方500雙搖臂落地抱桿關鍵技術研究

孫 燁，張松華，周立宏

（1.國網湖北送變電工程有限公司，湖北 武漢 430063；2.浙江省建設工程機械集團有限公司，浙江 杭州 310014）

0 引言

近年來，我國特高壓輸電線路將進入常態化建設，跨江、海、湖、大山谷的高壓輸電線路的架設等聯網工程的不斷增加，電力輸送范圍也越來越廣。國家電網有限公司對施工建設機械化水平重視程度也不斷提高，因此研發了雙平臂落地抱桿、單動臂落地抱桿、雙搖臂落地抱桿等輸變電工程專用施工裝備［1-13］。隨著各種施工機械進入工程建設領域，施工機械化率逐步提升，人工勞動強度逐步下降，施工效率和建設質量顯著提升。然而，由于輸變電工程工序復雜、現場施工環境惡劣、不同等級電壓工程對施工裝備的要求不同等因素，目前輸變電工程建設的勞動強度、安全風險仍有降低的空間，施工機械化水平需繼續提升。因此，開展雙搖臂落地抱桿輕型化、小型化的研發工作。

針對特高壓工程建設需求，雙搖臂落地抱桿得到了研制和廣泛應用，為特高壓工程組塔施工提供了一種安全、高效的施工裝備選擇。對于500 kV及以下的電壓等級常規輸電線路工程，由于塔型較小，單基鐵塔重量較輕，采用現有規格的落地雙搖臂抱桿經濟性較差，同時，由于受到塔型天窗口尺寸的限制，現有規格的雙搖臂落地抱桿在這些工程中也并不適用［14］。與其相比，輕小型雙搖臂落地抱桿則更適用于500 kV及以下工程鐵塔的組立。首先，輕型化、小型化雙搖臂落地抱桿各部件截面尺寸小，可以順利通過鐵塔天窗；其次，輕小型抱桿的立柱、桅桿、搖臂等主要構件的重量將大大減小，方便現場的使用及運輸。若采用懸浮式抱桿組塔，存在組塔效率低、安全風險高等問題，特別是山區復雜地形組立500 kV鐵塔時問題更加突出［15］；與其相比，落地抱桿具有安全性高、操作方便、工作效率高、適應性強的特點，該類抱桿在特高壓施工中得到廣泛應用，輕型化、小型化雙搖臂落地抱桿可在輸變電工程逐漸推廣［15］。方500雙搖臂落地抱桿采用抱桿主柱截面500×500 的結構形式，單件結構尺寸小、重量輕，方便運輸，相比大截面尺寸的抱桿，更適用于山區使用。綜上所述，方500雙搖臂落地抱桿的創新研發，是推動其應用的必由之路，研發成果將帶來巨大的社會和經濟效益，具有廣闊的應用前景和市場推廣價值。

方500雙搖臂落地抱桿的關鍵技術主要有以下四個方面：一是在結構材料的選擇上，以在滿足抱桿起重性能前提下，減輕抱桿整體尺寸和重量，實現抱桿的輕型化；二是對抱桿進行結構設計，減少抱桿的截面尺寸，實現抱桿的小型化；三是采用不平衡力矩差報警系統，提升抱桿的安全性能；四是采用PLC控制雙液壓缸同步頂升系統，減小因頂升油缸不同步造成標準節在套架中的卡頓風險，以提升抱桿的安全性能。

1 結構材料的選擇

為了保證抱桿有足夠的強度和剛度，常使用鋼鐵材料如Q235B 和Q355B 材料；抱桿材料主要采用的是Q355-B 低合金高強度結構鋼和Q235-B 碳素結構鋼，而非更高強度高強鋼。選擇幾個具有代表性的材料，即碳素結構鋼Q235-B，低合金高強度結構鋼Q355-B及低合金高強度結構鋼Q460-C，對比分析其物理性能、焊接性能兩個方面，研究適用于方500雙搖臂落地抱桿的材料。

