基于星輪結構的變電站屏柜爬樓車設計

李俊輝

摘 要：針對變電站二次屏柜狹窄環境施工安全風險大、費時費力的不足，設計一種星輪結構的電動爬樓車實現平地、樓梯兩用搬運，通過與傳統方式對比，具有安全高效、節約成本優點，達到綠色文明施工和減員增效效果。

關鍵詞：變電站；屏柜；星輪；行走機構

中圖分類號：TM73 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）16-0097-02

Abstract： In view of the disadvantages of high safety risk and time-consuming and laborious construction in the narrow environment of secondary screen cabinet of substation， a kind of electric climbing car with planetary wheel structure is designed to carry flat floor and staircase. Compared with the traditional method， the utility model has the advantages of safety， efficiency and cost saving， and achieves the effect of green civilization construction and staff reduction and efficiency.

Keywords： substation； screen cabinet； planetary wheel； running mechanism

屏柜因其良好的抗外力強度和屏蔽電磁干擾的作用，在電力系統中廣泛使用。其搬運是電力建設施工常態而重要的作業，目前主要采用人抬肩扛的搬運方式，由于屏柜體大量重，該方式不僅費時費力、人工成本高，還存在砸/壓傷作業人員、碰壞設備和施工環境的風險。以變電站遠動屏柜為例，重達300千克屏體，從主控樓一樓搬運至二樓機房需6至8人，在樓道拐角和機房進門處常出現卡、壓傷人、碰壞柜體和設備及施工環境（地磚、墻壁）的現象。新方法基于行星輪、叉車結構和電機拖動原理，研制符合變電站施工環境的高效攀爬結構、緊湊型車體裝載構架、行走機構、多功能控制以及安全機構。解決傳統人工搬運的不足，節約人力及施工成本，優化工程施工方式。

1 技術方案

1.1 國內外爬樓裝置研究現狀及可行性分析

目前現有爬樓裝置主要為履帶式結構，其工作原理類似于履帶裝甲運兵車或坦克，原理簡單，技術也較成熟[1-3]。如圖1所示是日本Sakadankun公司開發的一種電動輪椅車，底部是履帶式傳動結構，可爬樓梯最大坡度為35°，上下樓梯速度每分鐘15-20個臺階[4-6]。履帶式結構傳動效率較高，但存在諸多不足：（1）不適合樓梯階沿太光滑及坡度大于35°的場合；（2）由于采用履帶傳動，爬樓時與樓道摩擦力較大，因此對樓梯和履帶均有一定損壞，后期維護成本高；（3）平地行走時阻力較大，轉角處拐彎不靈活；（4）重載時安全風險大，履帶式裝載從平地轉樓梯和樓梯轉平地的過渡點重心偏移大導致前后傾斜，危及搬運人員及設備安全，對于裝載體積和重量均較大的變電站二次屏柜，履帶式結構的安全問題更加凸顯。

星輪式爬樓機構由兩組均勻分布的小輪構成，每個輪組依照星形輪系的運動方式，各個小輪繞各自的軸線自轉，并隨著系桿一起繞中心軸公轉。平地行走時各小輪自轉，公轉實現樓梯攀爬功能。

1.2 力學分析

根據平地和爬樓兩種搬運方式力學分析，平地行走時施以推力，外施力克服輪子與地面摩擦力，查機械設計手冊得u=0.05，根據胡克定律f=uN，平地行走比克服重力搬運省力95%。爬樓梯時，外施力為克服重力F=Gsin30°（樓梯仰角？準=30°時），即比直接搬運省力50%。考慮的屏體較重和車體自重（總計最大為350kg），采用電動差速機構驅動。小車采用棘輪行進逆止機構，施工人員操作小車時可根據情況隨時停止運動，克服人抬肩扛中途負重壓力大，尤其上樓時全程負重，體力和安全方面都給作業人員帶來較大考驗。

