一種輸變電施工多功能導(dǎo)線牽引器

張宏偉

（國網(wǎng)甘肅省電力公司金昌供電公司，甘肅 金昌737100）

輸變電工程施工中，線纜架設(shè)時須要利用鋼纜對線塔牽引固定，通常利用螺釘直接固定在塔身上[1]，須精確確定塔身的錨點以便確定牽引方向，方向落后，安裝煩瑣，施工難度大。常用的牽引方法主要有[2]：

定滑輪人工手拉繩子。主要是在傳遞體積小、重量輕的物品時采用。

動滑輪。主要是物品較重時采用。

機械絞磨。主要是人工無法傳遞物品時采用。

對某單位2019年1064次牽引方式進行統(tǒng)計、分析。具體如下：

定滑輪人工牽引850次、占比79%，主要特點是作業(yè)人員體力消耗大，無法牽引重物。

動滑輪人工牽引120次、占比11.1%，主要特點是作業(yè)人員體力消耗小，須要高空作業(yè)人員攜帶2組滑輪及牽引繩登塔。

定滑輪人工絞磨53次、占比4%，主要特點是作業(yè)人員體能消耗小，須要地面安裝絞磨，攜帶不方便。

動滑輪人工絞磨10次、占比0.9%，主要特點是作業(yè)人員體能消耗小，安裝煩瑣，高空作業(yè)人員工作量較大。

定滑輪機械絞磨26次、占比2.4%，主要特點是安裝煩瑣，不能適應(yīng)所有場所。

動滑輪機械絞磨5次、占比0.46%，主要特點是安裝煩瑣，不能適應(yīng)所有場所。

可以看出，定滑輪人工牽引、動滑輪人工牽引等方式須要多人配合，且無法牽引較重物品。其他方式雖然能牽引重物，但附屬設(shè)施較多，攜帶不便，且對使用場所要求較高[3]。如圖1所示。

圖1 常用牽引方式

對2015—2019年各種繩索牽引方式進行統(tǒng)計。

通過統(tǒng)計顯示，定滑輪人工牽引的牽引重量最小，作業(yè)人員最少。定滑輪絞磨的牽引重量最大，但需要作業(yè)人員較多。

1 設(shè)計與論證

1.1 目標(biāo)與方案

經(jīng)過充分調(diào)查和分析，確定了研究目標(biāo)。

定性目標(biāo)。研制一種適應(yīng)性強、攜帶方便、動力強勁，能夠替代人工的電動牽引輔助作業(yè)工具，提升工作效率，減少作業(yè)人員。

定量目標(biāo)。將100 kg重物由地面垂直提升至30 m高處時，作業(yè)人員控制在3人以內(nèi)，時間控制在5 min以內(nèi)。降至地面時僅須1人，時間控制在2 min以內(nèi)。

根據(jù)上述目標(biāo)，提出了3個總體方案。如表1所示。

表1 方案設(shè)計表

1.2 分析與論證

對上述方案逐一分析、比較，并請一線工作人員結(jié)合工作經(jīng)驗和現(xiàn)場實際綜合評價，評價標(biāo)準(zhǔn)如下：

牽引至30 m高處的時間控制在1 min以內(nèi)。

作業(yè)人員按最小需量控制，200 kg重物牽引至10 m高處時，只需要2人。

成本費用最低，總造價不超過3000元，單體設(shè)備不超過1500元。

總重量不超過10 kg，組裝時間不超過120 s。

通過分析、論證，最終確定研制基于電動絞磨驅(qū)動的多功能牽引器。

1.3 評估與優(yōu)化

對擬選方案進一步優(yōu)化，主要涉及驅(qū)動電機、動力電源、電機調(diào)速器及主體材料選擇等方面。

1.3.1 驅(qū)動電機選擇

驅(qū)動電機主要有直流渦輪蝸桿減速電機、直流齒輪減速電機、行星減速電機和諧波減速機等4種方式。按照轉(zhuǎn)速大于30 r/min、重量輕、造價低等標(biāo)準(zhǔn)遴選，如表2所示。

