一种输变电施工多功能导线牵引器

张宏伟

（国网甘肃省电力公司金昌供电公司，甘肃 金昌737100）

输变电工程施工中，线缆架设时须要利用钢缆对线塔牵引固定，通常利用螺钉直接固定在塔身上[1]，须精确确定塔身的锚点以便确定牵引方向，方向落后，安装烦琐，施工难度大。常用的牵引方法主要有[2]：

定滑轮人工手拉绳子。主要是在传递体积小、重量轻的物品时采用。

动滑轮。主要是物品较重时采用。

机械绞磨。主要是人工无法传递物品时采用。

对某单位2019年1064次牵引方式进行统计、分析。具体如下：

定滑轮人工牵引850次、占比79%，主要特点是作业人员体力消耗大，无法牵引重物。

动滑轮人工牵引120次、占比11.1%，主要特点是作业人员体力消耗小，须要高空作业人员携带2组滑轮及牵引绳登塔。

定滑轮人工绞磨53次、占比4%，主要特点是作业人员体能消耗小，须要地面安装绞磨，携带不方便。

动滑轮人工绞磨10次、占比0.9%，主要特点是作业人员体能消耗小，安装烦琐，高空作业人员工作量较大。

定滑轮机械绞磨26次、占比2.4%，主要特点是安装烦琐，不能适应所有场所。

动滑轮机械绞磨5次、占比0.46%，主要特点是安装烦琐，不能适应所有场所。

可以看出，定滑轮人工牵引、动滑轮人工牵引等方式须要多人配合，且无法牵引较重物品。其他方式虽然能牵引重物，但附属设施较多，携带不便，且对使用场所要求较高[3]。如图1所示。

图1 常用牵引方式

对2015—2019年各种绳索牵引方式进行统计。

通过统计显示，定滑轮人工牵引的牵引重量最小，作业人员最少。定滑轮绞磨的牵引重量最大，但需要作业人员较多。

1 设计与论证

1.1 目标与方案

经过充分调查和分析，确定了研究目标。

定性目标。研制一种适应性强、携带方便、动力强劲，能够替代人工的电动牵引辅助作业工具，提升工作效率，减少作业人员。

定量目标。将100 kg重物由地面垂直提升至30 m高处时，作业人员控制在3人以内，时间控制在5 min以内。降至地面时仅须1人，时间控制在2 min以内。

根据上述目标，提出了3个总体方案。如表1所示。

表1 方案设计表

1.2 分析与论证

对上述方案逐一分析、比较，并请一线工作人员结合工作经验和现场实际综合评价，评价标准如下：

牵引至30 m高处的时间控制在1 min以内。

作业人员按最小需量控制，200 kg重物牵引至10 m高处时，只需要2人。

成本费用最低，总造价不超过3000元，单体设备不超过1500元。

总重量不超过10 kg，组装时间不超过120 s。

通过分析、论证，最终确定研制基于电动绞磨驱动的多功能牵引器。

1.3 评估与优化

对拟选方案进一步优化，主要涉及驱动电机、动力电源、电机调速器及主体材料选择等方面。

1.3.1 驱动电机选择

驱动电机主要有直流涡轮蜗杆减速电机、直流齿轮减速电机、行星减速电机和谐波减速机等4种方式。按照转速大于30 r/min、重量轻、造价低等标准遴选，如表2所示。

表2 驱动电机选择对比表

同时，进行牵引试验，将100 kg重物牵引至15 m高处，记录用时。

1.3.2 动力电源选择

从电压等级合理、充电速度快、使用寿命长、续航里程强劲、安全稳定、价格适中及重量轻等方面选择，主要有铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢蓄电池和锂离子电池等4种，如表3所示。

表3 动力电源选择对比表

1.3.3电机调速器选择

为实现正反转控制，选择直流电机调速器。

按照电压等级合理、最大电流≤30 A及安全风险低等标准选择调速器方式，有有线调速和无线调速2种，如表4所示。

表4 电机调速器选择对比表

1.3.4 固定方式选择

为适应不同电压等级和不同类型的杆塔，固定方式主要有卡具端子和线夹2种方式。从机械强度、安全性及稳固性等方面综合评估，如表5所示。

表5 固定方式选择对比表

1.3.5 主体支撑材料选择

为减轻设备重量、提高安全性，从机械强度、成本费用等方面选择主体材料，主要有铁质和钛合金材料两种，对比分析如下：

铁质材料。重量15 kg，造价为100元，主要特点是加工制作方便，可塑性强，可以制作各种不同形状，强度较低。20次模拟操作时，出现裂纹或变形。

钛合金材质。重量8 kg，造价为200元，可利用现成电力卡具丝杆制作，材质强度较高。模拟20次操作未发生损坏或断裂。因此，主体支撑材料拟选择钛合金材质。

2 研究与制作

2.1 确定最佳方案

按照以上分析、论证，确定最佳制作方案，如图2所示。

图2 方案设计总框图

2.2 制定计划

根据5W1H原则，制定研制计划表，如表6所示。

表6 研制实施计划表

2.3 设计制作

2.3.1 动力部分

采用齿轮减速电机，如图3所示。经过试验，扭矩符合要求，动能输出稳定持续，正、反转转换灵敏，转速正常。

图3 动力部分加工制作图

经过模拟操作，稳定输出率达到100%，20次牵引操作，最大容许扭矩正常。

此电机满足不同条件下最大容许扭矩要求[4]，输出稳定，启停反应灵敏，可快速实现正、反转切换。

2.3.2 动力电源

选用锂离子电池组，外形尺寸为350 mm×270 mm×160 mm、标准电压为24 V、额定容量为120 Ah，重量＜10 kg。经过试验，电池组持续放电时间≥10 h，充电电流为10 A，满足要求。

