大跨度管母預(yù)拱儀機(jī)械裝置的設(shè)計*

王 夢，王曉亮，劉克毅，王 笑，尹君馳，董曉紅

(新疆工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023)

0 引言

管型母線(以下簡稱管母)是電力輸變電系統(tǒng)中的關(guān)鍵材料之一，對輸變電系統(tǒng)及電力設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用[1]。管母多數(shù)跨度較大(22 m)，在安裝使用時，如果未經(jīng)預(yù)拱處理，由于本身自重和跨度較大、設(shè)備下引線重量、地基沉降、風(fēng)力和溫差等因素的影響，管母運(yùn)行過程中在重心向下的方向會產(chǎn)生一定程度的沉降下墜，撓度逐漸增大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)向下弧狀變形，影響安裝質(zhì)量、美觀性及運(yùn)行維護(hù)工作，降低導(dǎo)電性能，破壞輸電線路的安全，給電力工程留下嚴(yán)重安全隱患[2-3]。國家電網(wǎng)公司工藝圖冊明確要求在管母使用前應(yīng)對其進(jìn)行預(yù)拱處理。

目前針對大跨度管母的預(yù)拱，主要是通過人工控制多個液壓千斤頂逐點(diǎn)對管母進(jìn)行預(yù)拱，只有少量的采用預(yù)拱裝置進(jìn)行預(yù)拱[4-5]。預(yù)拱時，受施工設(shè)備精度、施工環(huán)境及技能水平等因素限制，預(yù)拱量和作用點(diǎn)均憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，預(yù)拱參數(shù)處于不可控狀態(tài)，往往依靠經(jīng)驗(yàn)粗略估算，科學(xué)性、準(zhǔn)確性較差；預(yù)拱后母線拱度不均勻，影響母線整體美觀；需要多人同時配合操作，費(fèi)時費(fèi)力，工作效率低，勞動強(qiáng)度大，影響電力工程建設(shè)施工質(zhì)量和施工進(jìn)度。因此，為了加快管母預(yù)拱的自動化和智能化發(fā)展，在研究管母特性的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一種大跨度管母預(yù)拱儀的機(jī)械裝置。

1 管母性能參數(shù)研究

在實(shí)際應(yīng)用中，管母表面質(zhì)量應(yīng)符合GB/T4437的規(guī)定，即其表面應(yīng)光潔平整，不應(yīng)有裂紋、毛刺、折皺、小孔、油污、夾雜物及變形和扭曲現(xiàn)象，不應(yīng)有橫向裂痕以及深度不超過2 mm的劃傷、碰傷的缺陷。除此之外，其物理與力學(xué)性能參數(shù)直接影響管母的預(yù)拱量，是研究自動化預(yù)拱儀的基礎(chǔ)。本文研究的型號為6063G-T6-Φ250/230管母基本參數(shù)如表1所示。

表1 6063G-T6-Φ250/230管母基本性能參數(shù)

未經(jīng)預(yù)拱，管母在使用過程中呈現(xiàn)圖1(a)所示的下沉現(xiàn)象，因此在使用前需對其預(yù)拱。為使預(yù)拱曲線光滑平順，提高預(yù)拱質(zhì)量和預(yù)拱效率，在預(yù)拱時設(shè)置5個作用點(diǎn)，預(yù)拱后效果如圖1(b)所示。圖1中,q為均布載荷，對于細(xì)長桿件，重力即為均布載荷，已知管母密度ρ=20.6 g/mm，取重力加速度g=10 N/kg，則管母的均布載荷q=206 N/m;F為管母預(yù)拱力。

圖1 管母自重下沉與預(yù)拱后效果

管母在實(shí)際預(yù)拱和應(yīng)用中可簡化成承受管母自重均布載荷的簡支梁，如圖2所示。在均布載荷作用下，根據(jù)撓曲線方程可得到未經(jīng)預(yù)拱的管母在自重下的最大彎曲變形量(中點(diǎn)處)，及管母在中點(diǎn)處的最大預(yù)拱力。

圖2 管母在自重載荷下彎曲變形示意圖

1.1 管母在自重下的撓度值[6-8]

在管母跨度中點(diǎn)處，撓曲線切線的斜率為零，撓度為極值，其撓度值ωx=1/2為：

(1)

其中：I為慣性矩，管母作為空心圓形管材，其慣性矩計算公式為：

(2)