1.1 物理性能

1.1.1 碳素結構鋼Q235-B

碳素結構鋼Q235-B，具有高的塑性、韌性和焊接性能、冷沖壓性能，以及一定的強度、好的冷彎性能，廣泛用于一般要求的零件和焊接結構。如受力不大的拉桿、連桿、銷、軸、螺釘、螺母、套圈、支架、機座、建筑結構、橋梁等，其化學成份（質量分數%）為：碳C：0.12～0.20、硅Si：≤0.30、錳Mn：0.30～0.70、硫S：≤0.045、磷P：≤0.045、鉻Cr：允許殘余含量≤0.030、鎳Ni：允許殘余含量≤0.030、銅Cu：允許殘余含量≤0.030，其力學性能如表1所示。

表1 Q235-B的主要力學性能Table 1 Main mechanical properties of Q235-B

Q235-B含碳量適中，具有良好的塑性、韌性、焊接性能，大量生產鋼板、型鋼、鋼筋，用以建造廠房房架、高壓輸電鐵塔、橋梁、車輛等。

1.1.2 低合金高強度結構鋼Q355-B

Q355-B是低合金高強度結構鋼的一種，其含義為屈服強度355 MPa，質量等級為B 級，脫氧方式為鎮靜鋼或特殊鎮靜鋼，除鐵元素外，其他主要成分為含碳量小于0.24%、硅小于0.55%、錳介于0.9%～1.6%、磷0.035%、硫0.035%及其他元素。主要力學性能可參考《GB/T 1591-2008 低合金高強度結構鋼》，其力學性能如表2所示。

表2 Q355-B的主要力學性能Table 2 Main mechanical properties of Q355-B

一般結構的強度控制時，可使用Q355-B，剛度控制時可考慮Q235-B，或二者同時分別作為主材、輔材配合使用。

1.1.3 低合金高強度結構鋼Q460-C

低合金高強度結構鋼Q460-C，高強度，在正火，正火加回火或淬火加回火狀態有很高的綜合力學性能，全部用Al補充脫氧，具有良好的韌性；備用鋼種，用于各種大型工程結構及要求高強度、重負荷的輕型結構，其化學成份（質量分數%）為：碳C：≤0.20、硅Si：≤0.60、錳Mn：≤1.80、硫S：≤0.035、磷P：≤0.035、鉻Cr：≤0.30、鎳Ni：≤0.80、釩V：≤0.20、銅Cu：≤0.55、鉬Mo：≤0.20，其力學性能如表3所示。

表3 Q460-C的主要力學性能Table 3 Main mechanical properties of Q460-C

1.2 焊接性能

方500 雙搖臂落地抱桿是由大量部件所焊接組成，部件包含有大量角鋼、方鋼管、圓管等焊接而成。所以抱桿材料的選擇還應該考慮材料的焊接性能工藝。

鐵材料的焊接性能一般是指焊縫及熱影響區是否容易形成裂紋，焊接接頭是否出現脆性等。因此，材料的焊接性能一直是一個非常重要的工藝指標。通過大量的實驗結果，發現鋼的焊接性能與其成分關系很大，尤其是碳含量。當碳含量高時，焊接區容易產生裂紋，合金元素含量增加也容易產生開裂現象，因此可以用合金成分的“碳當量［C］”概念來表示焊接性能的好壞。經驗表明，當［C］小于0.4%時，鋼材焊接冷裂傾向不大，焊接性良好；當［C］處于0.4%～0.6%之間時，鋼材焊接冷裂傾向較顯著，焊接性能一般，焊接時需要預熱鋼材或采取其它工藝措施來防止裂紋；當［C］大于0.6%時，鋼材焊接冷裂嚴重，焊接性能很差，基本上不適合于焊接，或者只有在嚴格的工藝措施下和較高的預熱溫度下才能進行焊接操作。

由鋼材產品質量證明書中得到各元素的質量分數，得出Q235-B 的碳當量：［C］≈0.25；Q355-B 的碳當量：［C］≈0.35；Q460-C的碳當量：［C］≈0.51。

