輕量型工器具在技改搶建工程中的績效分析

胡劍　秦如海　劉繼武

【摘要】輕量型工器具擁有降低運輸成本、提升工作效率、便于施工展開等優勢，在技改搶建工程中綜合效益突出。應通過優化結構、優選輕量材料和優選加工方法等方法積極推進工器具輕量化，使工器具實現減重優化、提高性能的目的。

【關鍵詞】工器具；輕量型；績效；成本

當前，國家大力推進特高壓電網建設。特高壓線路具有塔高、導線張力大、金具和絕緣子重量大等特點，相應的作業工具也重量大。同時，工器具總量繁多，僅在特高壓線路帶電作業中就有金屬工具、絕緣工具、個人防護工具、檢測工具、輔助安全工具五大類，種類眾多。這對推動工器具輕量化改革，配備輕量型工器具，來提升作業工具開發管理水平提出了新的要求。

一、工器具輕量化的經濟效益分析

工器具輕量化是指根據施工實際需要和工器具的特點，綜合運用新材料、新工藝，并通過對工器具性能進行分析測試，在滿足作業性能、安全要求和成本經濟等要求的基礎上，以降低工程成本、提升工作效率、減少能源消耗、便于施工展開等為最終目的，來開展的優化活動。

選用輕量型工器具，在技改搶建工程中，會對工程成本帶來如下影響：

一是開展改型設計、更換輕量型器具會產生部分費用。改型設計工器具，必然需要投入一定的人力物力，實驗過程中需要消耗相關耗材，花費一定設計費用，產生了部分成本。但研究表明即使在大件工程機械的成本構成中，設計費用往往也只占總成本的5%，但是能影響60—70%的成本構成。同時，更換輕量型工器具需要投入一筆新的購置費用，并可能提前報廢原有工器具，產生一定的折舊成本空耗。

二是選用輕量型工器具會降低運輸、使用成本和人工成本。輕量型工器具與原工器具相比，最大的優勢就是重量減輕。重量減輕對工程成本特別是搶建技改工程的成本影響較大。電網建設工程具有建設直線距離長等特點，工器具的運輸成本在工程總成本中占比較高。而搶建工程中對工程建設時間進度要求高，要求人、材料、機械快速到位，運輸成本在施工總成本中占比更高。這種情況之下，多使用輕量型工器具，能在單位時間、單位臺班車輛運輸更多的工器具，降低車輛運輸成本。同時，對人工搬運的消耗也減少，單人可攜帶工器具數量增多，施工效率增加，降低了工程的人工成本。

三是工器具輕量化具有綜合成本優勢。根據工程建設實際成本構成分析，工器具輕量化具有綜合成本優勢。僅以選用輕質材料代替鋼材為例來開展分析，選用加厚的鋁合金材質零部件可以實現與與鋼材質零部件強度相當，滿足施工需要。但同強度的質量鋁合金材質零部件重量只有鋼材質零部件重量的1/2，盡管鋁合金價格比鋼材價格貴2倍左右，但結合零部件的全壽命使用周期中來開展成本核算的話，鋁合金材質的增效效益遠超增加份額，綜合成本優勢顯著。

二、工器具輕量化改造的方法

結合材料科學相關知識，工器具輕量化一般包括優化結構、優選輕量材料和優選加工方法三大類。

（一）優化工器具結構

一是開展零部件功能分析，減去冗余零部件或零部件中的冗余部分。隨著電網施工技術的發展進步，在特高壓線路施工中，部分原用于較低電壓等級線路施工的工器具中有部分零部件已成冗余，可結合搶建技改工程實際需要，減去冗余零部件，降低作業工器具的重量。

二是優化結構組合。結構優化設計是降低工器具重量的一種有效途徑。CAE仿真優化法是在輕量化設計中得到廣泛使用，它是指借助理論計算、有限元分析、數值優化、多目標優化等數學建模方法，在滿足工器具安全、強度、剛度和疲勞度等約束條件的基礎上，通過改變某些允許改變的設計變量，使工器具的綜合性能達到最優的拓樸優化方法。在進行工器具降重優化設計時，應對需要使用該工器具的各種工況進行建模、分網、加載、求解和后處理，合理分別不同部件的減重目標，對應力集中的零部件進行結構優化，在結構上進行相應調整，必要時可去除該部分，以實現在滿足約束條件前提下重量這一參數上的總體結構最優。

