一款用于變電站的融冰工程車(chē)

蘇曉明 蘇華君 單光學(xué)

SU Xiao-ming et al

山東岱陽(yáng)重工機(jī)械有限公司 山東泰安 271000

1 前言

近年來(lái)，我國(guó)很多地區(qū)遭遇低溫雨雪冰凍天氣侵襲，造成變電站停運(yùn)，線路桿塔倒塌及損壞，導(dǎo)致大面積停電事故，給生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重的影響。目前國(guó)內(nèi)采用直流融冰技術(shù)設(shè)備對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行融冰，受體積、質(zhì)量等因素限制，融冰設(shè)備通常安裝在貨車(chē)上使用。由于貨車(chē)成本高，且變電站內(nèi)通道狹窄，融冰作業(yè)時(shí)操控不方便，同時(shí)受電源限制，融冰時(shí)間較長(zhǎng)，影響工作效率，有些地區(qū)還采用吊車(chē)將人員、跨接導(dǎo)線吊起進(jìn)行人工掛接，不但效率低，而且存在安全隱患。為克服上述缺點(diǎn)，研制了一款用于變電站的融冰工程車(chē)。該車(chē)移動(dòng)靈活，便于操控，不受變電站內(nèi)通道和動(dòng)力電源的限制，且安全可靠，如圖1所示。

2 總體設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)

融冰工程車(chē)主要用于變電站承載融冰開(kāi)關(guān)設(shè)備，采用蓄電池作為驅(qū)動(dòng)能源，由串激直流電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)傳動(dòng)軸來(lái)驅(qū)動(dòng)后橋車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。前橋?yàn)橐簤恨D(zhuǎn)向車(chē)橋，制動(dòng)采用后橋電磁制動(dòng)，轉(zhuǎn)向通過(guò)駕駛室內(nèi)按鈕操作轉(zhuǎn)向和遙控器操作轉(zhuǎn)向；車(chē)架采用四道縱梁結(jié)構(gòu)，形成“井”字車(chē)架，提高了車(chē)架的承載能力和抗扭能力。

融冰工程車(chē)主要由底盤(pán)、升降裝置、柴油發(fā)電機(jī)組、橫向移動(dòng)裝置、支撐裝置、控制系統(tǒng)等組成，如圖2所示。

融冰工程車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮融冰工程車(chē)整備質(zhì)量及車(chē)上安裝的融冰裝置的質(zhì)量，通過(guò)計(jì)算確定升降裝置、柴油發(fā)電機(jī)組、橫向移動(dòng)裝置的位置，合理分配軸荷。

2.1 底盤(pán)

底盤(pán)是融冰工程車(chē)的主要總成，是承載融冰設(shè)備的關(guān)鍵構(gòu)件，主要由車(chē)架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總成、后驅(qū)動(dòng)橋總成、電機(jī)、減速器、電瓶箱、制動(dòng)系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)等組成，如圖 3 所示。

底盤(pán)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮融冰設(shè)備的高度、尺寸以及變電站內(nèi)的通道寬度。融冰設(shè)備總高度約為3500 mm，底盤(pán)承載面應(yīng)控制在500 mm以下，采用駕駛面板控制和地面無(wú)線遙控兩種控制方式，工作時(shí)可根據(jù)場(chǎng)地情況選擇控制方式。

車(chē)架是融冰工程車(chē)的主要承載部件，車(chē)架的強(qiáng)度決定了融冰工程車(chē)的使用壽命和使用安全。由于行駛中車(chē)架承受交變載荷，強(qiáng)度校核時(shí)需選取一定的安全系數(shù)，由于最高車(chē)速為4 km/h，故安全系數(shù)選取2.5[1]。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總成由液壓動(dòng)力單元、橋體、轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向搖臂、主銷(xiāo)、調(diào)節(jié)絲桿、車(chē)輪等部件組成。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用液壓缸控制，由電控液動(dòng)力單元提供動(dòng)力，為保證設(shè)備轉(zhuǎn)向可靠性，選用進(jìn)口意大利動(dòng)力單元，液壓泵流量為0.75 ml/r，電機(jī)功率為0.8 kW。

電機(jī)采用串激直流電動(dòng)機(jī)，該電機(jī)為高品質(zhì)牽引電機(jī)，功率大，抗過(guò)載能力強(qiáng)，具有良好的承載能力和優(yōu)良的加速性能。電機(jī)減速器采用齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，齒輪箱采用焊接結(jié)構(gòu)。電動(dòng)機(jī)選型時(shí)需計(jì)算勻速行駛時(shí)額定功率及車(chē)輛爬坡時(shí)的瞬時(shí)功率[2]。

