新型架空線路防墜落裝置用自鎖器研制

衛曉東，梅 佳，李 祺，周立民，魏云龍，安傳毫

(北京國網富達科技發展有限責任公司，北京 100070)

0 引言

隨著我國電力架空線路的快速發展，線路電壓等級以及鐵塔的高度不斷提升。目前人工登塔巡檢仍然是架空線路檢修的主要方式。作為高空危險作業工種，人工登塔檢修工作對人員體力消耗較大，易發生人員高空墜落等危險事件。根據國家能源局通報，2020 年我國電力行業發生36 起人身傷亡事故、死亡45 人，高處墜落造成10 起事故、14 人死亡，由高空墜落發生的事故占比近28 %[1]。近年來，國家電網有限公司和中國南方電網有限責任公司借鑒外國相關經驗，在國內新建線路鐵塔上安裝了防墜落裝置，并分別制定了相關標準，降低了登塔檢修作業中人員高空墜落發生的概率[2-4]。但目前已經安裝的防墜落裝置的剛性導軌截面規格和現場安裝質量并未完全統一，防墜落裝置的使用效果還不是很理想，其中自鎖器在裝置剛性導軌上的順暢性和安全性是裝置使用效果的一個重要方面[5]，如何在保證自鎖器使用安全性的前提下，提高自鎖器的順暢性是一直困擾一線登塔人員的問題。

目前，國家電網有限公司在新建架空線路上應用較為普遍的防墜落裝置剛性導軌為T 型導軌。針對T 型導軌的現場使用需求，下面設計了架空線路防墜落裝置用自鎖器，對其機械結構及特性進行了研究，生產了樣機，通過了實驗室驗證，并在架空線路作業現場進行了應用。該自鎖器可有效解決一線檢修作業中存在的使用難題，提高其順暢性，增強登塔作業人員的良好使用體驗，保證登塔作業人員的安全。

1 新型自鎖器導向方案

自鎖器的工作原理如下：登塔人員正常作業時，自鎖器可隨登塔人員沿導軌移動；當人員墜落時，自鎖器可立即利用杠桿原理，使其偏心結構件配合導向結構自動卡鎖導軌，進行制動。通常自鎖器偏心結構件卡緊導軌上平面，導向結構卡緊導軌下斜面。為了更好地研究自鎖器的導向結構效果，導向方案設計兩種結構形式，分別為滑動導向結構和滾動導向結構兩種方案，具體介紹如下。

1.1 滑動導向結構

自鎖器滑動導向結構設計如圖1 所示，自鎖器的滑動導向面為具有一定傾斜度的貫通平面結構，與導軌下斜面相接觸。為保證自鎖器能更好適應導軌下斜面，其傾角與導軌下斜面傾角保持一致。

圖1 自鎖器滑動導向結構

1.2 滾動導向結構

自鎖器滾動導向結構設計如圖2 所示，自鎖器的滾動導向結構由三組六個滾動導向輪組成，呈對稱結構。滾動導向輪可沿自身軸線轉動，實現在導軌下斜面的滾動運動。為保證自鎖器能更好適應導軌下斜面，滾動導向輪外表面傾角與導軌下斜面傾角同樣保持一致。

圖2 自鎖器滾動導向結構

2 新型自鎖器拆卸方案

傳統自鎖器一般采用一體式結構，不具備可拆卸性，只能在鐵塔導軌的最下端或者最上端安裝或者拆卸。這種結構存在以下問題：在個別情況下，當鐵塔導軌中間某段導軌存在卡點，自鎖器無法正常通過時，登塔人員無法繼續使用自鎖器攀爬鐵塔，不能有效保證登塔人員安全。為了解決以上問題，與傳統自鎖器的一體式結構不同，下面研究設計的一種新型自鎖器采用“分體式可拆卸結構”，其主體結構分為左右兩側機體，如圖3 所示，分別為滑動方案和滾動方案的拆卸結構閉合狀態、打開狀態。其中，拆卸開關為機械控制開關，對自鎖器的分體式可拆卸結構起到自鎖限位作用，在導軌上正常使用時拆卸開關為自動鎖閉狀態。該開關必須經過“下按”“前推”兩個連續明確的動作才能打開，防止自鎖器意外脫離導軌，具備防誤操作功能。

圖3 自鎖器分體式可拆卸結構

正常使用時，自鎖器在拆卸開關的作用下，保持自動鎖閉狀態；安裝和拆卸自鎖器時，打開拆卸開關，使自鎖器右側機體向該側平移，再向該側旋轉即可滿足安裝拆卸作業條件；安裝和拆卸作業完成后，以與打開過程逆向的順序操作自鎖器，即可使自鎖器自動恢復鎖閉狀態，轉化到正常使用工況。