以上結果表示低合金鋼Q355-B與碳素鋼Q235-B的碳當量［C］低于0.4%，焊接性能良好，整個焊接過程不必采取特殊的工藝措施；而低合金鋼Q460-C 的碳當量［C］介于0.4%～0.6%之間，焊接性能一般，焊接時有較明顯的淬硬傾向，熱影響區容易形成硬而脆的馬氏體組織，塑性和韌性下降，耐應力腐蝕性能惡化，冷裂紋傾向增加。因此為防止產生裂紋，焊接過程中應嚴格保持低氫條件。根據碳當量法，當母材［C］＞0.4時，焊接時應適當預熱，預熱溫度至150 ℃后進行及時焊接并焊后緩冷。經比較，低合金鋼Q460-C 的焊接對焊接工藝、焊接條件及操作人員要求較高，所以低合金鋼Q355-B 和碳素結構鋼Q235-B 比較適合作為生產輕小型落地雙搖臂抱桿的材料。

1.3 小結

通過以上兩個方面的對比分析，低合金高強度結構鋼Q355-B 的綜合性能都優于其它材料，更加適用于方500 雙搖臂落地抱桿的生產，可以滿足抱桿對強度、剛度及穩定性的要求，同時在設計過程中Q355-B作為主材的材料，Q235-B作為輔材的材料。

2 主要結構部件

方500 雙搖臂落地抱桿主要包括：桅桿、吊臂、上支座、下支座、回轉支承、吊鉤、過渡節、塔身、頂升套架、腰環、底座等；整體結構如圖1所示。

圖1 方500雙搖臂落地抱桿整體結構圖Fig.1 Overall structure diagram of square 500 double rocker arm landing derrick

2.1 桅桿

桅桿采用分段減重的形式，截面外廓尺寸為0.5 m×0.5 m，頂部設有變幅鋼絲繩、滑輪等。兩兩節間采用單、雙耳板的結構，通過4 組銷軸組件進行連接，桅桿如圖2所示。桅桿的主要組成部件如表4所示。

表4 桅桿主要組成Table 4 Main components of mast

圖2 桅桿結構圖Fig.2 Structure drawing of mast

2.2 吊臂

本次吊臂的截面采用正方形形式，外廓尺寸（高×寬）為0.44 m×0.44 m。主弦桿材質選用Q355B，臂節之間選用插銷、耳板形式連接，如圖3所示。

圖3 吊臂Fig.3 Crane jib

圖 4 套架整體結構Fig.4 Overall structure of the frame

吊臂的主要組成部件如表5所示。

表5 吊臂主要組成Table 5 Main components of crane jib

該吊臂形式具有以下特點：

1）吊臂采用分段形式，每一段通過銷軸、耳板結構組件固定連接在一起，方便拆卸與運輸。針對500 kV及以下輸變電工程組塔施工，若施工地點位于山區，該吊臂最大段重量不超過200 kg，便于搬運；

2）搖臂的工作角度為3°～87°之間；

3）吊臂頭部上設計有防撞裝置，防止吊臂在收臂時與塔頂相撞。

2.3 套架

套架的整體結構形式如圖4所示。

該套架形式具有以下特點：

1）套架為整體拆片式，通過螺栓、螺母、墊片固定連接在一起，便于拆卸、搬運與運輸。

2）采用落地式油缸及頂升承臺外置的組合設計，以套架結構為軌道的型式，降低了套架的初始安裝高度；油缸下端通過銷軸等連接在底座上，上端通過銷軸等連接在套架的套架承臺上，套架上部結構可以利用油缸本身頂起（需打設拉線）。

3）套架上端設置有滑輪裝置，不方便進行頂升的部件可通過該裝置用繩索進行提升。

4）頂升操作自動化，整機的大多數豎向構件可以實現頂升方式安裝。

5）回轉采用可拆分的結構，整體截面更小，重量輕，能夠通過套架進行頂升。

2.4 桿身

桿身包括標準節（51節），加強節（11節）。標準節截面外廓尺寸為0.5 m×0.5 m，單節長度為2 m，加強節主弦桿采用口86×8 方管，標準節主弦桿采用口70×5方管，材質選用Q355-B，兩兩節間采用4 組φ35 銷軸組件進行連接，桿身如圖5所示。

圖5 桿身Fig.5 Tower

桿身的主要部件組成如表6所示。

表6 桿身主要組成Table 6 Main components of tower

2.5 輕型化、小型化

方500 雙搖臂落地抱桿縮小了標準節的橫截面，減輕了標準節的重量；抱桿起重臂采用方鋼管、圓鋼管作為主材，相較于角鋼更加結實、耐用，不易摔壞變形；同樣的起升高度，整機重量更輕。經過測算，該抱桿安裝至120 m時，總重為14.5 t。