蓄電池額定電壓為48 V，續(xù)駛里程應(yīng)不少于10 km。蓄電池選型時(shí)，應(yīng)先初選型號(hào)，按最高速勻速行駛條件計(jì)算電動(dòng)機(jī)負(fù)荷電流，定義蓄電池的放電深度、平均放電效率、電機(jī)及其控制器效率后核算蓄駛里程。

制動(dòng)系統(tǒng)為電磁制動(dòng)，由制動(dòng)控制器、制動(dòng)盤(pán)等組成，制動(dòng)電壓采用24 V直流電壓，具有制動(dòng)平穩(wěn)、距離短、制動(dòng)可靠等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 升降裝置

升降裝置通過(guò)升降使得融冰開(kāi)關(guān)裝置與高壓母線合、分閘，由上、下底架、剪刀叉、液壓動(dòng)力單元、油缸等組成，如圖4所示。

上、下底架采用鋼板沖壓槽鋼焊接而成，剪刀叉采用矩形管結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為Q345。

升降裝置設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)承載載荷選擇電機(jī)功率，升降行程按融冰裝置工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。升降裝置承載為1200 kg，校核計(jì)算后選擇3 kW電機(jī)，工作時(shí)升降行程為7000 mm，為方便調(diào)整，設(shè)計(jì)行程為8000 mm，選擇4支缸徑為φ80 mm的單作用活塞油缸，由電磁換向閥控制實(shí)現(xiàn)升降，上升和下降到位安裝有限位開(kāi)關(guān)，并輔助機(jī)械限位。控制閥選用防爆電磁換向閥。

2.3 柴油發(fā)電機(jī)組

柴油發(fā)電機(jī)組為升降裝置、橫向移動(dòng)裝置及支撐裝置等提供電源。柴油發(fā)電機(jī)組由柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、儀表箱和防雨棚等組成，如圖5所示。

柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)連接采用彈性聯(lián)軸器連接，并通過(guò)減震器安裝在公共底座上。儀表箱安裝在柴油機(jī)上，在儀表箱上裝有控制屏。控制屏能夠?qū)C(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)、停機(jī)、緊急停機(jī)的手動(dòng)控制和操作，還能進(jìn)行參數(shù)測(cè)量和實(shí)時(shí)顯示三相電壓、三相電流、運(yùn)行時(shí)間、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑油的壓力、冷卻水的溫度等。同時(shí)具備故障LED顯示及故障時(shí)關(guān)閉油門(mén)，使發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。

柴油發(fā)電機(jī)功率選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)用電設(shè)備總功率進(jìn)行選擇，并留有一定的后備功率，考慮到設(shè)備的使用最大功率為3 kW，選擇12 kW陸用柴油發(fā)電機(jī)。

2.4 橫向移動(dòng)裝置

升降裝置和底盤(pán)上各安裝有一套橫向移動(dòng)裝置，用于融冰裝置的橫向移動(dòng)，橫向移動(dòng)裝置由底架總成、液壓動(dòng)力單元等組成。液壓動(dòng)力單元由電機(jī)、齒輪泵、電磁換向閥、溢流閥、節(jié)流閥、油箱及油缸等組成，如圖6所示。

橫向移動(dòng)裝置應(yīng)滿足融冰設(shè)備橫向移動(dòng)時(shí)平穩(wěn)、安全、可靠的要求。底架采用鋼板沖壓槽鋼焊接而成，上面板采用δ20.0 mm鋼板作為設(shè)備基礎(chǔ)，車(chē)軸、車(chē)輪采用45#鋼調(diào)質(zhì)處理，車(chē)軸與車(chē)輪采用帶防塵圈結(jié)構(gòu)的軸承連接，車(chē)輪橫向及縱向均安裝了限位角鐵，軌道采用型鋼結(jié)構(gòu)；電機(jī)為0.75 kW/220 V，選用缸徑為φ40 mm的單作用活塞油缸，行程為350 mm，通過(guò)電磁換向閥控制實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng)裝置往返移動(dòng)。

2.5 支撐裝置

支撐裝置分為液壓支撐裝置和手動(dòng)支撐裝置，支撐裝置通過(guò)螺栓連接安裝在底盤(pán)上，用于升降平臺(tái)舉升作業(yè)時(shí)支撐車(chē)體和負(fù)載。手動(dòng)支腿采用螺旋傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)專(zhuān)用工具旋轉(zhuǎn)絲杠實(shí)現(xiàn)升降，其材質(zhì)為45#鋼，承載能力強(qiáng)。液壓支撐裝置與升降裝置共用一套動(dòng)力單元。