2 總體設計

目標設計滿足裝載變電站各類屏柜型號車體、行走及安全機構，達到自主爬梯、省力效果。

2.1 車體裝載結構設計

安全搬運重點在于待裝載屏柜的通用性和承重性，為滿足變電站多種型號屏柜尺寸及承重，從以下三個方面設計車體結構：（1）整體采用穩定三角架構作為車體結構；

（2）高強度槽鋼和方鋼制作車體；（3）根據承重目標加工專用行星輪，圓鋼承重車軸。

2.2 行星輪結構設計

為使小車順利爬梯，根據施工環境階梯尺寸設計最佳星輪半徑r，星輪架臂長R。半徑和臂長過大，小車后星輪與階梯前沿干涉；兩者過小則前星輪攀附能力未體現，且在平地行駛時對地面適應能力差。根據現場調研和力學分析，理想中的待爬階梯同時具備“長寬矮”特點，為提高小車爬樓適應能力，根據施工現場階梯尺寸范圍，選取短窄高階梯作為適應目標。

2.3 動力及安全設計

星輪結構搬運屏柜可有效省力，屏體自重大，省力50%仍需給力1750N，采用電機、差速機構、控制回路及驅動機構等裝置提供爬樓動力。利用棘輪結構設計防逆轉機構，有效防止小車倒退；車體載貨平臺兩邊設計三角結構及輔助安全措施，保證車體穩定性和防止屏體側滑。

3 性能測試

以變電站線路保護屏（800×600×2200mm）為試驗對象，就平地和爬樓施工情況，在220kV某變電站對搬運小車性能測試，效果如圖3所示。

3.1 施工效果對比

小車由3個施工人員、耗時6min、將重約320千克的屏柜安全、平穩從一樓搬運至三樓，節約人工成本600至1000元/天。與目前人抬肩扛搬運方式對比效果如表1所示。

3.2 安全效益

采用小車有效解決目前屏柜搬運方式存在的較高人身傷害風險，小車爬樓平穩，拐彎靈便，避免屏柜卡/壓傷人和碰壞設備的風險。由于減少了施工人員，有利于工作負責人對現場的管控。此外，小車施工安靜，符合國網公司文明施工的要求。

3.3 經濟效益

以單個中等規模的220kV變電站新建工程為例，約新安裝屏柜60面，（60面屏從1樓上3樓），原需要6個工人6天就位的屏柜，新方法可3人2天完成，人工費用由原來7200元節約為1200元，為原成本的14.28%，該項施工工期為原來的1/3。大修技改以每站安裝1至2面屏為例，每次每天可節約人工4人，為原成本的42.85%。

表2 單個新建工程和大修技改經濟效益統計、分析表

4 結束語

輸變電工程存在新、舊屏柜安裝和退運施工，目前人抬肩扛方式操作不便，風險高、費時費力成本大。新方法有效解決狹窄樓道、多拐角現場施工難題，顯著節約人力，提高效率縮短工期，適用于重屏柜爬樓搬運。經過對比分析，創新成果在安全、經濟、社會效益方面具有傳統方法無法比擬的優勢，是一種值得推廣的綠色、文明施工新技術。

參考文獻：

[1]Murray J Lawn. Modeling of A Stair-climbing Wheelchair Mechanism with High Single Step Capability[J]. IEEE Transactions On Neural Systems And Rehabilitation Engineering， 2003，1（3）：323～332.

[2]Murray John LAWN. Study of stair-climbing assistive mechanisms for the disabled[D]. Japan： Nagasaki University，2002.

[3]李笑，李瑰賢，趙永強，等.國內外軌道式機械爬樓裝置的研究現狀[J].機械設計與制造，2005，2（2）：1-3.

[4]褶文強，辜承林.電動車用輪毅電機研究現狀與發展趨勢[[J].電機與控制應用，2007，34（4）：1-5.

[5]袁世奇，宮興禎，唐宗軍.一種具有全方向運動功能的電動輪椅的設計[J].沈陽工業大學學報，2004，26（6）：612-615.

[6]喬鳳斌，謝霄鵬，楊汝清.六輪移動機器人包容地形研究[J].機械設計與研究，2004，20（5）：17-19.