其中：D為管母外徑，D=250 mm；α為管母內(nèi)外徑之比，α=d/D，d為管母內(nèi)徑，d=230 mm。

根據(jù)式(1)和式(2)可得管母在自重載荷下跨度中點(diǎn)處的撓度極值ωx=1/2=167.54 mm。預(yù)拱量(即液壓缸伸出量)的確定可根據(jù)此撓度值進(jìn)行，考慮到除重力外的其他因素的影響，如設(shè)備下引線重量、地基沉降、風(fēng)力和溫差等，可將此撓度值增加20%的富余量。

1.2 管母預(yù)拱力F計算

管母在自重下最大撓度發(fā)生在跨度中點(diǎn)處，在水平面上進(jìn)行管母預(yù)拱時，作用在管母中點(diǎn)處的集中力F即為預(yù)拱力最大值。管母在預(yù)拱力F作用下的變形如圖3所示，在中點(diǎn)處a=b=l/2。

圖3 管母受預(yù)拱力F作用下變形示意圖

材料力學(xué)撓度值的計算公式為：

(3)

根據(jù)式(1)和式(3)可知，為使管母達(dá)到自重下的撓度極限值，其所需預(yù)拱力F=2.57×105N。預(yù)拱裝置動力參數(shù)(液壓泵)的確定可根據(jù)此預(yù)拱力進(jìn)行，考慮摩擦阻力、效率等因素的影響，將此預(yù)拱力增加20%的富余量。

2 大跨度管母預(yù)拱儀整體結(jié)構(gòu)及工作原理

大跨度管母預(yù)拱儀在整個操作過程中均通過人機(jī)操作界面控制，可多點(diǎn)同時預(yù)拱或單點(diǎn)順序預(yù)拱，預(yù)拱矢高可調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)拱過程的自動化控制、遠(yuǎn)程操作和實(shí)時監(jiān)控，且操作簡便。同時預(yù)拱參數(shù)可根據(jù)管母規(guī)格調(diào)整，適合多種不同規(guī)格管母的預(yù)拱作業(yè)要求。

管母預(yù)拱儀主要包括機(jī)械裝置、液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)三部分，如圖4所示。圖4中，S為液壓缸位移量，H為管母起拱矢高。工作時，通過控制系統(tǒng)的人機(jī)操作界面發(fā)出指令，控制液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)液壓缸的伸縮(預(yù)拱、保壓、返回)；通過轉(zhuǎn)角電機(jī)控制液壓缸的轉(zhuǎn)角方向和角度；通過位移傳感器實(shí)時測量液壓缸的位移量，并將數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，實(shí)時顯示預(yù)拱曲線；當(dāng)完成預(yù)拱工作時，系統(tǒng)恢復(fù)原始狀態(tài)，停止工作，等待下一次預(yù)拱。

圖4 大跨度管母預(yù)拱儀整機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

該管母預(yù)拱儀設(shè)定雙重保護(hù)措施：①位移傳感器限定液壓缸伸出量；②若位移傳感器出現(xiàn)故障失效，當(dāng)液壓缸伸出量達(dá)到預(yù)定值時仍繼續(xù)伸長，管母將觸碰到限位開關(guān)，啟動急停程序，所有電器設(shè)備全部斷電。在自動控制的基礎(chǔ)上每個液壓系統(tǒng)都設(shè)置手動操作手柄，可手動控制液壓缸的伸出量與偏轉(zhuǎn)角度，保證設(shè)備工作的有效性。

3 預(yù)拱儀機(jī)械裝置關(guān)鍵部件的設(shè)計

機(jī)械裝置主要起到承載各元件的作用，其中安裝有管母固定卡具、液壓系統(tǒng)各元件、位移傳感器、角度傳感器、限位器等預(yù)拱儀各組成部分。管母預(yù)拱儀機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由機(jī)架1、管母固定卡具2、極限位置限制器3、管母液壓預(yù)拱組(包括線位移傳感器4、液壓缸5、液壓缸連接件6和7、角位移傳感器8、聯(lián)軸器9、電機(jī)減速器組10)組成，管母固定卡具2焊接在機(jī)架上1上，極限位置限制器3通過螺栓固定在機(jī)架1上，A、B、D、E管母液壓預(yù)拱組與機(jī)架鉸接，C管母液壓預(yù)拱組與機(jī)架固接。工作時，管母安裝其上，在控制系統(tǒng)的作用下，由液壓缸作為最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成預(yù)拱。

