用于電力施工檢修的電纜溝填充物收取設(shè)備的設(shè)計與應(yīng)用

廣東威恒輸變電工程有限公司 廖志鵬 張立林 何海強 江維臻

電纜溝是一種用于提供電纜敷設(shè)、電力設(shè)備更換等電力施工檢修作業(yè)環(huán)境的地下管道，其本質(zhì)屬于一種電纜維護結(jié)構(gòu)。位于電纜溝內(nèi)部的電纜線在持續(xù)運行過程中,會受到外部環(huán)境的影響出現(xiàn)受熱膨脹或遇冷收縮等現(xiàn)象，為避免此種現(xiàn)象對電纜設(shè)施的穩(wěn)定運行造成影響，通常需使用軟土或沙子回填電纜溝并夯實。但在電纜線路發(fā)生故障進(jìn)行搶修或進(jìn)行電纜檢修時，需對沙土填充物進(jìn)行收取，而電纜發(fā)生故障會導(dǎo)致局部停電，需快捷收取電纜溝內(nèi)沙土填充物加快搶修進(jìn)度以縮短停電時間，滿足供電可靠性要求。

目前對埋地電纜進(jìn)行搶修檢修時，由于埋地電纜溝寬度在80.0～150.0cm，無法借助大型的機械設(shè)備（如小型挖掘機）進(jìn)行填充物收取，只依靠人力對填充物進(jìn)行收取，十米左右的埋地電纜溝需5名施工人員2～3工作日才能完成對電纜溝內(nèi)填充物的收取與清理，此種作業(yè)行為的施工時間過長，已對電網(wǎng)的穩(wěn)定與持續(xù)運行造成了嚴(yán)重的威脅。同時在操作過程中，人工拋沙作業(yè)行為也會對環(huán)境保護造成一定的壓力。且隨著國內(nèi)教育普及程度的提升、國內(nèi)人口老齡化的加劇導(dǎo)致基層施工人員招聘存在很大難度，因此需通過增加新型施工設(shè)備來減少人力支出。

1 用于電力施工檢修工作的電纜溝填充物收取設(shè)備的設(shè)計

1.1 電纜溝填充物收取設(shè)備圖紙設(shè)計與裝配

為滿足電力施工檢修作業(yè)需求，應(yīng)在設(shè)計電纜溝填充物收取設(shè)備前設(shè)計設(shè)備圖紙，并對裝配圖紙進(jìn)行裝配。在設(shè)計圖紙時，采用SolidWorks 2020對設(shè)備進(jìn)行3D 模型的構(gòu)建，設(shè)計完成后進(jìn)行模擬裝配，裝配過程主要是對設(shè)計的零件尺寸進(jìn)行校核，并對部分需進(jìn)行加工的部件使用SolidCAM 插件進(jìn)行加工仿真，防止出現(xiàn)無法進(jìn)行切削的零件設(shè)計[1]。校核完成后再使用AutoCAD 對設(shè)計好的零件進(jìn)行成圖設(shè)計，包括零件尺寸、形位公差、材料、熱處理等細(xì)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計，設(shè)計過程中要保證零部件的加工精度。

圖紙裝配使用SolidWorks2020設(shè)計，使用自上而下的設(shè)計裝配方式對零件進(jìn)行更改。在設(shè)計裝配體過程中需采用實際的裝配約束而不是簡單地放置零件，確保對零部件的運動和碰撞具有一個初步的判斷。通過改動零部件設(shè)計的方式避免在實際裝配中出現(xiàn)問題，同時也可更好地對零件公差進(jìn)行匹配。此外，將裝配體導(dǎo)出工程圖紙，對其裝配體進(jìn)行零件標(biāo)注并配有裝配說明。

1.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

在完成對電纜溝填充物收取設(shè)備圖紙的設(shè)計后，對設(shè)備中的零構(gòu)件及其裝配構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力綜合分析，分析時使用ANSYS 軟件，此軟件屬于一個有限元分析軟件。調(diào)用軟件中的前端處理工具進(jìn)行實體設(shè)備的建模與網(wǎng)格劃分[2]。對接劃分的網(wǎng)格區(qū)域與軟件計算模塊，根據(jù)設(shè)備的設(shè)計需求，選擇線性或非線性分析方法對設(shè)備進(jìn)行動力學(xué)、流體學(xué)、壓電、聲場、電磁場、物理場等參數(shù)的耦合分析。

