輕型便攜式登塔設(shè)備的研究

王志軍，李易，梅佳，衛(wèi)曉東，李學(xué)斌，楊軍寧

(北京國(guó)網(wǎng)富達(dá)科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100070)

0 引言

為優(yōu)化能源資源配置、節(jié)省輸電線路走廊用地，我國(guó)正在發(fā)展特高壓輸電技術(shù)[1-2]。隨著特高壓輸電線路的發(fā)展，輸電鐵塔的高度不斷增加，登塔檢修工作也將越來(lái)越頻繁，對(duì)登塔作業(yè)設(shè)備的重量、使用便攜性、運(yùn)輸和搬運(yùn)提出了更高的要求。

現(xiàn)有登塔設(shè)備的重量和不可分體對(duì)設(shè)備運(yùn)輸和使用造成了一定的影響。本文研究了一種重量更輕、便攜性更好的登塔設(shè)備，以滿足輸電鐵塔登塔使用。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有登塔設(shè)備進(jìn)行深化研究，減輕了設(shè)備自重，實(shí)現(xiàn)設(shè)備分體安裝和拆卸，提高設(shè)備使用的便攜性和舒適度。該設(shè)備可用于特高壓及其他線路的登塔檢修作業(yè)，對(duì)保證輸電線路維護(hù)檢修作業(yè)的安全，減輕作業(yè)強(qiáng)度，提高工作效率，滿足特高壓輸電線路維護(hù)和檢修的需要具有重要意義[3]。

1 輕型便攜式登塔設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的選型優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的輕型化和模塊化設(shè)計(jì)。設(shè)備采用分體結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)快速安裝和拆卸，機(jī)體結(jié)構(gòu)由動(dòng)力箱和機(jī)身兩部分組成，如圖1所示。動(dòng)力箱內(nèi)主要布置動(dòng)力系統(tǒng)。機(jī)身結(jié)構(gòu)采用定制的鋁合金型材[4]，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和防墜安全器等都布置在機(jī)身結(jié)構(gòu)上，改善了電氣系統(tǒng)工作環(huán)境，減少了線纜數(shù)量。機(jī)身與動(dòng)力箱實(shí)現(xiàn)分體連接，通過(guò)快速拆裝定位結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)身和動(dòng)力箱之間的結(jié)構(gòu)連接和電氣連接。

圖1 輕型便攜式登塔設(shè)備結(jié)構(gòu)

2 輕型便攜式登塔設(shè)備的作業(yè)工況分析

為了保障作業(yè)人員的安全，對(duì)登塔設(shè)備安全性的要求極高[5]。載荷分析與計(jì)算是機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)及力學(xué)校核的基礎(chǔ)，參考GB 26557—2011《吊籠有垂直導(dǎo)向的人貨兩用施工升降機(jī)》[6]、GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]，結(jié)合設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式，進(jìn)行載荷分析與計(jì)算。

不同載荷工況下，機(jī)體受力狀態(tài)不盡相同，設(shè)備在使用過(guò)程中，主要有正常使用、裝載、異常情況下安全裝置作用等3種工況。通過(guò)分析，異常情況下安全裝置作用工況發(fā)生時(shí)，防墜安全器進(jìn)行緊急制動(dòng)，防墜安全器安裝在機(jī)身立柱上，與前兩個(gè)工況比較，機(jī)身將產(chǎn)生較大的應(yīng)力，為設(shè)備受力最危險(xiǎn)工況，因此對(duì)此工況的載荷情況進(jìn)行分析計(jì)算。

3 安全裝置作用時(shí)的力學(xué)分析

機(jī)身材料為鋁合金，材料的許用應(yīng)力為：

式中：σb為抗拉強(qiáng)度，MPa；ηb為安全系數(shù)，取值2.5。

動(dòng)力箱構(gòu)件材料為不銹鋼，材料的許用應(yīng)力為：

式中：σs為屈服強(qiáng)度，MPa；n為安全系數(shù)，取值1.5。

鋁合金及不銹鋼都為塑性材料，形狀改變比能是引起材料屈服的主要原因，力學(xué)分析時(shí)，計(jì)算出等效(Von Mises)應(yīng)力，并與許用應(yīng)力比較，即強(qiáng)度準(zhǔn)則為：

異常情況下安全裝置作用工況載荷包括設(shè)備靜載荷及安全裝置作用的沖擊效應(yīng)、額定載重量及安全裝置作用的沖擊效應(yīng)和風(fēng)荷載。

(1)設(shè)備靜載荷及安全裝置作用的沖擊效應(yīng)為

?G=2.5×0.55 kN=1.375 kN ，

式中：G為設(shè)備靜載荷，kN；?為超速安全裝置動(dòng)作引起沖擊系數(shù)，取值2.5。

(2)額定載重量及安全裝置作用的沖擊效應(yīng)為

?F=2.5×1 kN=2.5 kN ，

式中：F為設(shè)備額定載重，kN。

(3)風(fēng)載荷。工作狀態(tài)風(fēng)壓不考慮高度，風(fēng)速取vw=30 m/s，風(fēng)壓為：

p=0.625vw2=562 N/m2。

設(shè)備形狀不規(guī)則，按載人狀態(tài)下，設(shè)備與人的最大高度尺寸和寬度尺寸確定，載荷作用面積：

A2=Hmax×Bmax=1.2 m2，

式中：Hmax為風(fēng)載荷作用最大高度，m；Bmax為風(fēng)載荷作用最大寬度，m。

風(fēng)力系數(shù)c取值1.2，包括形狀系數(shù)和擋風(fēng)折減系數(shù)。

風(fēng)載荷為p=cpA2=809 (N)。

采用Solidworks軟件進(jìn)行建模分析[8]，施加位移和載荷約束后計(jì)算，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 設(shè)備結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布

從應(yīng)力分布圖可以看出，最大等效應(yīng)力為88 MPa，位于不銹鋼構(gòu)件上，小于材料許用應(yīng)力值，設(shè)備的強(qiáng)度滿足使用要求；最大位移為1.4 mm，不影響外觀及使用效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)比現(xiàn)有登塔設(shè)備，輕型便攜式登塔設(shè)備具有設(shè)備自重更輕，可分體安裝、拆卸及運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，顯著提高了設(shè)備使用的便攜性和舒適度，可以更好地滿足鐵塔檢修等需求。

通過(guò)對(duì)作業(yè)工況的分析及強(qiáng)度分析，本文提出的輕型便攜式登塔設(shè)備能滿足檢修作業(yè)的使用要求。目前我國(guó)投運(yùn)的特高壓輸電工程已達(dá)十幾條線路，包括超高壓及普通輸電線路，存在大量高度超過(guò)50 m的鐵塔，在線路檢修運(yùn)維工作中，輕型便攜式登塔設(shè)備的應(yīng)用，可以有效地保證檢修作業(yè)的安全，減輕作業(yè)強(qiáng)度，提高工作效率。同時(shí)輕型便攜式登塔設(shè)備可以在西藏、青海等高海拔地區(qū)、風(fēng)力發(fā)電塔、通信塔、水塔、電廠冷卻塔等戶外超高建筑上使用，應(yīng)用前景廣泛。