适用于井下敷设的电缆敷设机的设计

2022-03-24陶霞俞伟勇王刚关山

机械工程师 2022年3期

陶霞，俞伟勇，王刚，关山

（1.杭州凯达电力建设有限公司，杭州 311100；2.东北电力大学机械工程学院，吉林吉林 132012）

0 引言

电力电缆在电力系统的主干线路中用以传输和分配大功率电能，合理选择电缆的敷设方式对保证线路的传输质量、可靠性和施工维护等都是十分重要的。随着电缆直径和长度的不断增加，输电线路的电缆自重呈数量级的增长，电缆敷设路径复杂多变等工况的出现，单纯依靠人工已无法满足输电电缆的布置需要和现代电网建设要求，必须依靠机械辅助来完成。机械辅助敷设与人工敷设法相比，在效率、敷设质量的可靠性、安全性及远期成本方面具有显著优势[1]。国内外的研究人员针对电缆敷设问题进行了大量的研究[2-5]。目前，应用于电缆敷设的机械辅助方法可分为单向牵引敷设法和串联助力敷设法，现有的电缆敷设机构虽然实现了数字化实时控制和信息化管理功能，但是大多以牵引力为主，在敷设过程中往往需要借助人力或者卷扬机配合，导致电缆敷设过程中会出现不同程度的损伤，同时对操作人员的技术水平有较高的要求。

因此，本文通过建立仿真模型，对电缆敷设机的结构进行设计，并根据功能要求，设计了电缆敷设机的控制装置，研发了一种以推送力为主的电缆敷设机，保证了电缆敷设质量，提升了电缆敷设的智能化水平和工作效率。

1 电缆敷设机结构分析

1.1 功能要求

通常以拉力为主的电缆敷设机工作效率低、劳动强度大、对电缆表面磨损严重，为了提高敷设效率，实现电缆敷设工作的智能化，将电缆敷设机设计成以推送力为主，由控制装置智能调控的方式。其主要功能有：1）根据不同工况条件智能调控夹紧力和电缆推送速度；2）升降方便，保证电缆和敷设管口对齐；3）实时采集夹紧力、敷设速度、敷设长度等工况信息；4）工况参数实时显示，控制装置报警保护。

1.2 参数计算

电缆敷设机布置在相邻的电缆井内实现电缆推送，可根据电缆管口位置对电缆敷设机进行调整，适用于不用型号电缆的敷设工作，同时可以通过电缆推送过程中对夹紧力的监测判断电缆的工作状态是否正常，假设相邻两电缆井间隔100 m，电缆直径为90 mm，对电缆敷设机的主要参数和主要部件进行计算和选型，推送电动机选型计算过程如下。

电缆的质量为12 314 kg/km，电缆与管间的摩擦因数μ为0.4，安全系数c为1.2，则需要提供的摩擦力为：

滑动丝杠的传动效率μ滑为0.3～0.6，所以夹紧力Fn计算公式为

所选电动机转速为3000 r/min，电动机与链轮之间的传动比i为100，链轮直径D链为0.1 m。则推送速度v的计算公式为

其主要技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数

2 电缆敷设机结构设计

电缆敷设机总体结构及工作方式如图1所示，包括输送装置、升降装置、固定装置和控制装置四部分，升降装置横跨电缆井两端，实现输送装置的升降；固定装置利用两端橡胶盘顶紧在井壁内侧，固定输送装置；电缆敷设机改变了以拉力为主的传统电缆敷设方式，在电缆敷设过程中针对不同型号的电缆施加不同程度的夹紧力，通过电缆与输送装置履带之间的摩擦实现电缆的推送敷设；控制装置可以实时采集电缆敷设过程中的各类工况参数，根据实际工况对电缆敷设机进行智能化调控以满足工作需要。

图1 电缆敷设机示意图

2.1 输送装置设计

输送装置主要包括夹紧装置和推送装置。整体长度为658 mm，高度为465 mm，宽度为314.5 mm，适用于在电缆敷设井内的狭小空间作业。

夹紧装置主要由导入轮组、支撑轴、夹紧壳体、夹紧电动机、直线止推轴承、丝杠丝母、夹紧丝杠等组成。当电缆进入导入轮组时，控制装置根据协调控制终端的指令控制夹紧电动机，从而带动夹紧丝杠转动，利用丝母的固定约束使得夹紧底板带动夹紧壳体进行相对运动，对电缆施加夹紧力，在电缆敷设过程中为电缆的推送提供足够的摩擦力，电缆敷设过程中对夹紧力的测量通过轮辐式压力传感器完成，压力传感器与丝杠丝母并排放置，实时测量施加给电缆的夹紧力，夹紧装置示意图如图2所示。

