自提升型跨越架標準節起吊裝置設計及應用

閻 萌，孫章領，張湘潭，羅本壁，吳昊亭

(1.河北省送變電公司，石家莊 050051；2.國家電網公司交流建設分公司，北京 100005)

自提升型跨越架標準節起吊裝置設計及應用

閻 萌1，孫章領1，張湘潭1，羅本壁2，吳昊亭2

(1.河北省送變電公司，石家莊 050051；2.國家電網公司交流建設分公司，北京 100005)

特高壓輸電線路建設中組合格構式跨越架的組裝中需要一種輕型化的起吊裝置，為滿足該需求，提出一種自提升型跨越架標準節起吊裝置，該裝置以鋼管為主體，通過頭部旋轉帽對格構架的標準節進行起吊，并通過便攜式牽引葫蘆進行自提升，經過現場反饋，裝置存在質量較大以及卡具安裝不方便的問題，通過改變主體材質以減輕其質量，同時對其中的卡具進行改進，方便操作人員安裝。

特高壓輸電線路；跨越架；起吊；自提升

特高壓輸電線路建設中經常需要跨越高速鐵路、電氣化鐵路和重要電力線路[1-5]。其中的組合格構式跨越架，是由標準節六通連接件組裝而成，標準節及組裝成型的架體見圖1所示。當遇有山區、河網等特殊地形或鐵路管理部門有特殊要求，而不具備起重機吊裝作業條件時[4]，需要一種輕型化的起吊裝置對跨越架進行組裝。為滿足這種需求，研發出一種自提升型跨越架標準節起吊裝置。

1 需求分析

跨越架使用的標準節為角鋼鋼板焊接而成的空間桁架，其規格以截面尺寸劃分。在該跨越架立柱的主要規格有500 mm、600 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm，其中500 mm、600 mm、800 mm規格多用作橫梁，而作為立柱的是800 mm及以上規格。其相應規格長度及質量見表1。在吊裝中立柱時為單節吊裝，吊裝橫梁時同時使用2個起吊裝置整體吊裝。在橫梁最長值12 m時，由4個800 mm×3 m標準節組裝時最重，質量為896 kg?？紤]到不平衡載荷系數k1=1.1以及動載荷系數k2=1.1，以及吊裝設備的整體安全系數1.4，單個起吊裝置的載荷應大于759 kg。

圖1 組合格構式跨越架及其標準節示意圖

表1 不同規格標準節質量表

長度500mm600mm800mm900mm1000mm2m84kg100kg149kg194kg240kg3m126kg150kg224kgN/AN/A4m168kg200kgN/AN/AN/A

2 裝置設計

裝置的設計思路為：使用1根較長的無縫鋼管作為起吊裝置主體，將無縫管的根部通過卡具固定在已經組立的標準節上，然后在其頂端設置一可繞無縫管旋轉的起吊橫臂?？紤]到起吊抱桿節的最大高度為4 m，固定端長度為 1 m，因此主體高度設計為5.5 m。起吊橫臂長度應以最大的1 000 mm截面標準節進行設計，1 000 mm標準節的半對角線長為707 mm，加上抱桿主體的半徑60 mm，起吊橫臂長度應大于767 mm。為保持起吊物與桿體的間隙，將此參數設定為850 mm，即荷載力臂為850 mm，同時已知起吊裝置的荷載為800 kg，可由此確定主桿的截面尺寸，經計算，主桿可使用φ121 mm×7 mm熱軋無縫管鋼管為主體。起吊裝置總體設計如圖2所示。起吊裝置的鋼管上按裝可在鋼管上自由轉動的旋轉帽，在其上裝有起吊鋼輪和轉向鋼輪，下端負有重物的鋼絲繩通過起吊鋼輪引至轉向鋼輪，在轉向后穿入旋轉帽和鋼管，從鋼管下部穿出引出至牽引絞磨。

