管母液压预拱仪的设计与研究

刘克毅，周希怀，邢文海，杨新杰，牛 强

（1.新疆工程学院，乌鲁木齐 830023；2.新疆送变电有限公司，乌鲁木齐 830001）

0 引言

随着社会经济的快速发展，社会用电量持续增长，新疆超高压输电及特高压输电的建设得到了迅猛发展。高等级电压输变电的建设对母线导电性、安全性提出了更高要求[1]。管型母线（管母）因具有肌肤效应小、载流量大的特点得到了广泛应用[2]，其作为变电站运行中重要的连接导体，对保证输变电系统的可靠、安全运行具有重要的作用。新疆准北750kV变电站项目使用的是6063G-T6-Φ250/230型铝镁合金管型母线，长度约为22m，管母由于跨度大、自身重力大和风力等环境原因，在使用过程中会产生下坠现象（如图1所示），导致向下弧形形变，严重影响安装质量、降低导电性能和输电线路安全，存在安全隐患[3]。

图1 管母下坠示意图

《国家电网公司输变电工程标准工艺 工艺标准库2011版》要求将大口径、大跨距支持式管型母线挠度控制在0.4D以下，其中在管母安装前通过预拱处理，然后采用反弧垂安装工艺是有效解决此问题的重要措施。目前的预拱工艺多采用人工控制手拉葫芦或者液压缸进行，存在预拱参数控制不精准、预拱质量不高、人员成本高、工作效率低等缺点。文献[1]提出基于计算机双目视觉测量体系的测量方法，实现对管母挠度的实时监测。文献[4]提出了采用手拉葫芦牵引的方式进行管母预拱。文献[5]提出了利用液压千斤顶进行管母预拱的工艺。上述方法实现了对管母挠度测量和管母预拱的工艺，但预拱参数的精确控制和预拱过程的自动控制对预拱质量和预拱成本有着非常大的影响。在液压系统设计与研究方面，目前有较多的研究成果：文献[6]探讨了通过伺服比例方向阀、比例压力阀等可实现高精度、高生产效率、易操作的应用；文献[7]介绍了超长大折弯机液压系统的工作原理和参数计算方法，并提出充液阀采用近端控制的方案，解决远端控制的不稳定性的问题。在控制系统的设计与研究方面：文献[8]提出了PLC结合组态软件实现对生产线设备自动控制的设计；文献[9]提出了利用组态王软件+PLC模式设计机械手臂自动控制装置，该设计操作方便、使用安全、效率高，克服了人工劳动强度大、精确度不高缺点，可以较好的满足现场的生产自动化要求。然而，针对高等级电压管母进行预拱的自动化处理仪器，目前还极少见到。

本文提出了一种高效自动控制液压预拱仪的设计原理。根据设计自动化液压预拱仪来实现高等级电压管母的预拱。本系统通过完善液压系统，提高其工作的安全性和可靠性，通过传感器、PLC和计算机精确测量、控制预拱矢量、液压缸的偏转角度等参数，实现管母的高效预拱，提高工作效率，同时减少工作人员数量，提高工作安全性。

1 管母预拱仪基本原理

管母预拱仪以液压系统为基础，按照设定参数通过液压缸的推力完成管母的预拱工作，同时通过传感器实时测量相应参数，最终通过PLC和组态软件实现系统控制，本设计可实现手动和自动控制两种模式。预拱仪的设计参数以管母预拱时的最大挠度基础，通过预拱量计算液压缸的推力，从而计算液压油的压强和溢流阀的设定压力。预拱仪根据功能主要分为液压系统和控制系统两部分。

2 相关参数确定

根据大跨度管母的安装使用要求，挠度需控制在0.4D以下，需要通过管母在受自然重力作用下挠度的计算确定预拱的变形量，进而确定液压缸的受力情况。

2.1 管母的基本参数

结合变电站电压等级、支架距离等参数，选用合适的管母，其基本参数如下所示：

管母型号：6063G-T6-Φ250/230；

长度：L =22m；

密度：ρ=2700kg/m3；

弹性模量：E=6.9×1010N/m2；

管母外径：D1=250mm。

2.2 管母挠度计算[10]

管母在工作过程中两端受力支撑，可看成两端简支的简支梁，在自身重力作用下受到均布载荷作用。根据材料的力学理论，惯性矩可表示为：

其中α为管母的内外径之比，通过式(1)计算管型母线对其形心轴的惯性矩。

该简支梁中心点最大挠度表示为：

其中Q为管母单位长度的重量，将惯性矩I代入式(2)，当管母只受重力作用时，带入管母参数计算得到，其自然下垂的最大挠度为：ωc=0.1622m。

2.3 管母预拱仪基本参数

预拱仪对管母预拱过程中，当管母中心处的最大挠度ω为800mm，保持2.5h～3h的情况下，可以获得180mm～190mm的最大挠度塑性变形，该塑性变形满足管母的安装、工作需求。以此为基础计算液压缸的受力和压强。

挠度公式可表示为：

其中c、d为积分常数，依据目标挠度通过式(3)计算出预拱时管母的弯矩。

把式(4)代入弯矩，推算出达到目标挠度时中位液压缸的推力F。

A为液压缸的有效受力面积，根据式(5)推算出液压系统的工作压强P。

代入管母参数，最终计算得知达到预拱目标时液压缸推力为F=25535N，液压系统工作压强为P=3.25MPa。

2.4 利用ANSYS软件对预拱过程进行模拟

根据6063G-T6-Φ250/230型管母按照1:1比例建立模型，固定支点的间距为17.8m，划分网格并模拟结果如图2所示：当中位液压缸推力为24900N时，管母中间位置形变位移为801.36mm，与理论计算基本相符。为保证足够的液压力，后期参数计算、系统设计时最大推力以25535N为基准。