图2 夹紧装置示意图

推送装置主要由调节杆、链轮、传动轴、支撑板、传送带、光电编码器、推送装置减速器、推送电动机组成，在电缆敷设过程中，电缆通过导入轮组进入推送装置，调节杆可以调节链轮之间的中心距，张紧传送带，防止传送带在推送过程中工作异常；导入轮组与光电编码器摩擦轮驱动，从而实现对电缆推送速度的检测。当夹紧装置提供的夹紧力不足时，电缆可能会脱出输送装置，产生“打滑”现象时，光电编码器同样可以检测出电缆推送速度的异常，从而完成与协调控制终端的信息交互，控制夹紧电动机的启停，提供足够的夹紧力以保证电缆敷设工作的正常进行，推送装置结构如图3所示。

图3 推送装置示意图

2.2 升降装置设计

升降装置包括竖直调节装置、水平调节装置和支撑装置。竖直调节装置通过调节旋转丝杠来调节上下支撑臂的张角，从而控制升降机构竖直方向的移动；水平调节装置通过横梁上的滑轨控制升降机构在水平方向的移动；在电缆敷设过程中，支撑装置置于电缆井两侧，针对实际工况，升降装置可以将输送装置锁定在规定的高度，对齐电缆及敷设管口，避免电缆敷设过程中电缆产生较大弯曲，影响敷设工作的效率。升降装置如图4所示。

图4 升降装置示意图

2.3 固定装置设计

固定装置如图5所示，主要由橡胶底盘、支撑杆、支撑座组成，输送装置在井内电缆穿管模式时通过橡胶底盘与井壁接触。电缆敷设机在推送电缆过程中产生的推送力反作用力，若没有结构来抵消这个作用力，那么这个作用力的存在会使得电缆敷设机在敷设过程中出现结构损伤，因此为了避免这一缺陷，增加了固定装置，保证电缆敷设机的稳定工作。

图5 固定装置示意图

3 控制装置设计

电缆敷设机控制装置硬件使用MSP430F149IPMR作为主控芯片，包括信息采集模块、显示模块、通信模块和优化控制模块，在电缆敷设过程中实现工况参数的实时监测、显示及智能调控，控制装置的结构框架图如图6所示。

图6 控制装置结构框架图

根据控制装置数据处理实时性的要求和计算机性能的需求，使用MSP430F149IPMR作为主控芯片，负责实时状态监控、数模转换、信号采样[6]。工况参数监测传感器接入标准化接口模块，进行工况信号的采集，并与主控模块进行信息交互，主控芯片实现模拟电信号的数模转换，与优化控制装置实现串口通信，利用优化控制模块内置的控制算法，对电缆敷设机的工作状态进行实时监测并发送调控命令，其接线方案如图7所示。

图7 控制装置核心电路图

标准化接口模块接入多个传感器监测工况参数，由轮辐式压力传感器、光电编码器及相关控制电路构成，实现对夹紧力和电缆推送速度的测量；为了实现电缆敷设机与协调控制终端的双向通信，本文采用LoRa无线通信方案，LoRa是Semtech公司的一种基于扩频技术的超远距离无线通信方案，以其低功耗、长距离、低成本、大网络容量等特点拥有巨大的物联网应用空间，有效传输距离可达数千米以上。LoRa 技术的应用主要采用LoRaWAN通信协议，在满足终端节点低功耗通信的同时，又满足工况数据实时上传的需求[7]。无线通信程序流程如图8所示。

图8 无线通信程序流程图

控制装置在电缆敷设过程中对电缆敷设机的工况参数智能调控，由于输送装置在推送过程中预设的夹紧力不同，可能出现“打滑”的现象，控制装置将启动夹紧电动机，以预设的夹紧力增量对电缆夹紧，直至“打滑”现象消除，控制过程自动执行，无需人工干预，控制过程迅速，保障电缆推送过程顺利执行，控制装置工作流程如图9所示。

图9 控制装置工作流程图

显示模块是控制电缆敷设机人机交互的重要部分，用于实时显示电缆推送速度、夹紧力、推送长度等工况参数，显示模块主界面如图10所示，工况参数一栏显示电缆敷设机在工作过程中的运行状态，当夹紧力不足发生“打滑”现象时，打滑监测指示灯显示红色并闪烁，并将故障信息上传到协调控制终端进行调控；运行参数一栏显示协调控制终端调控的电缆参数及控制参数，电缆敷设机根据输入的电缆参数对应预设的夹紧力阈值，从而统一电缆的推送速度。