方500雙搖臂落地抱桿與T2D80雙搖臂抱桿的標準節與整機對比，如表7所示。

表7 抱桿重量Table 7 Weight of derrick

2.6 小結

通過對抱桿結構部分的研究，對抱桿的各部件進行優化，合理確定抱桿的尺寸，滿足抱桿輕型化、小型化的要求，同時，滿足使用強度的要求。

1）采用分段減重的形式，對吊臂、桅桿進行合理設計，減輕抱桿單件的重量。

2）采用落地式油缸及頂升承臺外置的組合設計的型式，以套架結構為軌道，降低了套架的初始安裝高度；塔頂、回轉體、標準節均可以通過頂升套架進行安裝，實現抱桿的組立。

3）塔身采用單、雙耳板結構，用銷軸進行連接，便于安裝，相較于螺栓連接的方式更為經濟。

3 不平衡力矩差報警系統

3.1 不平衡力矩差報警系統測量裝置

不平衡力矩差報警系統測量裝置如圖6所示。

圖6 不平衡力矩差報警系統測量裝置Fig.6 Measuring device for unbalance moment difference alarm system

該測量裝置具有以下特點：

1）測量裝置為拆分結構，防止運輸過程中磕碰損壞；

2）該測量裝置以上支座上平面為基準，通過測量塔頂在受力過程中的形變，經加長桿放大后，進行調整；

3）調整開關為開放式結構，在狹小的站立空間，方便人員調整。

3.2 不平衡力矩差報警裝置

為了適應野外，特別是山區，不方便提供外接電源的場所，不平衡力矩差報警裝置采用蓄電池供電，采用無線傳輸方式，完成上部測量，地面報警，系統框圖如圖7所示。

圖 7 不平衡力矩差報警系統框架圖Fig.7 Frame diagram of unbalance moment difference alarm system

4 PLC控制雙液壓缸同步頂升系統

傳統的落地抱桿液壓頂升系統不同步，存在因抱桿頂升油缸不同步造成的標準節在套架中的卡頓風險，采用PLC 控制雙液壓缸同步頂升系統降低了頂升作業安全風險，提升了雙搖臂落地抱桿安全性能。

PLC控制雙液壓缸同步頂升系統由液壓控制系統和電氣控制系統兩部分組成。液壓系統主要由液壓泵站、溢流閥、壓力表、單向閥、電磁換向閥、液壓軟管和液壓缸等組成，用于頂升或下降同步控制的執行。電氣控制系統主要由控制器、模擬量輸入模塊、數字量輸出模塊、操作屏、位移傳感器信號、油泵電機、電磁閥等組成，用于頂升或下降同步控制的檢測、設定、運算、顯示等各功能。

液壓同步頂升系統是一個成熟的系統，主要應用于物體在精確位置控制下的精確頂升和下放；它是基于閉環控制系統理論，采用負載的位移作為受控參數；控制器通過模擬量輸入模塊，接收安裝每個連接在負載上并能檢測液壓缸位移的位移傳感器采集的位移信號；控制器負責接收、處理這些信號［16-20］。

提高系統同步精度及可靠性的技術措施，包含選擇高精度的傳感器及調理系統、設計先進可靠的控制系統硬件平臺和軟件平臺，以及選擇合理的控制方法和策略［21-28］。

4.1 液壓泵站

PLC控制雙液壓缸同步頂升系統的液壓泵站如圖8所示。

圖8 液壓泵站示意圖Fig.8 Schematic diagram of hydraulic pump station

PLC控制雙液壓缸同步頂升系統的液壓泵站的技術參數如表8所示。

表8 液壓泵站性能參數Table 8 Performance parameters of hydraulic pump station

4.2 液壓原理

液壓原理圖如圖9 所示，液壓油經二分流容積同步泵P1分兩路輸出，兩路壓力油經電磁換向閥DV1和DV2 分別輸出到液壓油缸CY1 和CY2。泵站啟動時，電磁換向閥DV1和DV2不得電，壓力油經換向閥H型中位卸荷；換向閥電磁鐵1DT得電時，壓力油經單向節流閥CR1/CR2的單向閥，進入液壓油缸CY1/CY2的下腔（無桿腔），油缸伸出，同時油缸上腔（油桿腔）的液壓油經電磁換向回到油箱；換向閥電磁鐵2DT得電時，壓力油進入液壓油缸CY1/CY2的上腔（有桿腔），油缸回縮，無桿腔的液壓油通過單向節流閥CR1/CR2的單節流閥時產生回程阻力，在油缸下降過程中起到防止油缸因負載而下降過快的“托舉”作用；二分流容積同步泵P1的兩路出口完全獨立，分別由溢流閥PV1和PV2限制最高壓力，并各自配置一個壓力表用于觀察。