圖2 提升裝置總體設計

裝置的固定卡具設計為一端為角鋼卡具，另一端為圓管抱箍。為方便裝拆，將圓管抱箍部分設計為2個半圓管的形式。同時，如圖3所示，由于起吊裝置在起吊過程中徑向支反力方向隨著旋轉帽的方向改變，變化范圍如圖所示，當受力方向為圖3中箭頭位置時，將在圓箍和卡具連接處產生較大彎矩，而此處該方向的抗彎截面模量較小，因此在卡具和半圓箍上增加連接耳(圖中紅色部分)，使該處截面變為C型截面，以提高其抗彎截面模量。

圖3 固定卡具設計

起吊裝置自提升功能的實現是依靠其底部的電動葫蘆。圖4為自提升過程示意圖。在自提升過程前，先安裝上下提升腰環至已經組立的抱桿上，并保持其間距大于800 mm。安裝電動葫蘆于裝置的底部，并將電動葫蘆的牽引掛鉤掛于上提升腰環的掛孔內，之后將電動葫蘆的固定掛鉤掛于提升裝置下部提升抱箍的吊環螺絲上，之后調整就位提升抱箍上的吊環螺絲，完成后，收緊電動葫蘆的鋼絲繩，使其承受裝置自提升部分的質量，在此之后，拆卸固定卡具。在固定卡具拆卸完成后，通過電動葫蘆對鋼絲繩的收緊，提升起吊裝置就位。在起吊裝置就位后，安裝固定卡具，在固定卡具上緊后拆除上提升腰環、下提升腰環和電動葫蘆。此時可繼續進行起吊作業。其中，起吊裝置自提升部分質量為150 kg，最大提升距離為4.5 m，電動葫蘆選擇額定載荷500 kg，繩長6 m的ATQ-04型號。

圖4 裝置自提升示意

3 裝置改進

經過現場使用反應，起吊裝置有以下問題：首先由于自提升部分自重較大，不方便使用；其次固定卡具和提升腰環的安裝過于繁瑣。

針對自重較大的問題，采取將裝置的自提升部分(即旋轉帽部分以及主桿)改變材料的方式減重，將熱軋鋼板(管)改為鋁合金板(管)。對改換材料后的裝置進行校核。受力示意見圖5。

圖5 受力示意圖及彎矩圖

最大彎矩

M=P×L=8 000 N×850 mm=6 800 000 N·mm

抗彎截面模量

最大彎曲應力

鋁合金桿壓桿穩定計算(外徑121 mm，壁厚7 mm)

因此采用用歐拉公式計算

軸向力帶來的應力

將模型導入ABAQUS有限元軟件進行分析，采用C3D10(10節點二次四面體單元10-node quadratic tetrahedron)劃分網格，在旋轉帽處的螺栓孔處施加平行于z軸的-8 000 N集中力荷載，限制固定卡具處主桿的全部自由度。計算出Von Mises應力云圖如圖6所示(截取抱桿頭部)，類似的，可以得到，受力最大處在旋轉帽根部的主桿外緣處，此處應力為126.9 MPa。因此，如將主桿更換為鋁合金，則不能滿足壓桿穩定校核[6]。

圖6 Von Mises應力云圖(截取端部)

通過上述計算可以發現，裝置的主要應力由彎曲引起(其產生的應力約為100 MPa)，其軸向壓力產生的應力(僅為3.2 MPa)非常小。為減小主桿的應力，在裝置的起吊側的對側設置了平衡該力矩的預應力桿，其力臂與起吊側等長，其中結構為圓型截面的上拉桿以及H型截面的下壓桿，如圖7所示。通過該力臂平衡起吊裝置桿體所受的彎矩，適當調整預緊桿使主桿只受軸向壓力，此時彎矩消除，軸向力增大為原來的2倍，增大至6.4 MPa，但仍遠小于臨界應力13.6 MPa。