在此基礎(chǔ)上，模擬電纜溝內(nèi)的多種物理介質(zhì)即介質(zhì)之間的相互作用力，掌握設(shè)備在實際應(yīng)用中的需求。將分析得到的結(jié)果導(dǎo)入后端處理模塊，此模塊可將對應(yīng)的結(jié)果以等值線的方式表示，呈現(xiàn)的內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)應(yīng)力梯度、粒子流痕跡等。為確保設(shè)計成果的精度符合實際應(yīng)用需要，可將結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化處理，并將結(jié)構(gòu)內(nèi)部切面以透明或半透明的方式表示。

1.3 電纜溝填充物收取主體設(shè)備主要器件選型

根據(jù)圖紙的設(shè)計方案與裝配方案羅列出所有的器件材料，從核心部件開始進(jìn)行選型工作。選型時需考慮設(shè)備整體運作要求以及效率能耗，且不能超出設(shè)計的功率、電壓范圍，選型可能會出現(xiàn)核心部件的固定方式與設(shè)計不一致，需重新考慮最佳的固定方式[3]。電纜溝填充物收取設(shè)備主要包括旋挖頭、旋挖導(dǎo)管、動力與控制裝置。其中旋挖頭的技術(shù)要求為：旋挖頭包括外護罩、內(nèi)旋刀片、外旋刀齒，同時旋挖頭與旋挖導(dǎo)管連接并共同驅(qū)動轉(zhuǎn)動。內(nèi)旋刀片選擇鋁質(zhì)材料進(jìn)行精加工、外旋刀齒選用尼龍材質(zhì)或鋁質(zhì)進(jìn)行精加工。主體設(shè)備參數(shù)要求如下表1所示。

表1 電纜溝填充物收取主體設(shè)備參數(shù)要求

其中旋挖導(dǎo)管的技術(shù)要求為：旋挖導(dǎo)管內(nèi)部通過旋導(dǎo)片將細(xì)沙從低處往出沙空傳送，旋導(dǎo)軸承與動力模塊連接、提供旋轉(zhuǎn)動力。旋挖導(dǎo)管壁厚約5mm 左右，旋挖導(dǎo)管外壁采用太空鋁材質(zhì)車床加工而成；旋導(dǎo)片葉片距離為250mm，空心軸徑為60mm，葉片厚度3～5mm。旋挖導(dǎo)管與旋導(dǎo)片均為拼接設(shè)計，由長度≤2000mm 的兩段旋挖導(dǎo)管與旋導(dǎo)片進(jìn)行拼裝，此種設(shè)計方式能夠有效地節(jié)約空間，方便搬運。

動力與控制裝置的技術(shù)要求為：動力裝置與旋挖導(dǎo)管內(nèi)部軸承進(jìn)行連接驅(qū)動，動力需滿足實際工況要求。為了避免物料在傳輸過程中出現(xiàn)卡死或突發(fā)性變頻跳閘等問題，可將電機在運行中的額定轉(zhuǎn)速設(shè)定在1000.0RPM，對應(yīng)的功率控制在3kW左右，電纜溝填充物收取設(shè)備未變頻預(yù)計轉(zhuǎn)速為400RPM，實際工作轉(zhuǎn)速預(yù)計為300RPM。

非核心部件選型根據(jù)已經(jīng)選型完畢的核心部件進(jìn)行參考。如傳輸管、蛟龍葉片、斷路器、空氣開關(guān)、保險絲等，選型中需結(jié)合項目需求與實際使用環(huán)境，選擇的構(gòu)件不能超出設(shè)計的內(nèi)徑、長度、管壁厚度、功率、電壓、電流等。非核心部件選材時，倘若出現(xiàn)沒有合適規(guī)格尺寸的部件時，需考慮通過后期加工或直接定制達(dá)到使用要求。若出現(xiàn)更加合適的器件時，如是核心部件需進(jìn)行小組討論是否有更換的必要性、及更換后對整體的結(jié)構(gòu)影響與效率能耗影響，對于非核心部件需要考慮該部件的重量，自行判斷。