三是通過優化設計減小零部件外形尺寸。比如通過折疊化設計、壓縮化設計等改進，雖不能直接降低工器具質量，但便于工器具運輸，一定程度上達到了工器具輕量化改造的目的。

（二）優選輕量材料

新材料的研究和應用是實現工器具輕量化的最有效途徑。近年來，在生產實踐中，高強鋼、超高強鋼、鋁、鎂等合金新材料在各行各業中得到了廣泛的應用，特別是在汽車工業、飛行器制造工業、建筑工業等已經大量通過

選用新材料來降低重量。如由碳纖維、玻璃纖維等復合材料制成的工程塑料，它所制成的受力結構件，拉伸強度相當于鋼的35倍，穩定性、疲勞度、耐腐蝕性也都優于鋼，但同樣尺寸的工程塑料重量僅為鋼鐵的三分之一到四分之一，具有優良的輕量化性能，在結構件、功能件設計中得到廣泛的應用。

在電網施工作業工器具改良中，應廣泛參考當前已經得到廣泛應用的成功案例，大膽試用高強鋼、合金、工程塑料等新材料，根據施工實際需要和相關操作規范要求，選用最優的材料來設計工器具，采用性能更優、成本更低和質量更輕的零部件代替原有零部件，使工器具實現減重優化、提高性能的目的。

（三）優選加工方法

不同加工工藝、加工方法也會導致工器具的重量會發生變化。例如根據輕量化的要求來考量，同等性能的焊件比鑄件重量要輕，更加適宜于應用在工器具輕量化改造中。在具體的工器具輕量化設計中，應綜合運用上述三種方法，以期最大限度提升輕量化效果。

三、在搶建技改工程中選用輕量型工器具需要注意的事項

輕量型工器具擁有降低運輸成本、提升工作效率、便于施工展開等優勢，在技改搶建工程中綜合效益突出，應在送電線路施工項目中積極推廣應用輕量型工器具。但與此同時，選用輕量型工器具必須注意以下事項：

第一，選用輕量型工器具必須滿足工器具的基本性能需要，符合電網建設施工規范的要求。每一項工器具在電網建設施工作業中都有其獨特的功能，部分工器具對其剛性、張力、承載力、絕緣性、使用壽命等有明確的要求，在進行輕量化改造設計中，不能因為單純追求減重而影響其他性能，誘發安全風險和質量事故。正確的設計輕量型工器具應該是基于對工器具結構進行科學分析，對選用材質進行充分比對，在安全、成本、質量等方面進行綜合對比分析后，經過實踐驗證后再定型推廣。因此，輕量型工器具選型工作必須由充分熟悉現行到工器具并熟知送電線路施工規范的中高級施工管理人員完成。

第二，選用輕量型工器具必須與工器具生產、采購、分發、保管等工作做到協同推進，提升企業整體物資管理水平，才能夠真正發揮輕量型工器具的比較效益優勢。工器具的生產和采購環節應該嚴格保證質量，特別是輕量型工器具較多涉及到使用新材料、新工藝，應加強對材料工藝穩定性的控制，確保工器具質量過關。工器具分發和保管工作應做到科學有序，應參照施工定額和以往施工實際消耗情況的大數據進行科學管理，在物資申領調派運輸分發過程中應提高信息化水平，借助信息化手段來提高物資管理效率，以高效的物資管理來保障輕量型工器具真正在搶建技改工程中發揮出綜合優勢。

參考文獻

[1]石生智，特高壓輸電線路帶電作業工器具及作業方法研究，華北電力大學碩士學位論文，2013年度。

[2]章崇任，工程機械輕量化方法綜述，工業設計，2015（2）

[3]林炎炎，輕量化技術在工程機械研發中的應用，工程機械，2013（11）