全地形剪叉式復合材料絕緣檢修平臺

王 輝，刑 軍，張 遼，武 凱，李繼紅，王 棟，馮冬亮

國網陜西省電力公司檢修公司，陜西西安 710000

全地形剪叉式復合材料絕緣檢修平臺

王 輝，刑 軍，張 遼，武 凱，李繼紅，王 棟，馮冬亮

國網陜西省電力公司檢修公司，陜西西安 710000

本文在分析金屬剪叉升降平臺的基礎上，針對全地形剪叉式絕緣檢修平臺，從結構設計、受力分析、材料選擇和成型工藝等方面進行了系統的研究。該平臺適用于330kV及以下變電站內，工作面高度在八米以下的設備檢修工作，具有適合在變電站內各種地形地貌上移動，轉向靈活，穩定性好，承載量大，升降平穩，便于運輸，維護簡單方便，檢修安全性好等特點，能夠產生較好的經濟效益和社會效益，值得推廣和借鑒。

剪叉升降平臺；絕緣檢修；安全方便

剪叉式升降平臺是一種結構比較簡單，不但舉升力大、升降平穩、噪音低、操作方便、維修簡便，并可以停留在升降范圍內的任意位置上的一種升降平臺。它目前廣泛地應用在各行各業，如用作貨場裝卸貨物；各種工程中操作人員登高作業等。是一種較為理想的高空作業機具。

在電力系統變電站中地形及設備布置狀況復雜，因通道和空間限制，不能使用電力系統線路中通常使用的絕緣斗臂車進行帶電檢修作業。剪叉式升降平臺，底盤低，可以停留在升降范圍內的任意位置上作業。使用剪叉式絕緣升降平臺既能解決上述問題，大大降低勞動強度，快速提升檢修效率；又能解決目前各種各樣絕緣登高檢修工具并存，容易選擇不當，防護不當，安全隱患突出的問題。

但是市場上流通的履帶剪叉式升降平臺在結構上均是全金屬材質加工而成，沒有任何的絕緣性可言，不符合“安規”的要求，不能夠進入變電站進行設備的檢修作業。雖然有一些企業不斷嘗試制作剪叉式絕緣升降平臺，但均未成功。究其原因，主要是傳統的絕緣復合材料無法滿足升降平臺的強度要求，另外這些企業的結構設計能力有限，不能突破金屬剪叉式升降平臺的結構限制，根據絕緣復合材料的特性進行有效的改進。

為此我們進行了剪叉升降平臺功能特點分析求解，升降平臺總體布局方案和主要性能參數確定，各機構和各部件的結構方案設計，主要控制方案設計，剪叉機構設計計算，整機穩定性、可靠性驗算。

1 設計條件

根據剪叉式絕緣檢修平臺的使用情況，實現升降機構部分采用絕緣復合材料，相關材料性能符合GB13398等相關標準，保證絕緣安全裕度。在保證絕緣前提下，鉸接點、傳動、導向構件必須合理與堅固。平臺的最大檢修高度是8.0m，除去人體高度，操作平臺與地面之間的距離為6.5m，底盤部分預設0.5m，則剪叉機構的實際舉升高度為6m。頂部操作平臺外形尺寸2.2m×1.5m，適合2人同時作業。

2 剪叉臂的類比計算、結構設計與受力分析

2.1 剪叉臂的類比計算

經考察市場上滿足設計條件的金屬剪叉升降平臺的剪叉臂基本上采用100mm×40mm壁厚4.0mm的鋼管。為保證能用玻璃鋼型材替換掉鋼管，首先玻璃鋼型材必須有能與上述鋼管相同的抵抗彎曲變形的能力即抗彎剛度。以材料的彈性模量與被彎構件橫截面繞其中性軸的慣性矩的乘積來表示材料的抗彎剛度。

EI—抗彎剛度；

E —彈性模量；

I —慣性矩。

根據空心矩形管慣性矩的公式，計算金屬剪叉臂的慣性矩。

將金屬剪叉臂的尺寸數據：H=100，B=40，h=92，b=32，帶入公式（2）算得Iz=1256832；將該算值和鋼管的彈性模量E=2×105MPa帶入公式（1）算得鋼管的抗彎剛度EI=2.51366×1011。

