一種輸變電施工多功能導線牽引器研制*

張宏偉

(國網甘肅省電力公司 金昌供電公司，甘肅 金昌 737100)

0 引 言

輸變電工程施工中，線纜架設時需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]，需要作業人員精確確定塔身的錨點從而確定牽引方向，方向落后，安裝繁瑣，施工難度大。

筆者針對現有線塔牽引固定方式存在的問題，提出了一種多功能電動導線牽引器，借鑒施工塔吊工作原理，適應不同牽引方向，可以根據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。有效解決了輸變電線纜架設時，鋼纜牽引方向單一、安裝繁瑣、難度大等長期困擾施工的難點問題，可以廣泛應用到各電壓等級輸變電工程和配電網線路施工。

1 設計與論證

輸變電工程施工中，常用的牽引方法主要有[2]：

(1) 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。

(2) 動滑輪。主要是物品較重時采用。

(3) 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次牽引方式進行統計、分析情況，具體如下。

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

(2) 動滑輪人工牽引120次、占比11.1%，主要特點是作業人員體力消耗小，需要高空作業人員攜帶兩組滑輪及牽引繩登塔。

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

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

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

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

可以看出，定滑輪人工牽引、動滑輪人工牽引等方式需要多人配合，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年～2019年各種繩索牽引方式進行統計如表1所列，可以看出，定滑輪人工牽引的牽引重量最小，作業人員最少。定滑輪絞磨的牽引重量最大，但需要作業人員較多。

表1 各類牽引方式統計表

1.1 目標與方案

經過充分調查和分析，確定了研究目標。

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

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

根據上述目標，提出了3個總體方案。如表2所列。

表2 方案設計表

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合工作經驗和現場實際綜合評價，評價標準如下。

(1) 牽引至30 m高處的時間控制在1 min以內。

(2) 作業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。

(3) 成本費用最低，總造價不超過3 000元，單體設備不超過1 500元。

(4) 總重量不超過10 kg，組裝不超過120 s。

各擬選方案分析論證如表3所列。

表3 擬選方案分析論證表

通過分析、論證，最終確定研制基于電動絞磨驅動的多功能牽引器。

1.3 評估與優化

對擬選方案進一步優化，主要涉及驅動電機、動力電源、電機調速器及主體材料選擇等方面。

(1) 驅動電機選擇

驅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。按照轉速大于30 r/min、重量輕、造價低等標準遴選。如表4所示。

表4 驅動電機選擇對比表

同時，進行牽引試驗，將100 kg重物牽引至15 m高處，記錄用時。

(2) 動力電源選擇

從電壓等級合理、充電速度快、使用壽命長、續航里程強勁、安全穩定、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5所列。

表5 動力電源選擇對比表

續表5 動力電源選擇對比表

(3) 電機調速器選擇

為實現正反轉控制，選擇直流電機調速器。

按照電壓等級合理、最大電流≤30A及安全風險低等標準選擇調速器方式，有有線調速和無線調速兩種。如表6所列。

表6 電機調速器選擇對比表

(4) 固定方式選擇

為適應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兩種方式。從機械強度、安全性及穩固性等方面綜合評估。如表7所列。

表7 固定方式選擇對比表

(5) 主體支撐材料選擇

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

鐵質材料。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，出現裂紋或變形。

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

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 方案設計總框圖

2.2 制定計劃

根據5W1H原則，制定研制計劃表，如表8所列。

表8 研制實施計劃表

2.3 設計制作

(1) 動力部分 采用齒輪減速電機，如圖3所示。經過試驗，扭矩符合要求，動能輸出穩定持續，正、反轉轉換靈敏，轉速正常。

圖3 動力部分加工制作圖

經過模擬操作，穩定輸出率達到100%，20次牽引操作，最大容許扭矩正常。如表9所列。

表9 電機最大容許扭矩試驗表

可以看出，此電機滿足不同條件下最大容許扭矩要求[4]，輸出穩定，啟停反應靈敏，可快速實現正、反轉切換。

(2) 動力電源 選用鋰離子電池組，外形尺寸為350 mm×270 mm×160 mm、標準電壓為24 V、額定容量為120 AH，重量<10 kg。

經過試驗，電池組持續放電時間≥10 h，充電電流為10 A，滿足要求。

(3) 遙控裝置 設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、調速范圍為0～100%、pwm頻率為21 kHz、電位器阻值為100 k。

經過試驗，可以實現遠程控制正反轉及牽引雙速度，停止供電后可以對電機發送鎖死信號。接線如圖4所示。

圖4 無線控制器接線圖 圖5 主體結構圖

(4) 主體結構 主體結構尺寸為：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Φ150～Φ230 mm，螺栓尺寸Φ16 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。主體結構尺寸準確率100%，主體結構尺寸誤差在±10 mm以內。經過試驗，機械強度、粗糙度、彎度及間隙等指標均符合要求。如圖5所示。

(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，同時應具有防止滑跑措施，各方位晃動不脫落。

(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10kN，扭矩滿足要求。

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

(7) 電線接頭 電線接頭及延長線選用10號、4 m2純銅線纜，可通過最大瞬時電流為30A。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，接觸穩定、可重復插拔。如圖6所示。

圖6 電線接頭及延長線圖

2.4 組裝調試

經過試驗，整體組裝時間為3 min，活動部件轉動無卡澀，使用正常，效果良好。組裝后，安全、質量、設備、環保等管理部門組織了專題安全、質量、技術和環保認證，結論為合格[5]，并獲得授權。

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15 m處，模擬10次牽引操作試驗。時間分別為：1.2 min、1.2 min、1.3 min、1.3 min、1.2 min、1.2 min、1.3 min、1.2 min、1.3 min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10kg，攜帶方便。現場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，且適合各種作業場所，實用性很強。

3.3 性能試驗

按照規定[6-7]，對多功能電動牽引器進行動、靜荷重試驗，試驗結果均合格。

(1) 靜荷重試驗[8]。耐加120 kg重力持續5 min，未發生變形及受損。

(2) 動荷重試驗[9]。施以1.5倍允許工作負荷，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

(1) 經濟效益。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≈1 500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，節約運維成本。

年節約成本≈300元/天.人×2人×50天=30 000元

其中，工作時間按50天/年計算，人工成本按照300元/天.人計算[10]。

(2) 社會效益。多功能電動牽引器的應用，減少了作業人員，提高了工作效率，節約了人工成本，降低了安全風險，提升了安全管理水平。同時，提高了供電可靠性和電壓合格率，提升了供電企業形象。

4 結 語

輸變電用多功能電動導線牽引器借鑒施工塔吊工作原理，適應各類型號鋼纜及不同牽引方向，可以根據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時，鋼纜牽引方向單一、安裝繁瑣、難度大等長期困擾施工的難點問題[11]，經濟性、實用性、安全性、可靠性及便捷性等都很強，可以廣泛應用到各電壓等級輸變電工程和配電網線路施工，推廣應用前景廣闊。