2.6 控制系統(tǒng)

底盤(pán)的控制系統(tǒng)是車(chē)輛的中樞系統(tǒng)，需根據(jù)蓄電池的容量及負(fù)載合理選擇控制器。該車(chē)的底盤(pán)控制系統(tǒng)采用美國(guó)GE通用組件，可預(yù)設(shè)工作電壓、啟動(dòng)時(shí)間、電流極限，具有可靠的過(guò)壓、欠壓、超溫自動(dòng)保護(hù)特性。

液壓支撐裝置、升降裝置、橫向移動(dòng)裝置的操作采用轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，該控制系統(tǒng)的核心功能在于具有防誤操作、安全互鎖功能。車(chē)輛行駛時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組不能啟動(dòng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)液壓支撐裝置、升降裝置、橫向移動(dòng)裝置的工作互鎖。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

融冰工程車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)底盤(pán)縱梁抗彎強(qiáng)度、整車(chē)側(cè)傾角、蓄駛里程、最大行駛速度、升降裝置上升到最大行程時(shí)的時(shí)間、附著條件、橫向移動(dòng)裝置移動(dòng)最大速度等進(jìn)行計(jì)算，由于篇幅有限，本文只對(duì)整車(chē)側(cè)傾角、蓄駛里程、最大行駛速度的計(jì)算進(jìn)行介紹。

3.1 整車(chē)側(cè)傾角

融冰工程車(chē)總質(zhì)量為6080 kg，前軸載荷為2655 kg，后軸載荷為3425 kg，前后軸輪距B均為1500 mm，簧載質(zhì)量質(zhì)心高度為h=1128 mm。融冰車(chē)整車(chē)側(cè)傾角度為：

3.2 續(xù)駛里程

融冰工程車(chē)行駛驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下：額定功率P=3 kW，額定轉(zhuǎn)速n=1800/1500 r/min，額定電壓V=45 V，額定電流為I=90 A，最高轉(zhuǎn)速nmax=3200 r/min。

通過(guò)計(jì)算，在時(shí)速v=5.42 km/h勻速行駛時(shí)，所需驅(qū)動(dòng)功率為P1=1.46 kW，電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷電流為:

蓄電池容量為q=210 Ah，定義蓄電池的放電深度為a=0.7，蓄電池的平均放電效率為η1=0.95，電機(jī)及其控制器效率為η2=0.9，

則續(xù)航里程S：

3.3 最大行駛速度

融冰車(chē)行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為n=1500 r/min，減速機(jī)速比為i1=6.3，后橋主減速比為i2=5.375，7.0-15/5.0實(shí)心輪胎直徑為r=650 mm，則融冰車(chē)運(yùn)行速度：

4 移動(dòng)融冰工程車(chē)特點(diǎn)

移動(dòng)融冰工程車(chē)具有以下特點(diǎn)：

a. 柴油發(fā)電機(jī)組為升降裝置、橫向移動(dòng)裝置等設(shè)備提供動(dòng)力電源，解決了設(shè)備工作時(shí)電源的限制，具有行駛中為底盤(pán)自充電功能；

b. 升降平臺(tái)升降時(shí)可停在任意高度，舉升時(shí)具有聲光報(bào)警功能；

c. 底盤(pán)行駛具有無(wú)極調(diào)速功能，行使車(chē)速在0～4 km/h可調(diào)；

d. 配有外接電源，不用柴油機(jī)發(fā)電也可操作升降平臺(tái)升降。

5 結(jié)語(yǔ)

此款用于變電站電力線路融冰的移動(dòng)工程車(chē)不但解決了融冰裝置承載和移動(dòng)的困難，而且還解決了變電站內(nèi)通道狹窄，普通工程車(chē)在站內(nèi)不能行走自如的難題。首批產(chǎn)品已經(jīng)交付貴州電網(wǎng)變電站使用，目前用戶反映使用良好，該工程車(chē)將推動(dòng)融冰工程技術(shù)的發(fā)展，此移動(dòng)融冰工程車(chē)已獲得國(guó)家專(zhuān)利技術(shù)，專(zhuān)利號(hào)為：ZL 201220069554.3。

[1]徐達(dá).專(zhuān)用汽車(chē)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1998.

[2]王貴明.電動(dòng)汽車(chē)及其性能優(yōu)化[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.