用于电力施工检修的电缆沟填充物收取设备的设计与应用

广东威恒输变电工程有限公司 廖志鹏 张立林 何海强 江维臻

电缆沟是一种用于提供电缆敷设、电力设备更换等电力施工检修作业环境的地下管道，其本质属于一种电缆维护结构。位于电缆沟内部的电缆线在持续运行过程中,会受到外部环境的影响出现受热膨胀或遇冷收缩等现象，为避免此种现象对电缆设施的稳定运行造成影响，通常需使用软土或沙子回填电缆沟并夯实。但在电缆线路发生故障进行抢修或进行电缆检修时，需对沙土填充物进行收取，而电缆发生故障会导致局部停电，需快捷收取电缆沟内沙土填充物加快抢修进度以缩短停电时间，满足供电可靠性要求。

目前对埋地电缆进行抢修检修时，由于埋地电缆沟宽度在80.0～150.0cm，无法借助大型的机械设备（如小型挖掘机）进行填充物收取，只依靠人力对填充物进行收取，十米左右的埋地电缆沟需5名施工人员2～3工作日才能完成对电缆沟内填充物的收取与清理，此种作业行为的施工时间过长，已对电网的稳定与持续运行造成了严重的威胁。同时在操作过程中，人工抛沙作业行为也会对环境保护造成一定的压力。且随着国内教育普及程度的提升、国内人口老龄化的加剧导致基层施工人员招聘存在很大难度，因此需通过增加新型施工设备来减少人力支出。

1 用于电力施工检修工作的电缆沟填充物收取设备的设计

1.1 电缆沟填充物收取设备图纸设计与装配

为满足电力施工检修作业需求，应在设计电缆沟填充物收取设备前设计设备图纸，并对装配图纸进行装配。在设计图纸时，采用SolidWorks 2020对设备进行3D 模型的构建，设计完成后进行模拟装配，装配过程主要是对设计的零件尺寸进行校核，并对部分需进行加工的部件使用SolidCAM 插件进行加工仿真，防止出现无法进行切削的零件设计[1]。校核完成后再使用AutoCAD 对设计好的零件进行成图设计，包括零件尺寸、形位公差、材料、热处理等细部结构的设计，设计过程中要保证零部件的加工精度。

图纸装配使用SolidWorks2020设计，使用自上而下的设计装配方式对零件进行更改。在设计装配体过程中需采用实际的装配约束而不是简单地放置零件，确保对零部件的运动和碰撞具有一个初步的判断。通过改动零部件设计的方式避免在实际装配中出现问题，同时也可更好地对零件公差进行匹配。此外，将装配体导出工程图纸，对其装配体进行零件标注并配有装配说明。

1.2 结构应力分析

在完成对电缆沟填充物收取设备图纸的设计后，对设备中的零构件及其装配构件进行应力综合分析，分析时使用ANSYS 软件，此软件属于一个有限元分析软件。调用软件中的前端处理工具进行实体设备的建模与网格划分[2]。对接划分的网格区域与软件计算模块，根据设备的设计需求，选择线性或非线性分析方法对设备进行动力学、流体学、压电、声场、电磁场、物理场等参数的耦合分析。

在此基础上，模拟电缆沟内的多种物理介质即介质之间的相互作用力，掌握设备在实际应用中的需求。将分析得到的结果导入后端处理模块，此模块可将对应的结果以等值线的方式表示，呈现的内容包括结构应力梯度、粒子流痕迹等。为确保设计成果的精度符合实际应用需要，可将结构进行可视化处理，并将结构内部切面以透明或半透明的方式表示。

