基于汽车起重机的可调式跨越架的结构设计

刘 敏，甘利红，刘 帆，刘胤辰，王志斌

（1.国网湖北省电力有限公司咸宁供电公司，湖北咸宁 437000；2.湖北科技学院自动化学院，湖北咸宁 437100）

0 引言

在送变电行业的架线施工中，跨越是常见的施工工况[1]。跨越架是线路施工过程中用来支撑导、地线，临时通过公路、铁路、电力线以及弱电线路的架子[1-2]。传统跨越架在搭设前需要实地勘测，考虑天气等因素，需经过严格的审批流程、多方协调，搭设和拆除成本比较高，同时存在安全隐患，容易发生架体坍塌、人员伤亡事故[3]。

针对传统跨越架在应用中的问题，开展新型跨越架研究。文献［4］设计了一种新型移动格构式跨越架，文献［5］设计了一种伸缩式跨越架，文献［6］设计了一种升降式跨越架，文献［7］基于雨伞的工作原理，研制了一种车载移动式跨越架，由汽车起重机、跨越架本体以及附件等组成。

文献［3］～文献［7］中没有考虑跨越不同规格的电力线时对跨越架的实际整架长度和架顶宽度的尺寸的要求。因此，本文基于汽车起重机设计了一种可调式的跨越架，满足实际整架长度和架顶宽度可调的要求。立足于基本功能，新型跨越架的结构形式相较于传统跨越架有很大改变，使用更加便捷。

1 传统跨越架

1.1 传统跨越架组成

传统跨越架采用架体和封顶绝缘网的结合模式，架体的作用是承担导、地线的放线冲击，封顶绝缘网的作用是保护落线（图1）[2]。

图1 传统跨越架

传统跨越架的架体材料通常选用毛竹或钢管，其结构主要由立杆、纵横向水平杆、纵横向扫地杆、剪刀杆及羊角撑组成，通过铁丝或扣件连接而成的临时结构架，具有工作可靠、装拆方便和适应强等优点（图2）。

图2 传统跨越架架体立面结构

1.2 传统跨越架工作原理

架线过程中，新建杆塔之间架设的电力线的中心线和被跨越电力线的中心线重合，二者之间的交叉角为θ。新建导线或地线间距、风偏值及安全裕度是影响跨越架体有效长度的因素，而有效长度、跨越长度及交叉角之间存在几何关系，其中被跨越导线或地线间距、风偏值及安全裕度是影响跨越架体宽度的因素（图3）。

图3 传统跨越架的工作原理

2 新型跨越架设计

传统跨越架的工作原理表明，在不同的应用场景中，跨越架的跨越长度和跨越宽度需根据实际情况进行设计计算，以满足跨越需求。因此，本文提出一种新的跨越架设计思路，采用多板块式架体结构，实现跨越架的整架长度和架顶宽度可调。

2.1 载体

汽车起重机是目前应用非常广泛的一种起吊搬运机械，由起升、变幅、回转、起重臂和汽车底盘组成，依靠起重臂的伸缩来搬运物品（图4）。新型跨越架基于汽车起重机载体，机动性强、转移迅速，利用汽车起重机的回转、起升、伸缩功能满足跨越架的位置调整。

图4 汽车起重机

2.2 工作原理

基于传统跨越架的工作原理设计一种新型跨越架，其由主体和架体两部分组成，安装于汽车起重机的主臂末端。该主体机构有2 个自由度，可以满足架体的姿态调整功能，其工作原理如图5 所示。

图5 新型跨越架工作原理

新型跨越架的架体分为12 个板块，板块之间采用串联的结构形式，可通过调整板块之间距离实现跨越架的整架长度和架顶宽度可调，以适应不同场景对跨越长度和跨越宽度的要求（图6）。

图6 新型跨越架结构示意

2.3 结构设计

回转支承结构是新型机械零部件，能够承受复合型载荷，具有同时承受较大的轴向力、径向力和倾覆力矩的能力，在工业中应用广泛，被称为“机器的关节”，是物体之间作相对回转运动的重要传动部件。根据结构特点和应用场合的不同，其基本工作方式有两种：内圈固定，外圈旋转；外圈固定，内圈旋转。回转支承结构关节01 采用一侧是回转支承，另一侧是轴承的组合形式；关节02 采用回转支承；安装位置与汽车起重机的末端相连接；连接位置与架体相连接（图7）。

图7 新型跨越架的主体

图6 所示的多板块式架体，板块之间采用导向结构，由液压缸作为动力执行件。液压缸的安装方式包括底座型、法兰型、耳环型、耳轴型、销轴型及球头型等。由于本文中液压缸的工作行程较大，为避免液压缸杆发生弯曲变形，导致使用寿命缩短，选用耳环型安装方式。新型跨越架的架体结构如图8 所示，整架长度由左侧板块（A1、A2、A3）和右侧板块（B1、B2、B3）共同组成，架顶宽度由顶层板块决定，整体为可调式结构。

图8 新型跨越架的架体

3 工程应用

实际工程应用中，施工前审批流程多，对跨越施工方案的要求高，施工过程中需要进行高空作业，有时需要带电作业。在10 kV 线路施工过程中，搭设及拆除传统跨越架需要6 名工人协作完成，共需192 工时，单次搭设、拆除的成本约7 万元。新型移动式跨越架在搭设和拆除过程中需要2 台汽车起重机配合完成，1 台负责起吊跨越架，将其安装于另1 台的末端，耗时约10 min，需2 位吊车司机和1 位观察员协同完成，单次搭设、拆除的成本约0.4 万元。按照平均每年跨越施工次数30 次计算，每年可节约210 万元。

新型移动式跨越架在架线行业具有广阔的市场前景。新型移动式跨越架已成功实现172 次铁路、公路及输电线路的跨越施工，能有效提升施工效率，降低带电作业风险，减小交通运输压力，减少施工停电次数，降低社会公共安全风险，累计节省各项施工成本1000 余万元。

4 结论

本文设计的新型跨越架基于汽车起重机载体，可以实现架体的位置和姿态可调，并采用多板块式架体结构实现了跨越架整架长度和架顶宽度可调，扩展了跨越架的适用范围，可以适应不同的架线场景，大幅提高跨越施工效率。