不确定条件下铁塔构型快速重构制造系统研究

颜建平

(广东省电力线路器材厂有限公司，广州 510450)

不确定条件下铁塔构型快速重构制造系统研究

颜建平

(广东省电力线路器材厂有限公司，广州 510450)

全球经济刺激了市场竞争，产品的客户需求越来越个性化，种类和市场的生命周期增加。为了获取和保持竞争优势，制造企业需要一种既具有规模化生产的经济效益，又能快速适应动态多变的制造环境的制造系统，而可重构制造系统是满足这一需求的有效途径。铁塔建设受电气尺寸的塔头，结构强度优化等因素的影响，使原有的塔楼结构设计非常大，很难达到技术水平的绝对精度设计，因此很难在现实中实现针对某一具体项目。依据塔的形状特点，利用可重构制造系统能高效优化铁塔构型，对提高设计典型塔楼的设计质量具有重要作用，同时也有利于推进输电线路建设。

铁塔 自动化制造 构型优化 重构制造系统

引言

近年来，我国制造业发展迅速，制造业产值逐渐高于美国，成为世界上最大的生产国。然而，中国制造业的生产效率还远远低于美国和其他西方发达国家，与制造业产值来衡量的生产效率，中国目前只有美国的1/8，中国的制造业是大而不强。全球经济刺激了市场竞争，产品的客户需求越来越个性化，导致产品种类和市场的生命周期增加。为了获取和保持竞争优势，制造企业需要一种既具有规模化生产的经济效益，又能快速适应动态多变的制造环境的制造系统。因此，提高我国制造业的国际竞争力，提高制造业竞争力是提高制造业效率的有效途径，而可重构制造系统是满足这一需求的有效途径。

随着人口的增加，经济的发展，工业的发展，电力负荷与电力负荷之间的距离越来越大，输电线路的建设投入越来越多，使输电线路电压等级提高，线路的数量增多，交付能力极大，交货距离等方面持续发展。同时，输电线路铁塔建设投资占投资总额的30%以上。由于多种因素，如电气尺寸的塔头，结构强度优化等。这些因素使原有的塔楼结构设计非常大，很难达到技术水平的绝对精度设计，因此很难在现实中实现针对某一具体项目。

1 不确定条件下快速重构制造系统

市场环境是动态多变的，产品种类越来越多，制造系统必须适应这种“个性化”的需求，才能在竞争激烈的市场中立于不败之地。传统生产线是一种刚性生产线（DML），适合大批量生产，单一品种或多品种的生产模式少，效率高，生产成本低，但不能适应动态多变的市场及多品种的生产方式，在20世纪70年代末兴起的柔性制造系统（FMS）改变了刚性生产线，可实现多种高效零件加工，但备用模块、冗余功能闲置，投资大，生产成本高，难以满足市场的需求。因此，满足多品种，中、小批量生产的需求，是生产模式重构的迫切需要。20世纪末，密歇根大学教授提出了可重构制造系统（RMS），认为其可以解决上述问题。该系统通过重建和重用的方法，实现了特定部分的处理。核心思想是最大限度地利用设备和最低成本的重新配置。国内外许多学者进行了大量研究，主要集中在机械系统改造和控制系统改造方面。由于在实际生产过程中零件的类型不同，生产过程不同，交货时间不同，因此，操作人员极易出现错误。根据实际工作经验，生产车间存在各种问题，特别是调度问题，在日常生产中，每个车间都有调度，整个车间中的调度人员是最忙的，其工作主要包括发布计划、监督、促进生产、控制质量、协调部门之间的关系等。如何运用现代化管理手段，用科学的方法来安排车间，对工厂和整个制造业是一个非常重要的事情。

2 铁塔构型快速重构优化设计

2.1 铁塔的类别、各自的特点及应用范围

输电线路铁塔在特定类别中的应用。输电线路铁塔具有支撑和架空导线、接地线等附件的作用，电线与电线、电线与铁塔、导线与地线、地线或跨接地或交叉的食品结构安全距离的规定。按照塔在输电线路上的使用，对直线塔、拉力塔、角塔、换位塔、跨塔和终点塔。在线路上设置直线塔、应变塔，在转弯处设置转角塔，在两侧交叉设置高过塔，为平衡三线阻抗，每隔一定距离都要设有换位塔，输电线路和电气结构都连接到了终点站的建立。

根据塔的结构材料对铁塔进行分类，采用输电线路铁塔，主要是钢筋混凝土柱和塔。从结构的整体稳定性来看，铁塔可以分为保持自立塔、拉线塔。塔的结构形式多种多样，从我国已建成的输电线路来看，超过110kV输电线路电压等级的，通常采用自立塔；电压等级小于66kV，常采用钢筋混凝土电杆。拉线塔主要用来平衡塔横向荷载和线张力，减少根部弯矩。拉线塔使用拉线可以减少材料消耗，降低线路成本。在平坦地区，拉线杆塔使用较为频繁。下图是几种常见拉线塔的基本构型。图1为单杆的钢筋混凝土拉线塔结构。

