一种杆塔重物举升装置的设计与优化

2022-11-25云南电网有限责任公司玉溪供电局雷亚兰李建东乔连留

电力设备管理 2022年6期

云南电网有限责任公司玉溪供电局郭磊雷亚兰李建东唐伟乔连留

变电站是电力供给的重要节点，而架空出线就像变电站的毛细血管，直接联通用电客户，源源不断地向外输出电能，保障客户能安全放心地使用清洁能源。伴随城市建设和配网改造的不断推进，线路停电检修改造已成为常态化工作，这意味着运行人员需频繁登杆开展线路接地线装拆操作。每次作业时，运行人员需全程穿戴全身式安全带，身体被束缚导致四肢受限难以发力，在向上攀爬的过程中还需注意观察，与带电设备时刻保持足够安全距离，杆塔上操作面可站立空间局促，无合适支撑和悬挂位置，操作人员在使用绳索吊、放操作工具时（含接地线、验电器、绝缘手套等总重约20kg），可能出现失手后工具坠落或与带电设备距离不足放电导致的意外事件发生。登杆开展线路接地线装拆操作对变电运行人员的身体素质和作业技能提出极高要求，针对此类作业存在的痛点、难点和风险点，亟需通过研发辅助工具，帮助操作人员有效降低工作负荷，提升作业质量和效率，保障人身、设备安全。

1 设计思路及优缺点分析

课题发布后，项目组人员积极思考、认真分析，明确分工后着手准备，通过查阅资料、头脑风暴和现场实勘，拟定三套解决方案如下：

方案一：固定滑轮+尼龙或钢丝拉线+手动或电动绞盘。该方案设计灵感来源于旗杆升降装置，通过手摇绞盘带动拉线运动，从而使与拉线末端连接的重物达到升降功能。其优点是方便灵活，简单实用，造价较低，不足之处是：地面人员手动旋转绞盘时速度较慢，且消耗体力；电动绞盘需在每基杆塔处预留外接电源，施工较为复杂；需预先在杆塔上焊接固定滑轮组，因焊接作业时与设备带电部位距离较近，存在误触电风险，需线路配合停电，影响供电可靠性；考虑到户外运行环境下，尼龙拉线长期受紫外线、粉尘和雨水侵蚀，钢丝拉线遇潮锈蚀，均会加速其老化，可能出现断股从而影响拉线整体承力性能，造成提升过程中断线坠物风险。

方案二：固定横杆导轨+滑动支架+电动葫芦绞盘。该方案参考车间内常见的行车起吊装置，结合变电站内现场实际情况进行简化，将行车起吊装置在上下、左右、前后三维空间的运动轨迹调整为只在上下和左右的纵向和横向的竖直平面内运动。具体实施方法是将所有杆塔在同一水平高度处用钢结构导轨连接后装设水平滑动支架，然后将电动葫芦绞盘固定在支架上，作业人员通过线控或者遥控，指挥绞盘自行走并牵引重物升降。该方案的优点是：人员操作简单快速，不耗费体力；装置扭矩大承重能力强；升降速度可自行调节；起吊钢丝绳非工作时段时缠绕收入绞盘内与雨水不接触无需特别维护；杆塔通过钢结构导轨连接后稳定性增强，提升对地震、大风的防御能力。不足之处是：普适性不足，需根据杆塔位置分布进行结构设计；工作电源接入要进行电缆敷设；造价高、工期长；负载较大对杆塔重心分布造成不利影响。

方案三：滑轮底座+伸缩式操作杆+传动机构。该方案为可移动结构，用滑轮底座将装置运送到工作地点并固定后，通过传动机构带动操作杆伸缩（上下）运动，从而达到重物升降功能。该方案的优点是：适用性强，轻便灵活，可移动装置满足所有相同作业场景的需求；无需施工，不增加杆塔任何额外附件，装置开箱即可使用，装拆简便；装置检查、维护、修理简单，均可在地面完成，无登高作业风险。不足之处是：与地面无有效连接，升高后防侧倾能力不足；操作杆完全展开后，极限举升高度逊于前两项方案。

通过对以上方案的优缺点讨论，围绕装置可行性、适用性、经济性、可靠性等几个方面进行评价分析，项目组一致认定方案三在装置的完成度方面明显优于方案一与方案二，其操作简单易学，制造成本适中，后期推广空间较大，拟予采纳，并针对其不足之处对装置设计、材料和工艺进行进一步优化。

2 装置初设结构及其工作原理

该杆塔重物举升装置包括储物箱、伸缩杆、升降控制箱和底座，承力结构采用不锈钢钢管焊接，具有较高机械强度。升降控制箱固定安装在底座上，升降控制箱内部中空，其设有传动组件。伸缩杆的底部插入升降控制箱内，且与传动组件传动连接，伸缩杆的顶部与储物箱的底部固定连接，伸缩杆通过传动组件能够带动储物箱相对于升降控制箱进行升降。