使用萬能試驗機對H=75，B=40，h=67，b=32的復合材料拉擠矩形管進行彎曲試驗測試，跨距l=800mm。

表1 拉擠矩形管力—變形試驗數據

圖1 空心矩形管截面圖

根據彎曲模量的計算公式，計算復合材料拉擠矩形管的彎曲模量。

將數據帶入公式（3），算的復合材料拉擠矩形管的彈性模量E=3.5×104MPa。因此想要達到管的抗彎剛度EI=2.51366×1011，玻璃鋼拉擠型材的慣性矩I≥7.18×106。假設復合材料拉擠矩形管剪叉臂的尺寸數據：H=160，B=60，h=145，b=50，帶入公式（2）算得I=7.78×106＞7.18×106，并且有8%以上的余量，滿足設計要求。

2.2 剪叉臂的結構設計

根據頂出缸位置的不同設定，可以得到不同形式的升降平臺。下面以固定單剪叉來說明，用長度相等的兩根支撐桿AC和BD鉸接與兩桿的中心點E，兩桿的A、D端分別鉸接于平板和機架上，兩桿的B、C端分別于兩滾輪鉸接，并可在上平板和機架上的導向槽內滾動。它們的不同之處在于驅動頂出缸的安裝位置不同。

驅動頂出缸的下部固定在機架上，上部的活塞桿以球頭與上平板球窩接觸。頂出缸通過活塞桿使上平臺垂直升降。

臥式頂出缸活塞桿與支撐桿BD鉸接于B處。頂出缸驅動活塞桿控制平臺垂直升降。

頂出缸缸體尾部與支撐桿BD鉸接，活塞頭部與支撐桿AC鉸接。頂出缸活塞桿可控制平臺垂直升降。

直立固定剪叉式結構，頂出缸的行程等于平臺的升降行程，整體結構尺寸龐大，但頂出缸的效率較高，適用于復雜結構的剪叉平臺。

水平固定剪叉式結構，通過分析可知，平臺的升降行程大于頂出缸的行程，頂出缸的效率最低；剪叉臂所受的剪切力最大；而且活塞桿受橫向力作用，影響密封件的使用壽命。

雙鉸接剪叉式結構平臺的升降行程可到頂出缸行程的二倍以上，多見于金屬的剪叉式結構平臺。但頂出缸的作用力都直接作用在剪叉臂上，復合材料拉擠成型的剪叉臂一般難以承受如此大的作用力。

此外對于一些作業平臺面面積較大的剪叉平臺采用了雙套剪叉臂的結構。

但該結構平臺的頂起全賴于頂出缸，剪叉結構不能有效的受到力的作用，起到支撐穩定的效果。因此在市面上的雙剪叉升降平臺多為雙鉸接剪叉式的結構，單獨同步使用。

為保證剪叉結構的穩定，同時剪叉臂的受力必須滿足在拉擠成型復合材料性能所能承受的范圍內，我們創新性地在結構設計上改變傳統的剪叉結構，同時結合直立固定剪叉式結構形式和雙剪叉結構形式的優點，為雙剪叉多鉸接的結構，具體如圖2所示。

圖2 雙剪叉多鉸接結構形式

2.3 剪叉臂的受力分析

1）當升降平臺處于最低位置時，AD=h=1300mm、BF=1/4h=325mm、AF=1900mm、AO=OF=1/2AF=950mm、OE=EF=1/2OF=475mm。

2）當升降平臺處于最低位置時，AD=h=5700mm、BF=1/4h=1425mm、AF=1900mm、AO=OF=1/2AF=950mm、OE=EF=1/2OF=475mm。

3）剪叉臂的受力分析

對圖2雙剪叉多鉸接結構形式進行分析可知，該剪叉結構可分解成Ⅰ&Ⅱ兩副剪叉結構，如圖3所示。且分別對Ⅰ&Ⅱ兩付剪叉結構進行受力分析，結果不受影響。

按承受載荷為200kg，按1.5倍安全系數，平臺面自重100kg進行計算N=200×1.5+100=400kgf；每米復合材料拉擠型材剪叉臂重量g=4.934kg。