1-機(jī)架；2-管母固定卡具；3-極限位置限位器；4-線位移傳感器；5-液壓缸；6-液壓缸連接件1；7-液壓缸連接件2；8-角位移感器；9-聯(lián)軸器；10-電機(jī)減速器組

3.1 機(jī)架

根據(jù)管母結(jié)構(gòu)和尺寸，機(jī)架設(shè)計為龍門桁架式結(jié)構(gòu)，由43根長短不一的方鋼組成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可滿足管母及各元件的安裝要求；為方便運(yùn)輸、組裝和拆卸，各方鋼間采用固定板和螺栓連接。機(jī)架在整個工作過程中起支撐作用，各元件安裝其上。

3.2 管母固定卡具

預(yù)拱裝置共有兩組管母固定卡具，為可旋轉(zhuǎn)固定卡具，對稱固定安裝在機(jī)架兩端中心，即管母在預(yù)拱時的兩個支點(diǎn)，給予管母預(yù)拱時的支反力。管母固定卡具結(jié)構(gòu)如圖6所示，固定接耳1焊接在機(jī)架上，通過聯(lián)接銷軸2將管母固定接耳3與固定接耳1鉸接，聯(lián)接銷軸2與接耳間為間隙配合，使管母在預(yù)拱時可旋轉(zhuǎn)一定角度以適應(yīng)管母形變時的角度變化，轉(zhuǎn)動靈活。

1-固定接耳；2-聯(lián)接銷軸；3-管母固定接耳；4-橡膠墊片

為防止在預(yù)拱時卡具刮傷管母表面，影響管母表面質(zhì)量，在管母固定接耳3與管母接觸面間安裝有橡膠墊片4，起緩沖和保護(hù)管母的作用。

3.3 管母液壓預(yù)拱組

機(jī)械裝置含有5組管母液壓預(yù)拱組，均勻布在機(jī)架上，完成管母預(yù)拱變形工作。其中C號預(yù)拱組固定在機(jī)架上，在預(yù)拱時只完成直線伸縮動作，兩側(cè)A、B、D、E號液壓缸鉸接在機(jī)架上，在完成直線伸縮動作的同時還可調(diào)整角度，使缸體軸線方向與管母變形后的徑向一致。

管母液壓預(yù)拱組結(jié)構(gòu)如圖7所示，管母卡具1安裝在液壓缸伸縮桿件的端部，作為液壓缸與管母間的連接介質(zhì)；線位移傳感器2通過支架3連接液壓缸4，用于預(yù)拱時管母預(yù)拱量的實(shí)時測量，并傳送給控制系統(tǒng)，用于管母預(yù)拱曲線的實(shí)時顯示；液壓缸4與液壓缸連接件5通過螺栓連接，連接件5與固接在機(jī)架上的固定接耳7通過聯(lián)接銷軸10鉸接，銷軸與連接件5為過盈配合，與固定接耳為間隙配合，銷軸通過聯(lián)軸器9與電機(jī)減速器組8連接，在其驅(qū)動下，可使液壓缸旋轉(zhuǎn)以適應(yīng)配合管母預(yù)拱曲線，同時在銷軸上安裝有角位移傳感器6，可實(shí)時獲得旋轉(zhuǎn)角度并傳送給控制系統(tǒng)，用于管母預(yù)拱曲線的實(shí)時顯示。

1-管母卡具；2-線位移傳感器；3-位移傳感器支架；4-液壓缸；5-液壓缸連接件；6-角位移傳感器；7-固定接耳；8-電機(jī)減速器組；9-聯(lián)軸器；10-聯(lián)接銷軸

4 結(jié)語

本文在研究管母性能的基礎(chǔ)上，獲得了其在自重下的最大撓度值ωx=1/2，確定了液壓缸的最大位移量和管母在預(yù)拱時的預(yù)拱力F，以及液壓泵的動力參數(shù)，設(shè)計了一種大跨度管母預(yù)拱裝置，可實(shí)現(xiàn)大跨度管母的自動化預(yù)拱，提高了作業(yè)效率和作業(yè)精度，為大跨度管母預(yù)拱設(shè)備的開發(fā)奠定了一定基礎(chǔ)，促進(jìn)了大跨度管母預(yù)拱的自動化和智能化發(fā)展。