工作原理是通过采用手柄带动齿轮旋转，将力矩传导至链条使其做往复运动，从而使储物箱可上下直线升降。固定底座包括滚轮③及机脚⑦，使用时可将装置通过滚轮运送到指定地点，从而达到节省人员运输体力的目的，滚轮自身带锁止机构，可防止装置在升降过程中发生位移；三个机脚在水平面上间隔180°分布，为可伸缩结构，方便将装置固定于地面不发生晃动，并可通过螺母卡槽将机脚伸缩节可靠固定；通过对手柄⑤的圆周运动，从而带动齿轮传动器②变向旋转，减速齿轮带动链条④使收缩杆⑥和储物箱①做直线上下运动，从而达到传递工具的目的。其中手柄预留通用操作接头，可通过更换为手持电动螺丝刀等旋转工具，达到节省人力、提升速度的功能，齿轮传动器内采用正反双刹自锁，手柄停止转动后即自动锁止，防止手柄反转和重物下落。

3 初代产品存在问题

经现场操作试用，发现装置存在以下问题：底座支架较小，使用时重心高，防侧倾能力不足；不锈钢材料密度较大，移动时略显笨重；齿轮链条啮合传动工作时噪声、震动较大；伸展高度有限。

4 设计、材料和工艺优化

针对第一代产品存在的不足之处，项目组人员考虑围绕“小、轻、巧”的思路对其进行优化改进。“小”是为了保障装置在狭窄空间能收放自如，同时方便收纳和装车运输；“轻”是在保障装置具有足够机械强度的基础上，尽量使用轻量化材料，以便人员节省操作体力；“巧”是保障装置可靠工作的同时，使其具备快速拆卸、组装的可能。相关调整优化如下。

储物箱：将其材质由不锈钢钢板焊接更换为高分子树脂材料热成型，在不影响容积且坚固耐用的同时减轻自身重量。在储物箱四周外侧装设“O”型弹簧扣和尼龙绳，储物箱被举升至预定高度后，操作人将尼龙绳穿过杆塔空隙后用弹簧扣固定，使装置上部与杆塔连接牢固，在装置展开使用期间防止侧倾意外发生。

传动组件：采用包括传动齿轮、主动齿轮、主控伺服电机和传动链条的组合。动力系统改为多级电缸，全部电缸同轴设置，电缸之间通过直线导杆与另一缸体的底部固定连接，位于顶部的电缸直线导杆与伸缩杆的底部固定连接，升降控制箱的一侧侧壁上设有分别控制各电缸启动的控制电路板及控制按钮。传动齿轮安装于伸缩杆的底部，主控伺服电机固定安装于升降控制箱一侧顶端的外部，其输出轴穿过升降控制箱，且在升降控制箱的内部与主动齿轮固定套装连接，主控伺服电机带有就地控制器，且具备远程控制。传动链条的一端固定于升降控制箱内一侧的顶部，其另一端依次绕过传动齿轮和主动齿轮后，固定于升降控制箱内另一侧的底部。升降控制箱的顶部设有对伸缩杆进行升降导向的导向孔，伸缩杆可通过导向孔插入升降控制箱内部。

底座：为矩形板体，为了保证装置的稳定性，采用可伸缩结构，包括主支撑板和前、后伸缩板。其中升降控制箱固定安装在主支撑板上，前、后伸缩板分别位于主支撑板的前后两侧，均通过导向杆与主支撑板伸缩式滑动连接，其底部四角处设有滚轮。升降控制箱的两侧还对称设有配重块放置槽，通过配合配重块进一步保证装置升降过程中的稳定性。主支撑板上有水平尺，地面人员可以通过其指示调整伸缩板行程，使装置底座与水平面平行，保障装置在坡面或凹凸不平的地面正常平稳工作。

5 试用情况

该杆塔重物举升装置使用时，可将接地线、验电器、绝缘手套等器材放置于储物箱1内，操作人员可轻装攀爬杆塔。地面辅助运行人员启动升降控制箱3，可依次按下控制电路板6上的控制按钮，使若干电缸5中位于最底部的电缸5先启动；电缸5启动后，其直线导杆伸出，并带动其余电缸5及伸缩杆2、储物箱1进行上升；当最底部的电缸5的直线导杆到达最大行程后，若上升高度不满足需求，则再控制临近底部的电缸5启动，直至伸缩杆2和储物箱1上升至足需求高度即可。通过传动组件使伸缩杆2带动储物箱1相对于升降控制箱3进行升降时，首先启动主控伺服电机9，使其输出轴反向转动，主控伺服电机9即带动主动齿轮8使传动链条10与升降控制箱3内一侧的顶部的固定端至主动齿轮8处的长度变小，传动链条10即对伸缩杆2及储物箱1产生向上的拉力，使伸缩杆2通过导向孔11进行上升动作；当上升至足需求高度后，停止主控伺服电机9，使储物箱1保持在该高度；作业结束后再次启动主控伺服电机9，使其输出轴正向转动，受伸缩杆2及储物箱1的重力作用，伸缩杆2下降收缩至升降控制箱3中。伸缩杆2通过升降控制箱3内的传动组件带动储物箱1及储物箱1内的器材、工具相对于升降控制箱3进行升降；当储物箱1升至作业点处后，停止升降控制箱3，使储物箱1保持在该高度，以便于操作人员根据需求从储物箱1内拿取器材、工具。