图1 钢筋混凝土拉线单杆

图2，图3分别为双杆的钢筋混凝土拉线塔结构。

依据塔搭建的地形地貌特点及塔的实际应用需求和形状特点，利用可重构制造系统能高效优化铁塔构型，有利于提高设计典型塔楼的设计质量，促进输电线路建设。

图2 钢筋混凝土拉线双杆（A型）

图3 钢筋混凝土拉线双杆（八型）

2.2 铁塔结构优化设计的概念和内容

为满足塔的要求，对塔的模型进行优化，以减少塔的尺寸和典型的塔头尺寸。塔结构优化的内容包括铁塔结构尺寸、结构布置、材料选用、构件尺寸、结构等。例如，斜坡塔的塔直接影响塔的材料和倾斜的长度、大小。增加大小的变量减少，根据实际经验，单回路直线塔的塔身坡度一般在7%～16%，单回路转角塔的塔身坡度一般在10%～15%，双回路直线塔的塔身坡度一般在12%左右；整个基地塔基础力小塔中杰出的作用，工程经验表明，塔的高度和根比大多在4～9，当根开口增大，提倡物质力量，材料规格，但根和过大的电缆材料和辅助材料，对复杂的形式布局，但增加了塔的重量也增加了产品的成本。

2.3 从结构强度的角度对典型铁塔进行结构优化

传统设计方法主要是手工方法，采用结构力学和有限元法分析结构的各个组成部分的塔结构，使设计计算的工作人员必须有丰富的经验，在塔设计。采用有限元法对塔结构进行分析，在工程中通常采用空间桁架模型。但考虑到主梁的特点和在各个角度的连接点都采用连接板连接，因此，有的设计计算的工作人员在有限元分析时，简化了钢结构的空间刚架模型分析。但这种简化的刚性框架模型和桁架模型的区别并没有有效解决。采用国内先进的全应力计算程序对典型塔式结构进行优化计算，由于在编制计算机程序时使用的柔性矩阵极为不方便，因此，使用的软件是有限元法的刚度矩阵。采用几何线性和几何非线性的方法，进行塔结构内力分析。这种方法的雏形是结构力学中的位移法。这里所说的全应力是比较充分的应力，而事实上，由于宽翼缘和翼缘的厚度范围较大，所以从材质上讲，很难实现一个塔的整体构件完全有应力。即使角度规格变细，由于结构的限制，也不可能使塔组件完全满足压力状态，最终只有一个一定程度的压力状态可以满足。

3 结语

在对典型的塔数据进行优化后，典型的塔重量减少了2%，因此，优化后的塔可以被应用到实际工程中。从本文可以看出，输电塔的设计非常复杂。虽然结构优化可以用力计算程序，但由于规格角度，强度的材料等原因，它仍然很难让每个塔杆件的设计达到充分应力状态。结合设计理论、数理统计和概率分析概率极限状态设计方法，也不能使所有设计参数达到完美。但是，优化塔结构尺寸，提高电气自动化的程序开发和使用要求，可以为未来的工作提供方便。

[1]戴庆辉.先进制造技术[M].北京：机械工业出版社，2006：115-116.

[2]Council N R.Visionary Manufacturing Challenges for 2020[M].Washington： National Acadenry Press,1998.

[3]朱剑英，张晓峰，游有鹏.可重构制造系统控制结构和实现技术基础研究[J].中国机械工程，2002，（1）：60-62.

[4]吴学松.浅谈特高压输电铁塔的制造工艺与装备[J].江苏电机工程，2006，（S1）：22-24.

[5]蒋小盼，华中平.铁塔制造企业库存管理系统的设计与开发[J].中国制造业信息化，2009,（3）：22-24.

[6]王军.风力发电塔杆自动化焊接技术及设备[J].电焊机，2010，（8）：10-13.

[7]任杰.输电线路铁塔的选型设计与结构优化研究[D].北京:华北电力大学,2014.

[8]赵卫，吴波，顾银晓，等.铁塔下料管理系统的开发与应用[J].制造业自动化，2010,（1）:19-21.

Study on the Rapid Reconfiguration Manufacturing System of Tower Configuration under the Condition of Uncertainty

YAN Jianping
(Guangdong Electric Power Line Equipment F actory Co., Ltd.,Guangzhou 510450)

The global economy has s timulated the market competition, the cus tomer demand for the product is becoming more and more individual, the life cycle of the product and the market increases. In order to obtain and maintain the competitive advantage, manufacturing enterprises need a kind of economic benefits of scale production, and can quickly adapt to the dynamic and changeable m anufacturing environment. The reconfigurable manufacturing system is a n effective way to meet this demand. Tower construction due to many factors, such as the electrical size of the tower head, structural strength optimization and other factors make the original tower structure design is very large, and now it is difficult to achieve the abs olute accuracy of the design, it is difficult to achieve in reality for a s pecific project characteris tics. According to the shape of the tower, the use of reconfigurable manufacturing system can optimize the st ructure of the t ower, which is very important for improving the design quality of the typical tower.

steel tower, automated manufacturing, configuration optimization, reconfiguration manufacturing system