1.4 電路連接設(shè)計

根據(jù)以上的核心部件與非核心部件選型的結(jié)果，使用CAD、SketchUp 等軟件進(jìn)行模擬線路連接，如果部分出現(xiàn)電子元件如控制板、單片機等，則要使用Altium Designer、PADS 等軟件進(jìn)行電路模擬。進(jìn)行電路的連接設(shè)計首先將已選型的部件及對應(yīng)的接線口進(jìn)行繪圖，然后在軟件中進(jìn)行連接，設(shè)計最佳連接路徑，在不影響使用的前提下減少線路，使整體美觀又整潔，便于后期對設(shè)備檢查與維修[4]。連接時還要考慮項目需求，同時與實際使用環(huán)境相結(jié)合，考慮個別位置是否需使用接頭連接、采用哪種接頭（航空接頭、品字接頭），接頭可通過的最大電流需在設(shè)計范圍內(nèi)，且需考慮預(yù)留個別位置的接口出來，便于實際使用。

1.5 零部件精加工

零部件精加工由六個環(huán)節(jié)構(gòu)成：粗銑→安裝裝夾→定位基準(zhǔn)面→刀具選擇與軸線定位→圖紙導(dǎo)入→開機加工。在粗銑環(huán)節(jié)，需結(jié)合加工零件圖紙，使用銑床加工出大致外形及加工基準(zhǔn)面，同時制作每個零件的相應(yīng)夾具；在裝夾零件環(huán)節(jié)，應(yīng)將零件裝夾在夾具上方并進(jìn)行其表面的清洗，去除灰塵、毛刺等雜質(zhì)，對應(yīng)的夾具表面要保持平滑，在此基礎(chǔ)上夾緊螺母；在基準(zhǔn)面定位環(huán)節(jié)，需根據(jù)前端設(shè)計圖紙的精度要求進(jìn)行基準(zhǔn)面的拉表處理，對于在此過程中已完成六面打磨處理的零件，需在定位時對其進(jìn)行垂直度檢驗；在圖紙導(dǎo)入環(huán)節(jié)，需要對設(shè)計好的零件三維圖紙進(jìn)行x-y-z 軸的虛擬定位，并將圖紙導(dǎo)入加工設(shè)備控制軟件內(nèi)生成加工路徑程序；在開機加工作業(yè)環(huán)節(jié)，應(yīng)先將機械進(jìn)給速度降至最低，以逐步加大給進(jìn)速度的方式進(jìn)行加工的調(diào)試，通過此種方式實現(xiàn)對設(shè)備參數(shù)的持續(xù)優(yōu)化，從而確保加工的成品可達(dá)到既定效果。

1.6 樣機組裝與調(diào)試

樣機組裝與調(diào)試可分為機械器件裝配與調(diào)試、電子器件組裝與調(diào)試兩個環(huán)節(jié)。在進(jìn)行機械器件裝配時，需技術(shù)人員熟練掌握樣機裝配的工藝與技術(shù)，并通過SolidWorks2020進(jìn)行模擬裝配。模擬裝配完成后，按照模擬的順序進(jìn)行裝配實踐。完成裝配后需進(jìn)行表面的二次清理、配合面與精度的校驗等。完成機械器件裝配后，檢查裝配面是否整齊、裝配孔位是否存在偏移，從帶輪部件多方位檢查其傾斜角與偏移量。檢查過程中對傳動組合兩輪的中心平面進(jìn)行重疊處理，并根據(jù)設(shè)備的運行需求調(diào)整傳動組合的張緊度。檢查無誤后可對設(shè)備進(jìn)行試運行，再觀察運行狀態(tài)中是否存在裝配問題的零部件，完成機械器件調(diào)試。

