器提供軌道；排線器導桿用來為排線器提供導向作用。

圖1 尾繩收放裝置模型圖

1.2 設計原理

為了達到結構簡單和質(zhì)量輕便的要求，將收繩線盤和減速機的傳動機構集中在同軸上，取消了齒輪傳動的冗余結構。同時把控制器和充換電插口設置為單獨的結構單元，通過線束連接，大大節(jié)省了架體的空間體積，減小了架體質(zhì)量。收繩線盤的軸通過軸承與架體相連，采取U型口插銷的方式固定，待施工結束后方便拆卸轉(zhuǎn)場。

該尾繩自動收放機通過地錨錨固在機動絞磨側(cè)后方，將機動絞磨尾繩卷入收放機卷繩盤，動力源伺服電機采用力矩控制原理，保持收繩盤恒扭矩，達到在絞磨工作時同步收、放繩的效果。

2 設計及校核計算

為了驗證該文設計的尾繩自動收放機能否滿足正常施工要求，該文對該尾繩收放機進行設計校核，該文選取的各種受力工況均為最不利工況。以特高壓工程建設為例，特高壓組塔施工多采用走二走二的鋼絲繩穿法，一般塔高120 m左右，因此設計卷線器最大容繩量為600 m，該次選用Φ15.5鋼絲繩為研究對象，每米鋼絲繩質(zhì)量為0.847 5 kg，因此鋼絲繩總重G=5085 N，G卷線輪架=820 N，G中心軸=85 N。該文選用材料為Q235鋼，安全系數(shù)取1.5，如公式（1）所示。

式中：[σ]為許用應力；[τ]為剪切應力。

2.1 中心軸剛度校核：彎曲應力

該尾繩收放機的主要受力部件為中心鋼軸，因此對該軸進行受力分析，將軸進行模型簡化后如圖2所示。

圖2 重心鋼軸受力簡化圖

2.1.1 支座反力FA、FF。

首先，求支座反力FA、FF。

由平衡方程ΣMA=0、ΣMF=0分別計算支座反力，如公式（2）所示。

變形得到公式（3）。

式中：F為支座反力；M為彎矩；l為桿長。

2.1.2 列剪力和彎矩方程

該軸系統(tǒng)共受5個力作用，分別列舉各段剪力及力矩方程。

AB段，如公式（4）所示。

BC段，如公式（5）所示。

CD段，如公式（6）所示。

DF段，如公式（7）所示。

式中：Fs為剪力；M為彎矩。

該文中鋼軸所選用的材料為Q235鋼，其中AD段為圓形截面，直徑為45 mm，DE段為方形截面，邊長為30 mm。由彎矩圖可知，危險截面位于D點和O點。

圓形截面的彎曲截面系數(shù)如公式（8）所示。

方形截面的彎曲截面系數(shù)如公式（9）所示。

D點截面處的應力如公式（10）所示。

O點截面處的應力如公式（11）所示。

式中：Wz為彎曲截面系數(shù)；M為彎矩；σ為應力。

2.2 中心軸強度校核：扭轉(zhuǎn)應力

為求該中心鋼軸工作狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)應力，建立模型如圖3所示。其中A截面為銷釘接觸面截面；B截面為方形截面；C截面為圓形截面。

圖3 中心鋼軸圖

分別取截面A、截面B、截面C進行強度校核。

截面A處扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)如公式（12）所示。

截面B處扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)如公式（13）所示。

截面C處扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)如公式（14）所示。

由強度條件如公式（15）所示。

截面A處如公式（16）所示。

截面B處如公式（17）所示。

截面C處如公式（18）所示。

式中：W為扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)；τ為扭轉(zhuǎn)應力。

該例中扭矩為T=8.4 N·m，因此該中心鋼軸的設計滿足使用要求。

2.3 銷釘受力分析

該例中軸與軸套通過銷釘Φ12銷釘進行連接，該銷釘為主要受力部件，對此銷釘進行強度校核。由運動工況可知，該銷釘受力情況分為以下3種：分別是碗口朝上（a）、碗口朝側(cè)邊（b）以及碗口朝下（c）。工況（a）與工況（b）銷釘起到連接軸與軸套的作用，工況（c）中銷釘還需要承載整個卷輪的質(zhì)量。工況（c）中銷釘受力最大，因此選取工況（c）進行分析。