相對于傳統自鎖器，該新型自鎖器拆卸結構的設計具備以下應用效果：可使自鎖器在鐵塔導軌任一位置進行拆卸，克服了傳統一體式結構“只能在鐵塔導軌的最下端或者最上端安裝或者拆卸”的弊端；同時該拆卸結構具有防誤操作功能，能夠全程保證登塔人員安全。

3 新型自鎖器結構強度分析

在架空線路檢修人員登塔作業中，自鎖器對人員安全起著至關重要的作用，必須按照相關標準對其結構安全性進行計算分析，其中關鍵性能指標主要有兩項，即整體靜態負荷性能和整體動態負荷性能[6]。整體靜態負荷性能可采用計算機模擬計算和力學試驗結合的方法進行設計校核，整體動態負荷性能主要采用力學試驗方法進行檢驗。

3.1 計算機模擬計算

計算機模擬計算主要校核自鎖器在設計階段的整體靜態負荷性能，可有效降低自鎖器產品設計試制成本，縮短研發周期。下面采用三維建模軟件Solidworks 對自鎖器進行三維建模，按照整體靜態負荷性能加載條件，在自鎖器上設置載荷和位移等約束條件，由軟件計算自鎖器的應力數值，如該數值小于自鎖器對應材質的屈服強度，即可滿足整體靜態負荷性能要求。

上述設計的自鎖器兩種方案中機體主體件均使用的是高強度鋁合金材質，屈服強度為470 MPa[7]，偏心結構件使用的特種不銹鋼材質，屈服強度為540 MPa。

Solidworks 軟件自動計算自鎖器滑動方案和滾動方案的應力分布。從自鎖器滑動方案應力分布云圖可知，整體靜態負荷條件下，自鎖器整體最大應力423.6 MPa，位于偏心結構件上，小于該材質的屈服強度540 MPa；機體主體件最大應力為320.0 MPa，小于該材質的屈服強度470 MPa，滿足自鎖器整體靜態負荷性能，結構安全。從自鎖器滾動方案應力分布云圖可知，整體靜態負荷條件下，自鎖器整體最大應力356.5 MPa，位于偏心結構件上，小于該材質的屈服強度540 MPa；機體主體件最大應力為187.4 MPa，小于該材質的屈服強度470 MPa，滿足自鎖器整體靜態負荷性能，結構安全。

綜上所述，自鎖器的滑動方案和滾動方案均滿足自鎖器整體靜態負荷性能設計要求。

3.2 力學試驗

自鎖器力學試驗主要采用實驗室力學試驗檢測的方法對其整體靜態負荷性能、整體動態負荷性能進行檢驗判斷。整體靜態負荷性能檢測按照15 kN外力進行加載，整體動態負荷性能按照100 kg 模擬人進行沖擊，具體連接及加載方法按照標準要求進行[6]。經過力學試驗，自鎖器滑動方案和滾動方案均未出現金屬件碎裂現象；卸載后，自鎖器能正常解鎖，順暢滑動，并能正常鎖止，兩種方案均滿足標準要求[6]。作為高空作業電力安全工器具，為保證自鎖器的安全性，在實驗室力學試驗的基礎上，自鎖器通過了國家勞動保護用品質量監督檢驗中心(北京)的型式試驗。

4 新型自鎖器現場試驗

新型自鎖器試制完成后，在500 kV 宜華線進行了現場應用試驗，登塔人員分別使用兩種方案的自鎖器攀爬鐵塔。經過試驗對比，在可拆卸性方面，自鎖器滑動方案和滾動方案均可有效完成在導軌非端部位置的安裝和拆卸作業；在使用效果方面，滑動方案的順暢性略優于滾動方案。

5 結束語

基于防墜落裝置T 型導軌研究了自鎖器的導向方案和拆卸方案結構，對不同結構方案進行了仿真計算和實驗室力學試驗，并進行了現場應用試驗。在保證自鎖器安全性能的基礎上，使自鎖器具備了拆卸功能，并提高了現場適用性，解決了一線登塔人員的使用難題。本項目的應用，對于提高架空線路登塔人員的工作效率，保障人員安全，具有重要意義。

以上滑動方案的自鎖器雖然使用效果相對較好，但也存在繼續優化提升的空間。未來，隨著技術的進步，相關研究人員將會研究更先進的自鎖器，以推動我國架空線路登塔防墜技術的進步。