基于星轮结构的变电站屏柜爬楼车设计

李俊辉

摘 要：针对变电站二次屏柜狭窄环境施工安全风险大、费时费力的不足，设计一种星轮结构的电动爬楼车实现平地、楼梯两用搬运，通过与传统方式对比，具有安全高效、节约成本优点，达到绿色文明施工和减员增效效果。

关键词：变电站；屏柜；星轮；行走机构

中图分类号：TM73 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）16-0097-02

Abstract： In view of the disadvantages of high safety risk and time-consuming and laborious construction in the narrow environment of secondary screen cabinet of substation， a kind of electric climbing car with planetary wheel structure is designed to carry flat floor and staircase. Compared with the traditional method， the utility model has the advantages of safety， efficiency and cost saving， and achieves the effect of green civilization construction and staff reduction and efficiency.

Keywords： substation； screen cabinet； planetary wheel； running mechanism

屏柜因其良好的抗外力强度和屏蔽电磁干扰的作用，在电力系统中广泛使用。其搬运是电力建设施工常态而重要的作业，目前主要采用人抬肩扛的搬运方式，由于屏柜体大量重，该方式不仅费时费力、人工成本高，还存在砸/压伤作业人员、碰坏设备和施工环境的风险。以变电站远动屏柜为例，重达300千克屏体，从主控楼一楼搬运至二楼机房需6至8人，在楼道拐角和机房进门处常出现卡、压伤人、碰坏柜体和设备及施工环境（地砖、墙壁）的现象。新方法基于行星轮、叉车结构和电机拖动原理，研制符合变电站施工环境的高效攀爬结构、紧凑型车体装载构架、行走机构、多功能控制以及安全机构。解决传统人工搬运的不足，节约人力及施工成本，优化工程施工方式。

1 技术方案

1.1 国内外爬楼装置研究现状及可行性分析

目前现有爬楼装置主要为履带式结构，其工作原理类似于履带装甲运兵车或坦克，原理简单，技术也较成熟[1-3]。如图1所示是日本Sakadankun公司开发的一种电动轮椅车，底部是履带式传动结构，可爬楼梯最大坡度为35°，上下楼梯速度每分钟15-20个台阶[4-6]。履带式结构传动效率较高，但存在诸多不足：（1）不适合楼梯阶沿太光滑及坡度大于35°的场合；（2）由于采用履带传动，爬楼时与楼道摩擦力较大，因此对楼梯和履带均有一定损坏，后期维护成本高；（3）平地行走时阻力较大，转角处拐弯不灵活；（4）重载时安全风险大，履带式装载从平地转楼梯和楼梯转平地的过渡点重心偏移大导致前后倾斜，危及搬运人员及设备安全，对于装载体积和重量均较大的变电站二次屏柜，履带式结构的安全问题更加凸显。

星轮式爬楼机构由两组均匀分布的小轮构成，每个轮组依照星形轮系的运动方式，各个小轮绕各自的轴线自转，并随着系杆一起绕中心轴公转。平地行走时各小轮自转，公转实现楼梯攀爬功能。

1.2 力学分析

根据平地和爬楼两种搬运方式力学分析，平地行走时施以推力，外施力克服轮子与地面摩擦力，查机械设计手册得u=0.05，根据胡克定律f=uN，平地行走比克服重力搬运省力95%。爬楼梯时，外施力为克服重力F=Gsin30°（楼梯仰角？准=30°时），即比直接搬运省力50%。考虑的屏体较重和车体自重（总计最大为350kg），采用电动差速机构驱动。小车采用棘轮行进逆止机构，施工人员操作小车时可根据情况随时停止运动，克服人抬肩扛中途负重压力大，尤其上楼时全程负重，体力和安全方面都给作业人员带來较大考验。

2 总体设计

目标设计满足装载变电站各类屏柜型号车体、行走及安全机构，达到自主爬梯、省力效果。

2.1 车体装载结构设计

安全搬运重点在于待装载屏柜的通用性和承重性，为满足变电站多种型号屏柜尺寸及承重，从以下三个方面设计车体结构：（1）整体采用稳定三角架构作为车体结构；

（2）高强度槽钢和方钢制作车体；（3）根据承重目标加工专用行星轮，圆钢承重车轴。

2.2 行星轮结构设计

为使小车顺利爬梯，根据施工环境阶梯尺寸设计最佳星轮半径r，星轮架臂长R。半径和臂长过大，小车后星轮与阶梯前沿干涉；两者过小则前星轮攀附能力未体现，且在平地行驶时对地面适应能力差。根据现场调研和力学分析，理想中的待爬阶梯同时具备“长宽矮”特点，为提高小车爬楼适应能力，根据施工现场阶梯尺寸范围，选取短窄高阶梯作为适应目标。

2.3 动力及安全设计

星轮结构搬运屏柜可有效省力，屏体自重大，省力50%仍需给力1750N，采用电机、差速机构、控制回路及驱动机构等装置提供爬楼动力。利用棘轮结构设计防逆转机构，有效防止小车倒退；车体载货平台两边设计三角结构及辅助安全措施，保证车体稳定性和防止屏体侧滑。

3 性能测试

以变电站线路保护屏（800×600×2200mm）为试验对象，就平地和爬楼施工情况，在220kV某变电站对搬运小车性能测试，效果如图3所示。

3.1 施工效果对比

小车由3个施工人员、耗时6min、将重约320千克的屏柜安全、平稳从一楼搬运至三楼，节约人工成本600至1000元/天。与目前人抬肩扛搬运方式对比效果如表1所示。

3.2 安全效益

采用小车有效解决目前屏柜搬运方式存在的较高人身伤害风险，小车爬楼平稳，拐弯灵便，避免屏柜卡/压伤人和碰坏设备的风险。由于减少了施工人员，有利于工作负责人对现场的管控。此外，小车施工安静，符合国网公司文明施工的要求。

3.3 经济效益

以单个中等规模的220kV变电站新建工程为例，约新安装屏柜60面，（60面屏从1楼上3楼），原需要6个工人6天就位的屏柜，新方法可3人2天完成，人工费用由原来7200元节约为1200元，为原成本的14.28%，该项施工工期为原来的1/3。大修技改以每站安装1至2面屏为例，每次每天可节约人工4人，为原成本的42.85%。

表2 单个新建工程和大修技改经济效益统计、分析表

4 结束语

输变电工程存在新、旧屏柜安装和退运施工，目前人抬肩扛方式操作不便，风险高、费时费力成本大。新方法有效解决狭窄楼道、多拐角现场施工难题，显著节约人力，提高效率缩短工期，适用于重屏柜爬楼搬运。经过对比分析，创新成果在安全、经济、社会效益方面具有传统方法无法比拟的优势，是一种值得推广的绿色、文明施工新技术。

参考文献：

[1]Murray J Lawn. Modeling of A Stair-climbing Wheelchair Mechanism with High Single Step Capability[J]. IEEE Transactions On Neural Systems And Rehabilitation Engineering， 2003，1（3）：323～332.

[2]Murray John LAWN. Study of stair-climbing assistive mechanisms for the disabled[D]. Japan： Nagasaki University，2002.

[3]李笑，李瑰賢，赵永强，等.国内外轨道式机械爬楼装置的研究现状[J].机械设计与制造，2005，2（2）：1-3.

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