圖7 力矩平衡裝置

新增拉線上端固定于旋轉帽，下端點應在固定起吊裝置根部，此受力點應可繞主桿轉動，同時考慮到其固定位置，此處結構將受傾覆力矩，而普通的滾動體軸承必須成對使用才能承載傾覆力矩，為保持結構簡潔，并減小質量，在此處選擇安裝四點接觸回轉支撐。此時主桿及旋轉帽均可采用鋁合金材料。裝置自提升部分的質量將由原來的150 kg降低為80 kg，總重由190 kg降低為120 kg。 同時，原設計在使用中，發現其固定卡具的安裝就位困難。為簡化固定卡具的安裝就位，將抱桿的固定卡具從原來的分體式設計改為一體式設計，并減少一組固定螺絲，改進前后如圖8所示。改進后，在固定卡具操作中，由安裝13條螺絲，變為安裝6條螺絲。同時，卡具的開啟形式改為了合頁式，在安裝過程中抱桿主體更容易對中，方便使用人員的操作。

圖8 固定卡具改進

針對自提升過程中腰環安裝就位困難的問題，如圖9所示將原設計中的上提升腰環與下提升腰環的不同形式改為統一形式。在提升過程中，只打開和拆除輥子部分，腰環與抱桿主材連接的部分在使用完后不拆除，在抱桿下降的過程中可以繼續使用腰環與抱桿主材連接部分。

4 結束語

自提升起吊裝置可以滿足特高壓輸電線路建設中組合格構式跨越架的組裝需求。在場地限制，難以使用吊車等大型起吊設備時，可以使用本裝置作為替代。通過現場使用反饋，對裝置的結構進行改進，優化其受力形式，以此將原有以熱軋鋼板(管)為主的材質改為鋁合金材質，極大的減輕了自提升部分的質量，使該裝置在施工現場的使用更加方便。同時，對其固定卡具和提升腰環的機構進行改進和優化，減少操作人員的工作量，縮短起吊-提升循環工步，提高本裝置在實際應用中的效率。

圖9 提升腰環改進

[1] 李 翔,趙全文,劉文勛. 1 000 kV特高壓交流大跨越線路設計[J].高壓電技術,2010,36(1):265-269.

[2] 胡守松,李 健,馬 凌. ±1 100 kV特高壓直流輸電線路對地及交叉跨越距離[J].電力建設,2012,33(10):25-28.

[3] 沈 洋,趙增林.特高壓交流輸電線路跨越高速公路施工安全技術研究[J].公路交通科技,2014(5):332-335.

[4] 李百根.特高壓直流輸電線路交叉跨越施工方法 [J]. 廣東科技,2014,6:49-50.

[5] 尹俊松.±800 kV特高壓直流輸電線路跨越高鐵架線施工技術[J].低碳世界,2016(5):18-19.

[6] 劉鴻文.材料力學[M].北京:高等教育出版社,2004.

本文責任編輯：齊勝濤

Design and Application of Self-lifting Device for Standard Block Hoisting in Crossing Frame Assemble

Yan Meng1,Sun Zhangling1,Zhang Xiangtan1,Luo Benbi2,Wu Haoting2

(1.Hebei Electric Power Transmission and Transformation Company,Shijiazhuang 050051,China; 2.State Grid Electric Power Corporation AC Power Line Construction Branch,Beijing 100005, China)

In ultra-high voltage power line construction, the crossings quantity with express ways, railways and other power lines kept growing,in those crossings,assembly lattice frame need to be built. In this process, a light weight hoisting device is need. Therefore,we develop a type of self-lifting hoisting device for this occasion. Main body of this device is a hot-rolled steel tube, then, hoisting the lattice standard block is by the rotating head. The self-lifting function is achieved by portable winch. With the feedback from the field, we reduced the self-lifting mass of this device by changing the hot-rolled steel tube to aluminum alloy tube, we also modified the jig, to make the device more handy and compact.

ultra-high voltage power line;crossing frame;hoisting;self-lifting

TM754

：B

：1001-9898(2017)04-0046-04

2017-03-09

閻 萌(1989-),男，工程師，主要從事輸電線路相關技術工作。