圖9 液壓原理圖Fig.9 Diagram of hydraulic principle

4.3 容積同步泵

容積同步為開環控制技術，其實現主要依靠高精度制造工藝、單泵多獨立油路設計等技術和工藝來保證。容積同步系統必須使用同規格的油缸。以油缸名義內徑140 mm為例，其內徑尺寸偏差在0.2 mm之內，可以計算得到其面積偏差小于0.3%。考慮油管長度、再綜合檢測吸壓油閥組效率及換向閥的泄漏量等，容積同步精度誤差≤5%。

4.4 PLC控制雙液壓缸同步頂升系統

為提高容積同步泵的同步精度和可靠性，PLC 控制雙液壓缸同步頂升系統疊合PLC控制程序和位移傳感器參與的閉環高精度同步控制，電氣控制原理如圖10所示。

圖10 電氣控制原理圖Fig.10 Electrical control schematic diagram

控制系統包含用于控制參數輸入和參數顯示的觸摸屏，PLC部分中包括主CPU模塊及用于電機驅動、電磁閥驅動以及保護功能的輸入輸出（I/O）模塊和用于傳感器信號采集的信號轉換（A/D）模塊以及電源模塊等輔助模塊。

同步控制升降時，PLC 的A/D 模塊采集、傳輸2 個位移傳感器信號；主CPU計算兩個位移的差值，當差值大于程序設定的最大差值時，CPU控制I/O模塊切斷速度較快的油缸所對應的電磁換向閥的供電，并在一個周期內再次采集并計算兩個位移值之間的差值，當差值小于設定值時控制I/O對其恢復供電，以此實現比容積同步更高精度的閉環控制。根據不同的位移傳感器及油缸升降速度，可將控制精度提高至3 mm～5 mm范圍內。

5 現場應用

5.1 工程概況

湖北武漢1 000 kV 特高壓變電站配套500 kV 送出工程分為4 個部分：武漢特高壓-道觀河Ⅰ、Ⅱ回500 kV 線路、武漢特高壓-柏泉Ⅰ、Ⅱ回500 kV 線路、宜都-華新±500 kV 升高改造線路和木蘭-孝感Ⅰ回500 kV改造線路。

1）武漢特高壓-道觀河Ⅰ、Ⅱ回500 kV線路

線路起點為1 000 kV 武漢特高壓500 kV 構架，終點為500 kV道觀河變500 kV構架，全線在武漢市新洲區，新建同塔雙回線路全長2×10.735 km。導線采用4×JL3/G1A-630/45 鋼芯高導電率鋁絞線，地線雙根采用72芯OPGW光纜。全線新建桿塔31基，其中雙回路直線塔21基，雙回路耐張塔10基。

2）武漢特高壓-柏泉Ⅰ、Ⅱ回500 kV線路

線路起點為1 000 kV武漢特高壓500 kV構架，終點為泉孝117 號（木泉52 號）雙回路分支塔（改接點），途徑武漢市黃陂區、新洲區和黃岡市紅安縣，新建同塔雙回線路長度2×53.778 km。利舊原柏泉側雙回線路2×46.332 km，形成武漢特高壓-柏泉變500 kV 線路2×100.11 km。導線采用4×JL3/G1A-630/45鋼芯高導電率鋁絞線，地線雙根采用72芯OPGW光纜。全線新建桿塔138基，其中雙回路直線塔94基，雙回路耐張塔44基。