2.3.3 遥控装置

设置直流无线遥控控制器，外形尺寸为160 mm×92 mm×43 mm，输入电压为12～30 V，额定电流为30 A，调速范围为0～100%，PWM（脉冲宽度调制波）频率为21 kHz，电位器阻值为100 kΩ。

经过试验，可以实现远程控制正反转及牵引双速度，停止供电后可以对电机发送锁死信号。接线如图4所示。

图4 无线控制器接线图

2.3.4 主体结构

主体结构尺寸为：卡具丝杆伸缩范围30～60 mm，卡具丝杆螺栓孔距16 mm，地面卡座（长×宽）500 mm×300 mm，线夹尺寸50 mm×20 mm×30 mm，卡具端子直径150～230 mm，螺栓直径16 mm。

为方便安装，卡具丝杆与卡具端子、电机、线夹采用螺栓连接固定。主体结构尺寸准确率100%，主体结构尺寸误差在±10 mm以内。经过试验，机械强度、粗糙度、弯度及间隙等指标均符合要求。如图5所示。

图5 主体结构图

2.3.5 与杆塔连接工具

固定卡具端子与不同型号钢管杆、水泥杆、铁塔100%接触，同时应具有防止滑跑措施，各方位晃动不脱落。

2.3.6 固定螺栓

螺栓主要用于固定卡具丝杆与线夹、卡具端子及底座，不用扳手即可固定，携带方便。同时，要求承重大于10 kN，扭矩满足要求。

对螺栓连接部位进行10次调节、拆卸试验，接触机构与扳手连接牢固，可任意调整，可调率达到了100%。螺栓安装位置正确，用扭矩扳手测量螺栓扭矩满足要求。

2.3.7 电线接头

电线接头及延长线选用10号、4 mm2纯铜线缆，可通过最大瞬时电流为30 A。外壳绝缘部件采用高性能工程塑料。

插头采用航空插头，插接方便，接触稳定、可重复插拔。如图6所示。

图6 电线接头及延长线图

2.4 组装调试

经过试验，整体组装时间为3 min，活动部件转动无卡涩，使用正常，效果良好。组装后，安全、质量、设备、环保等管理部门组织了专题安全、质量、技术和环保认证，结论为合格[5]，并获得授权。

3 成果分析

3.1 研究成果

2020年11 月，将多功能牵引器固定到铁塔主材上，在2人配合下垂直牵引100 kg重物至杆塔下横担15 m处，模拟10次牵引操作试验。时间分别为：1.2、1.2、1.3、1.3、1.2、1.2、1.3、1.2、1.3及1.2 min，平均用时间1.24 min。

3.2 效果检查

该多功能电动牵引器总重量10 kg，携带方便。现场168次模拟牵引试验中，该牵引器牵引153次、占比91%，其他方式牵引15次、占比9%。

很明显，多功能电动牵引器使用频次高，起吊效果良好，且适合各种作业场所，实用性很强。

3.3 性能试验

按照规定[6-7]，对多功能电动牵引器进行动、静荷重试验，试验结果均合格。

3.3.1 静荷重试验[8]

耐加120 kg重力持续5 min，未发生变形及受损。

3.3.2 动荷重试验[9]

施以1.5倍允许工作负荷，模拟3次操作试验，工具使用正常，活动部件无卡涩。

3.4 效益分析

本科研项目费用主要有材料费、工器具购置和加工制作费等。

总成本=材料费+购买工器具费用+加工费≈1500元/件。

多功能电动牵引器研制成功投入使用后，降低人工费用，节约运维成本。

年节约成本≈300元/天·人×2人×50天=30000元，其中，工作时间按50天/年计算，人工成本按照每人300元/天计算[10]。

4 结束语

输变电用多功能电动导线牵引器借鉴施工塔吊工作原理，适应各类型号钢缆及不同牵引方向，可以根据工作需要组装成不同的功能模块组合或单独使用，实用性强、携带方便、操作简便，一具多用、功能齐全、安全可靠。该工具有效解决了输变电线缆架设时，钢缆牵引方向单一、安装烦琐、难度大等长期困扰施工的难点问题[11]，经济性、实用性、安全性、可靠性及便捷性等都很强，可以广泛应用到各电压等级输变电工程和配电网线路施工，推广应用前景广阔。