該銷釘受力如公式（19）所示。

式中：F為壓力；A為橫截面積。

2.4 軸套受力分析

根據(jù)上述分析可知機器運轉(zhuǎn)時，共存在3種工況，分別是碗口朝上（a）、碗口朝側(cè)邊（b）和碗口朝下（c），分別對三種工況下軸套進行受力分析，其中軸套外徑60mm，方軸邊長30mm。

根據(jù)專業(yè)軟件分析求解該截面的彎曲截面系數(shù)，截面對形心軸的慣性矩Ix=540236mm4、Iy=311453mm4，慣性積Ixy=0（形心軸x軸為截面圖形的對稱軸，所以截面圖形對形心軸x、y軸的慣性積恒等于零）；截面圖形邊界框值為x為-24.06mm～31.9mm、y為-30mm～30mm；抗彎截面系數(shù)計算如公式（20）所示。

由彎矩圖可知軸套碗口位置受力彎矩約為0.386kN·m，x1和x2對應工況（b），y1和y2對應工況（a）和工況（c），如公式（21）所示。

式中：W為彎曲截面系數(shù)；M為彎矩；σ為應力。

2.5 鉚釘受力分析

卷線輪通過左、右共8顆鉚釘與中心板及軸相連，因此需要對連接處鉚釘進行校核，該文中卷線輪滿載時重5905N，因此單顆鉚釘受力738N，即F剪=738N，鉚釘直徑D=12mm，A=201mm2。

式中：F為壓力；A為橫截面積。

根據(jù)以上分析，該尾繩收放機設計符合要求。

2.6 穩(wěn)定性校核

利用有限元軟件對架體零件進行靜力學分析，通過在左、右2個支撐平板上施加作用力，來模擬尾繩收放機繩架體在工作狀態(tài)下的受力狀態(tài)。第一步，需要創(chuàng)建“靜力學分析”算例。第二步，對該架體零件的材料屬性進行定義：選擇該架體的材質(zhì)為Q235碳素合金鋼（碳鋼的彈性模量E為196 GPa～216 GPa，泊松比μ為0.25～0.33，在工程計算中，Q235往往是E取210 GPa，μ取0.33）。第三步，通過夾具選型選擇該架體零件的約束方式，由于該架體零件工作時采用地錨及鋼絲繩錨固在工作場地上，因此默認為該零件的約束方式為架體底端固定約束于地面。第四步，選擇外部載荷顧問-壓力-垂直于左、右兩端的受力平面向下-賦值為15 000 N（最大負載情況下取2.5倍的安全系數(shù)）。第五步，對分析對象進行網(wǎng)格劃分：其中網(wǎng)格劃分尺寸越小，網(wǎng)格數(shù)量越多，計算精度和準確性越高，為更精確地分析該架體零件的受力狀態(tài)，選擇劃分網(wǎng)格大小為1 mm。設置好各項參數(shù)后，選擇“運行”按鈕來模擬分析。該算例運行結束后得到的應力和位移分析圖如圖4所示。由圖4可以看出，該架體零件的最大應力為23.62 MPa，遠小于該材質(zhì)的許應應力，該架體零件的最大位移為0.263 mm，且應力與位移變化主要集中在左、右兩側(cè)支撐板以及支撐立柱上。經(jīng)過計算核驗，在該架體滿載運行的情況下可以保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 應力及位移圖

3 結論

絞磨尾繩自動收放機是安徽送變電工程有限公司柔性創(chuàng)新團隊以解決施工現(xiàn)場痛點、難點為目標導向研發(fā)出的一款自動收放絞磨尾繩的智能化設備，該設備具有使用簡單、質(zhì)量輕便、尾繩扭矩恒定、收放跟隨、自動排繩、停機自鎖以及快速倒繩等特點，內(nèi)置鋰電池和外置電源雙重供電接口，全面兼容機動絞磨、電動絞磨等電力施工吊裝的機具設備。安徽送變電工程有限公司以此為基礎，繼續(xù)深化研究，全力推進輸電線路工程全過程機械化施工進程。