表2 驅(qū)動電機選擇對比表

同時，進行牽引試驗，將100 kg重物牽引至15 m高處，記錄用時。

1.3.2 動力電源選擇

從電壓等級合理、充電速度快、使用壽命長、續(xù)航里程強勁、安全穩(wěn)定、價格適中及重量輕等方面選擇，主要有鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫蓄電池和鋰離子電池等4種，如表3所示。

表3 動力電源選擇對比表

1.3.3電機調(diào)速器選擇

為實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，選擇直流電機調(diào)速器。

按照電壓等級合理、最大電流≤30 A及安全風(fēng)險低等標(biāo)準(zhǔn)選擇調(diào)速器方式，有有線調(diào)速和無線調(diào)速2種，如表4所示。

表4 電機調(diào)速器選擇對比表

1.3.4 固定方式選擇

為適應(yīng)不同電壓等級和不同類型的桿塔，固定方式主要有卡具端子和線夾2種方式。從機械強度、安全性及穩(wěn)固性等方面綜合評估，如表5所示。

表5 固定方式選擇對比表

1.3.5 主體支撐材料選擇

為減輕設(shè)備重量、提高安全性，從機械強度、成本費用等方面選擇主體材料，主要有鐵質(zhì)和鈦合金材料兩種，對比分析如下：

鐵質(zhì)材料。重量15 kg，造價為100元，主要特點是加工制作方便，可塑性強，可以制作各種不同形狀，強度較低。20次模擬操作時，出現(xiàn)裂紋或變形。

鈦合金材質(zhì)。重量8 kg，造價為200元，可利用現(xiàn)成電力卡具絲桿制作，材質(zhì)強度較高。模擬20次操作未發(fā)生損壞或斷裂。因此，主體支撐材料擬選擇鈦合金材質(zhì)。

2 研究與制作

2.1 確定最佳方案

按照以上分析、論證，確定最佳制作方案，如圖2所示。

圖2 方案設(shè)計總框圖

2.2 制定計劃

根據(jù)5W1H原則，制定研制計劃表，如表6所示。

表6 研制實施計劃表

2.3 設(shè)計制作

2.3.1 動力部分

采用齒輪減速電機，如圖3所示。經(jīng)過試驗，扭矩符合要求，動能輸出穩(wěn)定持續(xù)，正、反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換靈敏，轉(zhuǎn)速正常。

圖3 動力部分加工制作圖

經(jīng)過模擬操作，穩(wěn)定輸出率達到100%，20次牽引操作，最大容許扭矩正常。

此電機滿足不同條件下最大容許扭矩要求[4]，輸出穩(wěn)定，啟停反應(yīng)靈敏，可快速實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)切換。

2.3.2 動力電源

選用鋰離子電池組，外形尺寸為350 mm×270 mm×160 mm、標(biāo)準(zhǔn)電壓為24 V、額定容量為120 Ah，重量＜10 kg。經(jīng)過試驗，電池組持續(xù)放電時間≥10 h，充電電流為10 A，滿足要求。

2.3.3 遙控裝置

設(shè)置直流無線遙控控制器，外形尺寸為160 mm×92 mm×43 mm，輸入電壓為12～30 V，額定電流為30 A，調(diào)速范圍為0～100%，PWM（脈沖寬度調(diào)制波）頻率為21 kHz，電位器阻值為100 kΩ。

經(jīng)過試驗，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制正反轉(zhuǎn)及牽引雙速度，停止供電后可以對電機發(fā)送鎖死信號。接線如圖4所示。

圖4 無線控制器接線圖

2.3.4 主體結(jié)構(gòu)

主體結(jié)構(gòu)尺寸為：卡具絲桿伸縮范圍30～60 mm，卡具絲桿螺栓孔距16 mm，地面卡座（長×寬）500 mm×300 mm，線夾尺寸50 mm×20 mm×30 mm，卡具端子直徑150～230 mm，螺栓直徑16 mm。

