特大型输电线路大跨越塔组塔倾斜式升降机导轨结构快速校核

赵 俊，张仁强，夏顺俊，戴如章

(江苏省送变电有限公司，江苏 南京 210028)

500kV江阴长江第二跨越工程是华东电网500 kV输变电网架的重要组成部分，是华东、江苏“北电南送”的咽喉要道工程；500 kV江阴长江第二跨越塔全高385 m，跨越塔高度高、跨距大，施工环境复杂，高塔组立、导线架设、附件安装等工作均在高空进行，施工技术难度大。特大型输电线路大跨越塔组塔建设不同于常规输电线路大跨越铁塔，跨塔地处重大干流水系区域，施工难度大，影响安全的因素多，需要合理校核作业人员运输升降机结构，保证人员建设工作的安全性。

本文以500 kV江阴长江第二跨越的特大型输电线路大跨越塔组塔工程为背景，对SCQ90式作业人员运输升降机导轨结构方案进行详细研究，并结合解析法和结构化等多维度简化策略，提出了该升降机导轨结构强度快速计算方法，得到特大型输电线路大跨越塔组塔倾斜式升降机导轨结构校核结论及相关工程建议。

1 升降机结构方案介绍

SCQ90型号无对重中速倾斜式升降机安装在全高为385 m的500 kV江阴长江第二跨越的跨越塔上，用于运输施工作业人员上下工作面，以有效提高作业工效，缩短非工作时间，降低安全隐患，进而提高组塔、架线整体施工效率效益。升降机主要参数：最大提升高度为332 m；倾斜角为7.4°；额定提升速度为0～60 m/min；额定载重量为900 kg；吊笼质量为1 700 kg。

该升降机导轨结构如图1所示。导轨架与输电塔固定，起到了整体结构稳固及吊笼装置导引功能。考虑导轨架的实际固定由附墙架完成，因此本文讨论的导轨结构包括导轨及固定附墙架。

图1 导轨结构示意Fig.1 Structural diagram of guide rail

导轨架沿大跨越塔主支腿从下往上安装，倾斜角7.4°，与主支腿中心距2.2 m，架设长度342 m，共227节，其中基础节1节(无齿条)，标准节225节，顶节(无齿条)1节。

附墙架采用万向节式调节杆，连接座焊接于跨越塔主支腿上，附墙间距4.5 m。0—73道附墙采用调节杆式附墙，上中下3层布置，每道附墙共4根调节杆。其中，短连杆2根，长连杆2根。

2 导轨集中载荷计算

导轨架三维模型如图2所示。

图2 导轨架及其吊笼负载三维模型Fig.2 Three dimensional model of guide rail frame and its hanging cage load

由图2可以看到，若未进行预处理而直接对整个模型进行有限元分析，则计算量大，短时间内无法完成结构强度和稳定性分析工作。其中导轨架和附墙架结构较为简单，可以采用梁结构模型模拟，但是由于导轨架长度大、附墙架多、吊笼结构较为复杂，很难实现仿真模型精确近似[1-3]。对吊笼支撑点受力解析计算，以集中载荷的方式施加于导轨上，从而明显简化有限元计算模型。

吊笼受力如图3所示，其中A、B、C、D为吊笼与导轨连接的4个滑块装置，N为使吊笼运行的齿轮传动机构。

本文将分别对运动件、载重以及风载3方面载荷进行计算，按照叠加定理得到吊笼实际载荷大小。

(1)运动件载荷。运动件包括吊笼、传动系统等。其集中质心位于靠近导轨架的位置。

侧面力平衡方程为：

(1)

式中，G0为吊笼总重力；α为导轨偏斜角：I为AB点和CD点在垂直面的直线距离；a1、a2分别为重心与CD、AB线在x方向的距离，a1=424 mm，a2=650 mm。令d1，d2表示质心距A、B两点的z方向距离，有d1=364 mm，d2=298 mm。最后根据水平面位置关系，得到A点受力大小：

(2)

图3 吊笼受力示意Fig.3 Stress diagram of hanging cage

类似地，各点受力大小为FBO=2014N、FCO=2 527 N、FDO=3 087 N、FNO=16 030 N。

(2)载重载荷。根据标准，可知吊笼底板最大载荷密度为4.0 kN/m2。根据额定载荷900 kg测算，可认为最严重情况载重分布面积小于吊笼底板面积2.25 m2。考虑到升降梯顶部运输和安装标准节等其他货物，为了增加保险系数，确定吊笼运行时对总体结构最危险的情况为，所有载重均集中在远离导轨架的1/4角落处。

垂直面的力平衡方程为:

(3)

式中，G1为载重，G1=mg，8 820 N；a3，a4分别为载重重心与CD、AB线在x方向的距离，有a3=1 425 mm，a4=1 650 mm；令d3表示载重质心距整个吊笼重心两点的方向距离，有d3=750 mm。