图2 管母变形图（F=24900N）

3 机械系统设计

机械系统主要由机架、夹具、液压系统、传感器等装置组成（如图3所示），管母通过两端的固定夹具固定，液压缸伸出时通过夹具夹具推动管母变形，完成预拱工作，传感器用来实时测量液压缸的伸出量和液压缸的偏转角度，机架的具体尺寸为20m（长）×2.2m（宽）×0.8m（高）。

3.1 机架安装

机架以槽钢、角钢焊接而成，下部安装转向轮，便于方向和位置的调整。作为所有元器件的安装载体，机架在预拱时承受液压缸和管母的巨大推力，需满足强度和刚度要求，同时为便于该设备的运输、安装、调试等，元器件均采用可拆卸式安装。由于该设备体积较大，为保证管母的预拱质量，安装时需做“找平”、“对正”处理，保证竖直方向的安装误差小于5mm，水平方向安装误差小于10mm。

图3 液压预拱仪样机

3.2 液压系统

液压系统是预拱仪的主要工作部件，通过液压缸的动作完成预拱工序，具有易实现自动控制、自动过载保护等特点（液压系统原理图如图4所示）。

图4 预拱仪液压系统原理图

液压系统主要由液压泵、控制阀、液压缸组成。液压泵1是系统的动力元件，提供符合预拱要求的压力和流量；溢流阀2是系统的安全装置，避免系统在误操作或出现故障时由于压力超出额定值造成仪器损坏或安全事故，根据理论计算及实际经验，该阀在满足预拱压力要求的前提下，还需考虑压力的波动，设定压力值调整为4Mpa，当系统压力超过4MPa时，溢流阀打开，高压油经溢流阀流回油箱，避免系统压力的进一步升高，起到安全保护作用；换向阀3采用M型三位四通电磁换向阀，电磁控制满足自动控制需要，中位时泵可以卸荷、液压缸双向锁紧，一定程度上实现节能、保压的作用；利用液控单向阀4反向密封性能好的特点，实现保压阶段液压缸伸出量保持不变，进一步减小管母形变误差，保证预拱质量。

液压缸的伸出量通过拉绳式位移传感器进行测量，精度为0.1mm、相应频率100kHz，最大拉线速度1000mm/s，实施液压缸伸出量的实时测量，提高测量精度，进一步降低传统的人工测量误差，减轻人员测量工作量。

侧位液压缸的角度调整通过转角电机（5LB20GU-7-120W）实现，该电机最大推力超过1000N，满足工作需求。转角电机通过U形螺栓固定在液压缸的下部（如图2所示），利用齿条和电机的相对运动实现液压缸的平稳转向。转向角度通过安装在液压缸回转中心的角度传感器（WDD35D-45K）进行实时测量，其独立线性精度可达±0.1%，进一步确保液压缸偏转角度的精准性。

4 控制系统

控制系统是实现管母预拱仪自动控制的核心部分，通过组态软件和PLC实现预拱任务的参数设定和动作控制，精确控制液压缸的角度和位移量，同时利用组态界面可方便、精确的调整预拱参数，以实现不同管母预拱的参数设计要求，进一步保证管母预拱形变的一致性，保证预拱质量。

1）预拱仪控制系统上位机采用组态控制，下位机采用PLC控制，设计为手动和自动两种控制模式以满足不同的工作需求。其中手动模式是操作人员通过组态界面或设备本地控制器控制液压缸的角度调整和伸缩动作，需通过操作人员观察界面的参数变化进行参数调整；自动模式根据预先通过组态软件设定液压缸的伸出量、角度和预拱时间等参数，系统将自动按照设定参数及液压缸的动作顺序完成预拱任务，达到保压时间后发出警报，工作人员确定后，液压缸自动回到初始位置，预拱过程结束（控制流程如图5所示）。

2）控制系统控制操作界面（如图6所示），在界面上设置位移和角度目标、保压时间，控制液压泵、预拱动作的启停等操作。

图5 预拱仪控制流程图

图6 组态控制界面

管母液压预拱仪控制系统操作界面通过组态软件开发，通过该界面实现以下管母预拱仪的主要控制功能。

1）通过该系统可选择液压缸顺序动作或者同时动作，根据预拱经验：液压缸顺序动作时管母稳定性较好、预拱质量较好，所以本系统默认为液压缸顺序动作。

2）通过界面操作可控制液压泵的启停和是否启动预拱动作，预拱动作通过控制方向控制阀的通断电实现；换向阀右位电磁铁通电时，液压缸伸出，启动预拱操作，当左位电磁铁通电时，液压缸缩回，预拱动作结束。

3）通过界面可设定液压缸的轴向目标位移并实施显示轴向位移。预拱动作开始后，在液压缸伸出动作时，位移传感器将测量到的数据实时传递给控制系统，并在控制界面实时显示，当轴向位移达到设定目标后，系统将断电信号发送给换向阀，电磁铁断电，预拱系统进入保压状态，液压泵进入卸荷状态。

4）根据实际需要设定保压时间，为保证工作人员和相关设备的安全，当达到保压的目标时间后，系统发出音响警报，提醒工作人员预拱动作结束，在工作人员确定后液压系统启动，液压缸退回，当液压缸全部退回，距离显示为0时，系统断电，该次预拱工作全部结束。

5 结论

本研究通过机械设计、组态软件、PLC、液压系统的设计开发来设计管母预拱仪，通过设计及理论计算，预制管母达到了相关技术要求和安全操作要求，不同管母预拱后的塑性形变差异小于2mm，满足了管型母线的预拱需求，进一步保证了预拱质量。该管母预拱仪在实际现场应用将大量的节约人力资源，预拱工作过程中工作人员由8人减少为3人，降低了施工成本。