為方便安裝，卡具絲桿與卡具端子、電機、線夾采用螺栓連接固定。主體結(jié)構(gòu)尺寸準(zhǔn)確率100%，主體結(jié)構(gòu)尺寸誤差在±10 mm以內(nèi)。經(jīng)過試驗，機械強度、粗糙度、彎度及間隙等指標(biāo)均符合要求。如圖5所示。

圖5 主體結(jié)構(gòu)圖

2.3.5 與桿塔連接工具

固定卡具端子與不同型號鋼管桿、水泥桿、鐵塔100%接觸，同時應(yīng)具有防止滑跑措施，各方位晃動不脫落。

2.3.6 固定螺栓

螺栓主要用于固定卡具絲桿與線夾、卡具端子及底座，不用扳手即可固定，攜帶方便。同時，要求承重大于10 kN，扭矩滿足要求。

對螺栓連接部位進行10次調(diào)節(jié)、拆卸試驗，接觸機構(gòu)與扳手連接牢固，可任意調(diào)整，可調(diào)率達到了100%。螺栓安裝位置正確，用扭矩扳手測量螺栓扭矩滿足要求。

2.3.7 電線接頭

電線接頭及延長線選用10號、4 mm2純銅線纜，可通過最大瞬時電流為30 A。外殼絕緣部件采用高性能工程塑料。

插頭采用航空插頭，插接方便，接觸穩(wěn)定、可重復(fù)插拔。如圖6所示。

圖6 電線接頭及延長線圖

2.4 組裝調(diào)試

經(jīng)過試驗，整體組裝時間為3 min，活動部件轉(zhuǎn)動無卡澀，使用正常，效果良好。組裝后，安全、質(zhì)量、設(shè)備、環(huán)保等管理部門組織了專題安全、質(zhì)量、技術(shù)和環(huán)保認(rèn)證，結(jié)論為合格[5]，并獲得授權(quán)。

3 成果分析

3.1 研究成果

2020年11 月，將多功能牽引器固定到鐵塔主材上，在2人配合下垂直牽引100 kg重物至桿塔下橫擔(dān)15 m處，模擬10次牽引操作試驗。時間分別為：1.2、1.2、1.3、1.3、1.2、1.2、1.3、1.2、1.3及1.2 min，平均用時間1.24 min。

3.2 效果檢查

該多功能電動牽引器總重量10 kg，攜帶方便。現(xiàn)場168次模擬牽引試驗中，該牽引器牽引153次、占比91%，其他方式牽引15次、占比9%。

很明顯，多功能電動牽引器使用頻次高，起吊效果良好，且適合各種作業(yè)場所，實用性很強。

3.3 性能試驗

按照規(guī)定[6-7]，對多功能電動牽引器進行動、靜荷重試驗，試驗結(jié)果均合格。

3.3.1 靜荷重試驗[8]

耐加120 kg重力持續(xù)5 min，未發(fā)生變形及受損。

3.3.2 動荷重試驗[9]

施以1.5倍允許工作負(fù)荷，模擬3次操作試驗，工具使用正常，活動部件無卡澀。

3.4 效益分析

本科研項目費用主要有材料費、工器具購置和加工制作費等。

總成本=材料費+購買工器具費用+加工費≈1500元/件。

多功能電動牽引器研制成功投入使用后，降低人工費用，節(jié)約運維成本。

年節(jié)約成本≈300元/天·人×2人×50天=30000元，其中，工作時間按50天/年計算，人工成本按照每人300元/天計算[10]。

4 結(jié)束語

輸變電用多功能電動導(dǎo)線牽引器借鑒施工塔吊工作原理，適應(yīng)各類型號鋼纜及不同牽引方向，可以根據(jù)工作需要組裝成不同的功能模塊組合或單獨使用，實用性強、攜帶方便、操作簡便，一具多用、功能齊全、安全可靠。該工具有效解決了輸變電線纜架設(shè)時，鋼纜牽引方向單一、安裝煩瑣、難度大等長期困擾施工的難點問題[11]，經(jīng)濟性、實用性、安全性、可靠性及便捷性等都很強，可以廣泛應(yīng)用到各電壓等級輸變電工程和配電網(wǎng)線路施工，推廣應(yīng)用前景廣闊。