在進(jìn)行電子器件組裝時，需將支撐與接沙平臺架設(shè)在電纜溝兩側(cè)，再將電纜溝填充物收取設(shè)備主體放置在支撐與接沙平臺上方進(jìn)行緊固，對接電子動力裝置與控制裝置的電源與現(xiàn)場柴油發(fā)電機。將編織袋套在支撐與接沙平臺上方的支架，進(jìn)入工作狀態(tài)。完成電子器件的組裝后，操作人員按下電子器件的啟停開關(guān)。電子器件啟動時單片機收到電流信號，默認(rèn)為啟動信號，隨后單片機將啟動直流電機進(jìn)行工作。正反轉(zhuǎn)開關(guān)需在啟動狀態(tài)下才能進(jìn)行電機正反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)功能主要用于旋挖導(dǎo)管堵塞時進(jìn)行反轉(zhuǎn)疏通。當(dāng)操作人員按下反轉(zhuǎn)開關(guān)時，單片機收到相反的電流信號，隨后單片機將控制直流電機進(jìn)行反轉(zhuǎn)。當(dāng)旋挖頭內(nèi)的互感線圈離帶電電纜過近時，電纜中電流所產(chǎn)生的磁通一部分與互感線圈相環(huán)連，從而產(chǎn)生電感。單片機會實時監(jiān)控感應(yīng)電動勢的變化，電動勢變化無誤且變化趨勢平緩時完成對電子器件的調(diào)試。

2 實例應(yīng)用分析

完成樣機組裝調(diào)試后需對樣機性能進(jìn)行測試，此次試驗檢測采用對不定因素進(jìn)行篩選的方式，選擇“不同含水量的填充物”與“不同種類的填充物”兩種不定關(guān)鍵因素作為試驗變量，形成了兩種不同的實驗方案。

在進(jìn)行同種填充物不同含水比例收取速度測試方案設(shè)計時，需將填充物曬干或烘干后，經(jīng)過稱重、放置500kg 在大型容器（方形容器）內(nèi)，第一組試驗將50kg 的自來水倒入容器內(nèi)攪拌，攪拌均勻后靜置20min。放入測試設(shè)備進(jìn)行填充物收取，計時5min。將收取的填充物進(jìn)行稱重記錄數(shù)值。下一組試驗時，將收取的填充物倒入原先的容器內(nèi)，再次增加50kg 的自來水進(jìn)行測試、以此類推。本實驗主要目的在于確認(rèn)不同含水比例的電纜溝填充物對設(shè)備的收取速度影響是否很大，所以在測試數(shù)據(jù)的精度上無需過高。

在進(jìn)行不同填充物相同含水比例收取速度測試時，第一組的試驗先選擇一種填充物作為試驗材料，按“同種填充物不同含水比例收取速度測試方案”流程，依次倒入50kg、250kg、500kg 的自來水進(jìn)行測試。例如第一組試驗先完成沙子作為填充物時，進(jìn)行含水量在0～10%、40～50%、90～100%這三種情況下設(shè)備的收取速度測試，以此類推。下一組試驗再更換填充物材料進(jìn)行試驗即可，將實驗結(jié)果記錄成表格。綜合相關(guān)測試的數(shù)據(jù)可以得出此次實驗的結(jié)果：本文設(shè)計的電纜溝填充物收取設(shè)備，在用于電力施工檢修作業(yè)時，可實現(xiàn)對同種填充物不同含水比例、不同填充物相同含水比例條件下的快速收取，盡管在不同試驗條件下收取量存在差異，但收取的最終結(jié)果可滿足設(shè)備在電力施工檢修作業(yè)中的應(yīng)用需求。

3 結(jié)語

綜上，在目前電力搶修與維護施工中，電纜溝的填充物收取大多采用人工使用鐵鍬等簡易工具進(jìn)行挖取，此種填充物收取方式不僅存在人工勞動強度高的問題，還會降低施工效率。為了解決現(xiàn)有問題，本文研發(fā)了一種新型電纜溝填充物收取設(shè)備，通過操控半自動機械設(shè)備的手段，將電纜溝內(nèi)填充物通過旋挖、旋導(dǎo)的方式，將填充物從電纜溝內(nèi)挖取到地面上，從而降低電纜溝內(nèi)填充物的收取與清理的勞動強度，加快施工進(jìn)度，減少施工時長與停電時間。