类似地，根据水平面位置关系，得到各点力的大小为FA1=-4 589 N、FB1=11 310 N、FC1=-5 313 N、FD1=13 095 N、FN1=8 754 N。

(3)风载荷。根据导轨对吊笼的支撑方式，可初步判定吊笼受侧面风(分为z轴正、负两方向)和正面风(x轴正方向)为最危险情况。根据吊笼侧面和正面迎风面积不同，可计算得到侧面最大风载Fwz=9 480 N、正面最大风载Fwx=11 540 N。本文将对上述3种情况进行分析。

需要注意的是当吊笼承受侧向风时，由于吊笼滑块处存在侧向支撑轮，能够防止吊笼侧翻。其中垂直平面内风载的等效受力点投影到AB、CD连线上并与其距离分别为d4，d5，有d4=1 193 mm，d5=677 mm。根据吊笼各点空间位置，可以得到不同风向情况下的载荷计算结果，见表1和表2。

表1 吊笼垂直受风载情况Tab.1 Vertical wind load of hanging cage N

表2 吊笼侧向受风载情况Tab.2 Lateral wind load of hanging cage N

(4)综合载荷表示。根据上述计算，可以综合得到各滑块和齿轮受力表示：

(4)

式中，G2为风载综合载荷。

各系数表征了不同情况下外界作用力对滑块和齿轮作用力的影响程度，见表3。

表3 综合载荷系数表Tab.3 Comprehensive load coefficient

3 导轨结构强度校核

为了加快对导轨结构强度的计算与校核速度，本文采用解析法与有限元法结合的精确计算方法，将上述集中载荷求解结果直接施加于三维模型中，忽略吊笼结构，直接对导轨装置强度进行静载荷及疲劳载荷校核。此外在对导轨架进行静载强度校核时，由于导轨架所受应力沿高度呈线性分布[4]，对顶部和底部导轨架强度进行校核即可，从而明显提高核算速度。

3.1 顶部导轨架强度校核

首先确定许用应力值。导轨架主管材料为Q355B钢材，导轨架其他材料使用Q235钢材。根据标准得到的两种最危险载荷情况，屈服强度对应的许用应力见表4。

表4 不同工况导轨架安全系数和许用应力值Tab.4 Safety factor and allowable stress value of guide rail frame under different working conditions

然后对计算应力值进行求解。根据图4所示，导轨架应力最大的部位在标准节的中部主管，从而确定在不同的载荷组合下的最大应力。

(1)吊笼在附墙架中心：冲击系数为1、1.36、2.5，对应的最大应力为64.86、79.45，163.34 MPa。

图4 导轨架应力云图Fig.4 Stress nephogram of guide rail frame

(2)吊笼在两个附墙架之间：冲击系数为1、1.36、2.5。对应的最大应力分别为85.71、104.14、163.66 MPa。

综上所述，对于上述两种载荷情况，主管及其他部位的许用应力大于计算最大应力(表5)，符合要求。

表5 不同工况顶部导轨架许用应力与计算最大应力Tab.5 Allowable stress and calculated maximum stress of top guide rail frame under different working conditions

3.2 底部导轨架强度校核

底部导轨架不承受顶部导轨架上的风载，但是承受整个导轨架结构的重力。包括标准节、附墙架、滑触线等在内的不运动件的静载荷为495.31 kN，其中底部标准节承受部分附墙架的载荷，假设标准节承受1/2的附墙架载荷，则静载荷为436.34 kN。

根据仿真计算结果，取无风载情况的吊笼、载重物和风载在不同冲击系数下的应力，和导轨架自身重力引起的应力相加，得到计算应力值。底部导轨架的最大应力计算见表6。

表6 底部导轨架在不同的载荷组合下最大应力Tab.6 Maximum stress of bottom guide rail frame under different load combinations

从上述对主管的强度计算可知，对于工作状态，在不同载荷情况下许用应力大于计算最大应力(表7)，符合要求。

表7 不同工况下底部导轨架许用应力与计算最大应力Tab.7 Allowable stress and calculated maximum stress of bottom guide rail frame under different working conditions

3.3 导轨架疲劳强度校核条件

该倾斜式升降电梯设计寿命10年、单次工作循环时间10 min，确定导轨架使用等级为B5[5-6]。具体参数如下：单次工作循环时间600 s；每小时工作循环次数为6次；年使用率为0.5；1年内使用小时数为4 392 h；年工作循环次数为26 352；设计寿命为10年；设计寿命内工作循环次数为263 520次；升降机使用等级为U5中等频繁使用；载荷级别为Q1经常运输额定载荷；升降机整机的工作级别为A7；导轨架使用等级为B5。