圖3 剪叉臂分解成兩副示意圖

忽略摩擦力，對剪叉Ⅰ中桿1進行受力分析，桿1的受力模型如圖4所示。

圖4 剪叉Ⅰ中桿1受力模型

根據具體的受力情況可知：

N1=400/2/4=50kgf；

g1=4.934×1.9=9.375kgf；

當α=9.85°時，解方程組可得

當α=47.12°時，解方程組可得

對剪叉Ⅰ中桿2進行受力分析，桿2的受力模型如圖5所示。

圖5 剪叉Ⅰ中桿2受力模型

當α=9.85°時，解方程組可得

當α=47.12°時，解方程組可得

同理，對剪叉Ⅰ中桿3進行受力分析，桿3的受力模型如圖6所示。

圖6 剪叉Ⅰ中桿3受力模型

當α=9.85°時，解方程組可得

當α=47.12°時，解方程組可得

對剪叉Ⅰ中桿4進行受力分析，桿4的受力模型如圖7所示。

圖7 剪叉Ⅰ中桿4受力模型

當α=9.85°時，解方程組可得

當α=47.12°時，解方程組可得

同理忽略摩擦力，對剪叉Ⅱ中桿進行受力分析可得：

綜合對剪叉臂Ⅰ和剪叉臂Ⅱ的分析結果，頂出缸的頂出力如下 ：

FⅠ=T1×2+T2×2=1466.666667kgf

FⅡ=T1×2+T2×2=1466.666667kgf

對剪叉臂Ⅰ剪切力最大的在桿3與桿4的鉸接處，當平臺處于最低位置，即當α=9.85°時，

對剪叉臂Ⅱ剪切力最大的在桿3’與桿4’的鉸接處，當平臺處于最低位置，即當α=9.85°時，

3 材料成型工藝

由于主升降部分采用復合材料矩型管材，為了滿足平臺整體強度要求，保證產品安全可靠，復合材料矩形管材采用采用先進的在線拉擠—編織工藝進行生產。拉擠—編織是一種全新的生產技術。目前國內通行的做法是采用普通的拉擠工藝進行復合材料絕緣管的生產，該工藝是大量采用縱向纖維，而橫向無纖維或者只有少量纖維（橫向纖維一般通過纖維氈、纖維布或者環向纏繞來實現），所以產品的環向強度遠遠小于產品的軸向強度。因此采用普通拉擠工藝生產出的復合材料產品很容易斷裂。而采用高溫聚合拉擠編織工藝后，編織工藝使所有的纖維均斜交，與軸線夾角不逞0°和90°，在編織過程中，纖維的運動軌跡為螺旋線，通過選擇適宜的纖維排列密度、角度及纖維的張力，大大提升產品的密度、軸向強度、環向強度和整體可靠性，從而保證剪叉臂在升降運行過程中的各種受力情況下性能均安全可靠。

4 結論

全地形剪叉式絕緣檢修平臺結構設計合理，強度能夠完全替代金屬結構，橡膠履帶式自行走方式能通過各類復雜地形，滿足電力安全生產現場要求，應用前景非常廣闊，由于產品統一、單一，簡單、易操作，檢修人員能夠非常快速的掌握正確使用方法，簡化現場檢修的工作步驟，不僅快速提高檢修效率，而且大大提升檢修工作的安全可靠性。

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TP3

A

1674-6708（2015）148-0142-04

王輝，工程師，安監部主任，工作單位：國網陜西省電力公司檢修公司，長期從事電力生產安全技術與管理工作

邢軍，高級工程師，公司副總，工作單位：國網陜西省電力公司檢修公司，研究方向：項目設計協調

張遼，高級工程師，工作單位：國網陜西省電力公司檢修公司，研究方向：項目設計研發

武凱，高級工程師，變電安全監察，工作單位：國網陜西省電力公司檢修公司，研究方向：電網安全管理、變電運維檢修等

李繼紅，工程師，變電安全監察，工作單位：國網陜西省電力公司檢修公司，研究方向：電網安全監督管理、應急管理等

王棟，工程師，變電安全監察，工作單位：國網陜西省電力公司檢修公司，研究方向：變電二次系統

馮冬亮，工程師，公司總監，工作單位：石家莊飛翔材料技術有限公司，研究方向：電力系統工器具開發等