1.3 电缆沟填充物收取主体设备主要器件选型

根据图纸的设计方案与装配方案罗列出所有的器件材料，从核心部件开始进行选型工作。选型时需考虑设备整体运作要求以及效率能耗，且不能超出设计的功率、电压范围，选型可能会出现核心部件的固定方式与设计不一致，需重新考虑最佳的固定方式[3]。电缆沟填充物收取设备主要包括旋挖头、旋挖导管、动力与控制装置。其中旋挖头的技术要求为：旋挖头包括外护罩、内旋刀片、外旋刀齿，同时旋挖头与旋挖导管连接并共同驱动转动。内旋刀片选择铝质材料进行精加工、外旋刀齿选用尼龙材质或铝质进行精加工。主体设备参数要求如下表1所示。

表1 电缆沟填充物收取主体设备参数要求

其中旋挖导管的技术要求为：旋挖导管内部通过旋导片将细沙从低处往出沙空传送，旋导轴承与动力模块连接、提供旋转动力。旋挖导管壁厚约5mm 左右，旋挖导管外壁采用太空铝材质车床加工而成；旋导片叶片距离为250mm，空心轴径为60mm，叶片厚度3～5mm。旋挖导管与旋导片均为拼接设计，由长度≤2000mm 的两段旋挖导管与旋导片进行拼装，此种设计方式能够有效地节约空间，方便搬运。

动力与控制装置的技术要求为：动力装置与旋挖导管内部轴承进行连接驱动，动力需满足实际工况要求。为了避免物料在传输过程中出现卡死或突发性变频跳闸等问题，可将电机在运行中的额定转速设定在1000.0RPM，对应的功率控制在3kW左右，电缆沟填充物收取设备未变频预计转速为400RPM，实际工作转速预计为300RPM。

非核心部件选型根据已经选型完毕的核心部件进行参考。如传输管、蛟龙叶片、断路器、空气开关、保险丝等，选型中需结合项目需求与实际使用环境，选择的构件不能超出设计的内径、长度、管壁厚度、功率、电压、电流等。非核心部件选材时，倘若出现没有合适规格尺寸的部件时，需考虑通过后期加工或直接定制达到使用要求。若出现更加合适的器件时，如是核心部件需进行小组讨论是否有更换的必要性、及更换后对整体的结构影响与效率能耗影响，对于非核心部件需要考虑该部件的重量，自行判断。

1.4 电路连接设计

根据以上的核心部件与非核心部件选型的结果，使用CAD、SketchUp 等软件进行模拟线路连接，如果部分出现电子元件如控制板、单片机等，则要使用Altium Designer、PADS 等软件进行电路模拟。进行电路的连接设计首先将已选型的部件及对应的接线口进行绘图，然后在软件中进行连接，设计最佳连接路径，在不影响使用的前提下减少线路，使整体美观又整洁，便于后期对设备检查与维修[4]。连接时还要考虑项目需求，同时与实际使用环境相结合，考虑个别位置是否需使用接头连接、采用哪种接头（航空接头、品字接头），接头可通过的最大电流需在设计范围内，且需考虑预留个别位置的接口出来，便于实际使用。

1.5 零部件精加工

零部件精加工由六个环节构成：粗铣→安装装夹→定位基准面→刀具选择与轴线定位→图纸导入→开机加工。在粗铣环节，需结合加工零件图纸，使用铣床加工出大致外形及加工基准面，同时制作每个零件的相应夹具；在装夹零件环节，应将零件装夹在夹具上方并进行其表面的清洗，去除灰尘、毛刺等杂质，对应的夹具表面要保持平滑，在此基础上夹紧螺母；在基准面定位环节，需根据前端设计图纸的精度要求进行基准面的拉表处理，对于在此过程中已完成六面打磨处理的零件，需在定位时对其进行垂直度检验；在图纸导入环节，需要对设计好的零件三维图纸进行x-y-z 轴的虚拟定位，并将图纸导入加工设备控制软件内生成加工路径程序；在开机加工作业环节，应先将机械进给速度降至最低，以逐步加大给进速度的方式进行加工的调试，通过此种方式实现对设备参数的持续优化，从而确保加工的成品可达到既定效果。