对导轨架各部位疲劳强度进行校核，计算导轨架底部、1/4高度、1/2、3/4高度、顶部的疲劳许用应力，结果见表8。

由表8可以看到，疲劳许用应力大于计算最大使用应力，符合要求。综上所述，根据上述快速计算结果，可以得到该导轨架在静载荷和疲劳载荷作用下的结构强度满足实际工程使用要求。

表8 导轨架各部位疲劳强度判别结论Tab.8 Discrimination conclusion of fatigue strength of each part of guide rail frame

4 导轨结构机械稳定性分析

除载荷分析外，导轨结构的机械稳定性也决定了其运行安全性，需要对其进行模态分析[7]。模态分析的目的主要在于分析结构部分或整体的共振频率，以避免电机或运动部件在工作时处于某个结构的共振频率附近，从而造成结构的振动及失效[8]。下面分别从单个标准节、单个导轨架单元以及整个导轨架进行模态分析。由于结构模型逐渐复杂，需要采用不同结构化策略进行研究[9-10]。

4.1 单节标准节模型分析

对单个标准节进行模态分析，得到前十阶模态频率(表9)。

表9 单节标准节模态频率Tab.9 Modal frequencies of single standard section

标准节的第1、第2阶模态阵型如图5所示，分别为151.45 Hz和174.48 Hz，以整体结构的方向和方向振动为主。第3—第10 阶模态频率均分布在180～200 Hz，以支撑结构的钢管局部振动为主，对系统的影响较小。

4.2 导轨架单元分析

考虑导轨架的实际固定由附墙架完成，因此更一般地，对导轨架单元进行模态分析。1个导轨架单元包括2个附墙架及之间的4个标准节。由于计算模型较复杂，需要对其进行简化。

升降机结构系统中的附墙架与导轨架均采用空间桁架结构，并且均是角钢和槽钢焊接而成的[11]，那么针对这种空间桁架结构，采用梁单元来模拟和建模与实际情况较为吻合。本文采用Beam188梁模型代替实际导轨中细梁结构，用 MASS21单元来整体模拟吊笼。前十阶模态频率见表10。

图5 标准节模态分析Fig.5 Modal analysis of standard section

表10 导轨架单元模态频率Tab.10 Modal frequency of guide rail frame unit

其中一阶模态响应频率为8.608 4 Hz，二阶模态响应频率为27.641 Hz，从模态图中可以看到主要是导轨架单元的振动引起的导轨架整体在方向的平移模态，实际工况下由于导轨架底端固定可以忽略。其余模态集中在30～80 Hz，与导轨架的整体振动有关，需要避免。导轨整体频率见表11。

表11 导轨整体频率Tab.11 Overall frequency of guide rail

图6 导轨架单元模态分析Fig.6 Modal analysis of guide rail frame element

4.3 导轨整体模态分析

实际情况中，整个升降机导轨架是作为一个整体运行的。相比较于一般的结构单元，整体结构会受到2个方面的影响：①多个单元结构组合下引起的共振频率降低；②多个单元结构带来更多的固定支撑以及连接处的刚度增加，则会导致共振频率的升高。为了明确整体结构的模态变化，需要对导轨架整体结构进行有限元模态分析。

但因为导轨架结构过于复杂，如用前面的方法将无法进行建模和计算，需要使用新的简化方法。将每根杆结构简化为梁单元，可极大地减少计算量。整体结构低阶模态分析结果如图7所示。

根据仿真结果可以发现，整体结构的模态频率有所下降，一阶频率为2.419 6 Hz，二阶频率为3.156 1 Hz，其余频率在5.6～6.0 Hz。进一步地，一阶模态、二阶模态振动均发生在导轨架的顶端，即最上端的两节不受附墙架约束的自由端的标准节上，而其余模态频率的产生均是导轨架整体的结构振动。因此，在具体安装时，需要在最顶端的标准节上安装附墙架，以避免引起结构在低频率激励下的共振。

图7 导轨整体模态分析Fig.7 Overall modal analysis of guide rail

5 结论与建议

本文提出了特大型输电线路大跨越塔组塔升降机导轨结构快速校核方法，相较于传统复杂结构有限元方法，可明显加快导轨装置结构计算过程，具有理想的计算精确度，在实际工程中值得推广。通过对升降机导轨架结构的分析，可以做出以下结论：①风载是重要的载荷来源，需要考虑风载方向的不确定性对结构强度的影响；②升降机结构的设计方案总体满足要求。

结合研究对象，本文提出了相应的工程改进建议如下：①升降机底部标准节的最大应力接近于疲劳许用应力。建议对所有标准节建立身份识别标志，以便跟踪、管理其在整个寿命期的工作状态；②建议加强对磨损、腐蚀的监测，减少操作、装配和拆时的偶发事故，杜绝超载，进行良好保养，监控升降机有效使用寿命期内的工作状态；③对传动系统中5 Hz以上的激励振动源进行隔震处理；④加强风速监测，建议在地面风速超过10 m/s时，限制高空运行，暂停导轨加长施工作业。