输电线路施工用牵引设备高海拔地区性能试验研究

2021-07-26夏拥军张荣旺蓝健均

机械设计与制造 2021年7期

夏拥军，赵飞，张荣旺，蓝健均

（1.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192；2.国家电网公司西南分部，四川成都 610094）

1 引言

我国地势复杂，高原地区占我国国土面积60%以上，高海拔地区存在低温、低压、风沙大等恶劣气候条件，对施工机械的机械效率和经济性有较大影响[1]。我国近年开展的青藏直流联网、川藏交流联网、藏中联网等500kV电压等级输电线路工程，逐渐成为青藏高原地区电网的骨干网络。以上工程建设投产将为西藏地区经济和社会的可持续发展起到战略保障和促进作用[2]。工程建设量的增加和西藏地区特殊的施工环境使工程建设人员对机械设备依赖性更强[3]。工程建设中，我国输变电企业及施工设备生产商对施工设备的高原适应性开展了大量的研究分析，得出高原环境对施工设备的影响主要有：（1）柴油机进气量减少，牵引力性能下降严重；（2）低温使机油粘度、摩擦阻力增大，发动机启动困难；（3）风沙易堵塞滤清器，进一步导致进气量减少，发动机功率下降[4～7]。但并未给出高海拔地区牵引设备输出功率及油耗变化规律。本研究针对输电线路施工常用牵引设备开展性能试验研究，总结牵引设备输出功率及油耗关于海拔高度的变化规律，为高海拔地区输电线路施工提供了牵引设备选型依据。

2 试验方案

2.1 试验原理

输电线路施工作业中常用牵引设备主要为牵引机和机动绞磨。工作原理均为通过钢丝绳缠绕牵引设备摩擦卷筒产生的摩擦提供牵引动力。设备输出功率可通过设备的牵引速度与牵引力计算。假设牵引设备卷筒处于静止状态，卷筒受力情况，如图1所示。

图1 双摩擦卷筒的受力分析图Fig.1 The Force Analysis of a Double Friction Drum

设备油耗可通过测量试验工况下燃油消耗量，计算得到单位时间耗油量与单位千瓦时耗油量。

功率计算的典型公式为：

式中：Px—输出功率，kW；

T—输出扭矩，N·m；

n—转速，r/min。

对牵引机、机动绞磨，有：

式中：D—滚筒直径，m；

d—钢丝绳直径，m；

P1—钢丝绳出线张力，N；

P2—钢丝绳尾绳张力，N。

当钢丝绳在卷筒上包络角α足够小时，可认为，则有：

设dp为某一段钢丝绳dl在牵引力P1作用在相应卷筒表面的压应力，则：

式中：μ—钢丝绳与卷筒的摩擦系数；

将上式变换积分后可得：

将式（2）、式（5）带入式（1）可得：

式中：P1—出线钢丝绳张力，N；

v—放线速度，m/s。

2.2 试验样品

选取高海拔地区500kV 输电线路工程中应用较为普遍的SA-QY-250型牵引机与CJM·5型机动绞磨为本次试验样品，样品信息，如表1所示。

表1 试验样品表Tab.1 Test Sample Table

2.3 试验场地

试验依托藏中联网工程开展，选取试验条件较好，高度具有代表性的5处施工材料站作为试验数据采集点[8]；选取样品产地作为对照，共计6组试验高度。试验场地情况，如表2所示。

表2 试验场地表Tab.2 Test Site Table

2.4 试验工况

牵引机试验样品动力源为增压式柴油发动机，为保证涡轮增压器低速不喘振，高速不超速[9]，本次试验载荷分别选取牵引机、机动绞磨额定载荷的60%及70%，发动机转速选取样品发动机扭矩最高的转速。试验工况，如表3所示。

表3 试验工况表Tab.3 Test Condition Table

2.5 现场布置

现场布置，如图2、图3所示，试验样品与提供稳定载荷的辅助装置对拉。通过测速传感器与无线拉力传感器测量对拉钢丝绳的拉力与速度。以流量计采集试验过程中耗油量。

图2 机动绞磨能效试验示意图Fig.2 Schematic Diagram of Energy Efficiency Test for Powered Winch

图3 机动绞磨能效试验现场图Fig.3 Scene Photo of Energy Efficiency Test for Powered Winch

3 试验结果

以机动绞磨海拔高度3740m，试验载荷35kN 工况为例，将试验数据绘制为张力-时间曲线与速度-时间曲线，如图4所示。

图4 海拔3740m机动绞磨35kN载荷数据曲线Fig.4 35kN Working Condition Data Curve of Powered Winch at Altitude 3740m

取两曲线较为平稳的（40～60）s时间段为试验有效数据，将有效数据点进行计算，可得功率-时间曲线，如图5所示。有效时间段内的功率取平均值即为本工况有效输出功率[10]。

图5 有效时间段功率时程曲线Fig.5 Power-time Curve in Effective Time Period

3.1 输出功率

对试验样品的60%、70%额定载荷情况下的有效输出功率取平均值可得输出功率表，如表4、表5所示。

表4 牵引机有效输出功率表Tab.4 Summary Table of Effective Output Power of Pullers

表5 机动绞磨有效输出功率表Tab.5 Summary Table of Effective Output Power of Powered Winch

3.2 油耗

对试验样品的60%、70%额定载荷情况下的油耗取平均值可得油耗表，如表6、表7所示。

表6 牵引机油耗表Tab.6 Summary Table of Fuel Consumption of Pullers

表7 机动绞磨油耗表Tab.7 Summary Table of Fuel Consumption of Powered Winch

4 结果分析

将牵引设备高海拔处输出功率、油耗与平原地区进行比较可得牵引设备输出功率降幅表，如表8所示。及油耗增量表，如表9所示。

表8 牵引设备输出功率降幅表Tab.8 Output Power Efficiency Scale Table of Traction Equipment

表9 牵引设备油耗增量表Tab.9 Fuel Consumption Increment Table of Traction Equipment

从牵引设备输出功率降幅-海拔高度曲线中可以看出牵引设备输出功率随海拔高度升高而降低，如图6所示。试验海拔高度达到4990m 时，牵引机功率降效19.12%，机动绞磨功率降效35.11%。牵引机用柴油发动机因配备涡轮增压装置，可缓解高海拔地区低氧环境造成的发动机空燃比降低问题，燃烧环境得以改善；且牵引机功率设计余量较大，故功率降幅较小；海拔超过4000m时，增压器发生超速[11]，发动机燃烧情况继续恶化，功率降幅曲线斜率增大。

图6 牵引设备性能-海拔曲线图Fig.6 The Performance-Altitude Curve of Traction Equipment

牵引设备油耗随海拔高度升高而升高，试验海拔高度达到4990m时，牵引机油耗增加29.20%，机动绞磨油耗增加89.27%。因高海拔造成发动机进气量减少，柴油燃烧不充分，着火延迟，后燃现象严重，造成燃烧效率下降，油耗随之增加。牵引机因涡轮增压器可增加发动机进气量，油耗增量小于机动绞磨。海拔4500m以上时，机动绞磨因空气密度降低，燃烧情况恶化，造成发动机积碳，机油失效，润滑性能降低，油耗急剧升高。