1.6 样机组装与调试

样机组装与调试可分为机械器件装配与调试、电子器件组装与调试两个环节。在进行机械器件装配时，需技术人员熟练掌握样机装配的工艺与技术，并通过SolidWorks2020进行模拟装配。模拟装配完成后，按照模拟的顺序进行装配实践。完成装配后需进行表面的二次清理、配合面与精度的校验等。完成机械器件装配后，检查装配面是否整齐、装配孔位是否存在偏移，从带轮部件多方位检查其倾斜角与偏移量。检查过程中对传动组合两轮的中心平面进行重叠处理，并根据设备的运行需求调整传动组合的张紧度。检查无误后可对设备进行试运行，再观察运行状态中是否存在装配问题的零部件，完成机械器件调试。

在进行电子器件组装时，需将支撑与接沙平台架设在电缆沟两侧，再将电缆沟填充物收取设备主体放置在支撑与接沙平台上方进行紧固，对接电子动力装置与控制装置的电源与现场柴油发电机。将编织袋套在支撑与接沙平台上方的支架，进入工作状态。完成电子器件的组装后，操作人员按下电子器件的启停开关。电子器件启动时单片机收到电流信号，默认为启动信号，随后单片机将启动直流电机进行工作。正反转开关需在启动状态下才能进行电机正反转，反转功能主要用于旋挖导管堵塞时进行反转疏通。当操作人员按下反转开关时，单片机收到相反的电流信号，随后单片机将控制直流电机进行反转。当旋挖头内的互感线圈离带电电缆过近时，电缆中电流所产生的磁通一部分与互感线圈相环连，从而产生电感。单片机会实时监控感应电动势的变化，电动势变化无误且变化趋势平缓时完成对电子器件的调试。

2 实例应用分析

完成样机组装调试后需对样机性能进行测试，此次试验检测采用对不定因素进行筛选的方式，选择“不同含水量的填充物”与“不同种类的填充物”两种不定关键因素作为试验变量，形成了两种不同的实验方案。

在进行同种填充物不同含水比例收取速度测试方案设计时，需将填充物晒干或烘干后，经过称重、放置500kg 在大型容器（方形容器）内，第一组试验将50kg 的自来水倒入容器内搅拌，搅拌均匀后静置20min。放入测试设备进行填充物收取，计时5min。将收取的填充物进行称重记录数值。下一组试验时，将收取的填充物倒入原先的容器内，再次增加50kg 的自来水进行测试、以此类推。本实验主要目的在于确认不同含水比例的电缆沟填充物对设备的收取速度影响是否很大，所以在测试数据的精度上无需过高。

在进行不同填充物相同含水比例收取速度测试时，第一组的试验先选择一种填充物作为试验材料，按“同种填充物不同含水比例收取速度测试方案”流程，依次倒入50kg、250kg、500kg 的自来水进行测试。例如第一组试验先完成沙子作为填充物时，进行含水量在0～10%、40～50%、90～100%这三种情况下设备的收取速度测试，以此类推。下一组试验再更换填充物材料进行试验即可，将实验结果记录成表格。综合相关测试的数据可以得出此次实验的结果：本文设计的电缆沟填充物收取设备，在用于电力施工检修作业时，可实现对同种填充物不同含水比例、不同填充物相同含水比例条件下的快速收取，尽管在不同试验条件下收取量存在差异，但收取的最终结果可满足设备在电力施工检修作业中的应用需求。

3 结语

综上，在目前电力抢修与维护施工中，电缆沟的填充物收取大多采用人工使用铁锹等简易工具进行挖取，此种填充物收取方式不仅存在人工劳动强度高的问题，还会降低施工效率。为了解决现有问题，本文研发了一种新型电缆沟填充物收取设备，通过操控半自动机械设备的手段，将电缆沟内填充物通过旋挖、旋导的方式，将填充物从电缆沟内挖取到地面上，从而降低电缆沟内填充物的收取与清理的劳动强度，加快施工进度，减少施工时长与停电时间。