3）宜都-華新±500 kV線路升高改造

全線新建桿塔4 基，其中新建直線塔2 基，耐張塔2基。

4）木蘭-孝感Ⅰ回500 kV改造線路

將柏泉π接原木孝Ⅰ回線路柏泉側雙回出線改接至武漢特高壓后，需要還原木蘭-孝感Ⅰ回500 kV 線路。對木蘭-孝感Ⅰ回500 kV 線路改造，改造線路長0.174 km，單回路架設。改造拆除桿塔1基。全線新建單回路耐張桿塔2基。該工程塔型新建線路所有鐵塔塔身斷面全部采用“正方形”斷面，均為自立式鐵塔，雙回路桿塔均采用鼓型塔頭。

5.2 方500雙搖臂落地抱桿應用

方500雙搖臂落地抱桿組立鐵塔施工流程如圖11。

圖11 組塔施工流程圖Fig.11 Construction flow chart of assemble tower

以N29號塔位為例，該塔位的塔型為500-MC21SZCK，呼高51 m，塔重53.995 8 kg，全高77.78 m。方500 雙搖臂落地抱桿標準節截面尺寸為500 mm，最大起重量3 t，吊裝幅度12 m，自由高度14 m，最大吊裝高度120 m，滿足該塔位的施工需求。

使用抱桿立塔，橫擔數據如表9所示。

表9 橫擔數據Table 9 Data of cross-arm

根據表9，橫擔重量不超過3 t，采用整吊的方式；吊裝方式主要分為：下橫擔→中橫擔→上橫擔及地線支架。

根據抱桿的主要技術參數，吊裝幅度為12 m，根據表9，橫擔距中心距離為11.28 m，小于吊裝幅度；抱桿最大起重量3 t，根據表9，鐵塔橫擔斷重均小于3 t，該抱桿可以使用。此外，在吊裝中橫擔和上橫擔前，需要回轉45°，避免上中橫擔起吊過程中對已安裝橫擔產生碰撞，在起吊高度接近就位高度時停止起吊，再將搖臂回轉至就位方向。

5.3 小結

方500雙搖臂落地抱桿在湖北武漢1 000 kV變電站配套500 kV送出線路工程N17號、N29號、N60號等塔位成功完成了現場試用，如圖12 所示，取得了良好效果，進一步提高了輸電線路機械化施工水平。

圖12 方500雙搖臂落地抱桿現場使用Fig.12 Square 500 double rocker arm landing derrick in construction site

6 結語

目前，500 kV 以上工程中所使用的雙搖臂落地抱桿的單件結構尺寸較大，單件重量較重，這類抱桿往往適用于平原地區或者運輸方便的地區，且抱桿雙臂收攏后尺寸較大，超過2 m。對于500 kV 及以下工程來說，該類鐵塔的天窗尺寸常在2 m左右，所以現階段常用的雙搖臂落地抱桿不滿足此類工程需求。方500雙搖臂落地抱桿的研制則滿足了500 kV 及以下輸電線路工程的使用需求，具有廣闊的應用前景。

方500 雙搖臂落地抱桿相較于同類型產品，單件結構尺寸小，重量輕，在山區運輸方便，同時選用Q355-B作為主材的材料，Q235-B作為輔材的材料，使得方500雙搖臂落地抱桿更適用于山地條件施工。通過對抱桿結構部分的研究，對抱桿的各部件進行優化，合理確定抱桿的尺寸，滿足抱桿輕型化、小型化的要求，同時，滿足使用強度的要求。對吊臂、桅桿采用分段減重的型式進行設計，減輕單件重量；采用落地式油缸及頂升承臺外置的組合設計的型式，降低了套架的初始安裝高度；塔頂、回轉體、標準節均可以通過頂升套架進行安裝，實現抱桿的組立。針對500 kV及以下輸電線路工程，抱桿整機重量更輕，在高度120 m 時，整機重量不超過20 t。

方500雙搖臂落地抱桿采用無線傳輸技術的力矩差控制器，解決了力矩差信號較難獲取、傳輸不便等問題，降低了力矩差超載隱患，提升了雙搖臂落地抱桿的使用安全性。

方500雙搖臂落地抱桿采用PLC控制雙液壓缸同步頂升系統，該控制系統采用容積同步泵、PLC控制程序、位移傳感器參與的閉環高精度同步控制，減小了因抱桿頂升油缸不同步造成的標準節在套架中的卡頓風險，降低了頂升作業安全風險，提升了雙搖臂落地抱桿安全性能。