一種桿塔重物舉升裝置的設計與優化

云南電網有限責任公司玉溪供電局 郭 磊 雷亞蘭 李建東 唐 偉 喬連留

變電站是電力供給的重要節點，而架空出線就像變電站的毛細血管，直接聯通用電客戶，源源不斷地向外輸出電能，保障客戶能安全放心地使用清潔能源。伴隨城市建設和配網改造的不斷推進，線路停電檢修改造已成為常態化工作，這意味著運行人員需頻繁登桿開展線路接地線裝拆操作。每次作業時，運行人員需全程穿戴全身式安全帶，身體被束縛導致四肢受限難以發力，在向上攀爬的過程中還需注意觀察，與帶電設備時刻保持足夠安全距離，桿塔上操作面可站立空間局促，無合適支撐和懸掛位置，操作人員在使用繩索吊、放操作工具時（含接地線、驗電器、絕緣手套等總重約20kg），可能出現失手后工具墜落或與帶電設備距離不足放電導致的意外事件發生。登桿開展線路接地線裝拆操作對變電運行人員的身體素質和作業技能提出極高要求，針對此類作業存在的痛點、難點和風險點，亟需通過研發輔助工具，幫助操作人員有效降低工作負荷，提升作業質量和效率，保障人身、設備安全。

1 設計思路及優缺點分析

課題發布后，項目組人員積極思考、認真分析，明確分工后著手準備，通過查閱資料、頭腦風暴和現場實勘，擬定三套解決方案如下：

方案一：固定滑輪+尼龍或鋼絲拉線+手動或電動絞盤。該方案設計靈感來源于旗桿升降裝置，通過手搖絞盤帶動拉線運動，從而使與拉線末端連接的重物達到升降功能。其優點是方便靈活，簡單實用，造價較低，不足之處是：地面人員手動旋轉絞盤時速度較慢，且消耗體力；電動絞盤需在每基桿塔處預留外接電源，施工較為復雜；需預先在桿塔上焊接固定滑輪組，因焊接作業時與設備帶電部位距離較近，存在誤觸電風險，需線路配合停電，影響供電可靠性；考慮到戶外運行環境下，尼龍拉線長期受紫外線、粉塵和雨水侵蝕，鋼絲拉線遇潮銹蝕，均會加速其老化，可能出現斷股從而影響拉線整體承力性能，造成提升過程中斷線墜物風險。

方案二：固定橫桿導軌+滑動支架+電動葫蘆絞盤。該方案參考車間內常見的行車起吊裝置，結合變電站內現場實際情況進行簡化，將行車起吊裝置在上下、左右、前后三維空間的運動軌跡調整為只在上下和左右的縱向和橫向的豎直平面內運動。具體實施方法是將所有桿塔在同一水平高度處用鋼結構導軌連接后裝設水平滑動支架，然后將電動葫蘆絞盤固定在支架上，作業人員通過線控或者遙控，指揮絞盤自行走并牽引重物升降。該方案的優點是：人員操作簡單快速，不耗費體力；裝置扭矩大承重能力強；升降速度可自行調節；起吊鋼絲繩非工作時段時纏繞收入絞盤內與雨水不接觸無需特別維護；桿塔通過鋼結構導軌連接后穩定性增強，提升對地震、大風的防御能力。不足之處是：普適性不足，需根據桿塔位置分布進行結構設計；工作電源接入要進行電纜敷設；造價高、工期長；負載較大對桿塔重心分布造成不利影響。

方案三：滑輪底座+伸縮式操作桿+傳動機構。該方案為可移動結構，用滑輪底座將裝置運送到工作地點并固定后，通過傳動機構帶動操作桿伸縮（上下）運動，從而達到重物升降功能。該方案的優點是：適用性強，輕便靈活，可移動裝置滿足所有相同作業場景的需求；無需施工，不增加桿塔任何額外附件，裝置開箱即可使用，裝拆簡便；裝置檢查、維護、修理簡單，均可在地面完成，無登高作業風險。不足之處是：與地面無有效連接，升高后防側傾能力不足；操作桿完全展開后，極限舉升高度遜于前兩項方案。

通過對以上方案的優缺點討論，圍繞裝置可行性、適用性、經濟性、可靠性等幾個方面進行評價分析，項目組一致認定方案三在裝置的完成度方面明顯優于方案一與方案二，其操作簡單易學，制造成本適中，后期推廣空間較大，擬予采納，并針對其不足之處對裝置設計、材料和工藝進行進一步優化。

2 裝置初設結構及其工作原理

該桿塔重物舉升裝置包括儲物箱、伸縮桿、升降控制箱和底座，承力結構采用不銹鋼鋼管焊接，具有較高機械強度。升降控制箱固定安裝在底座上，升降控制箱內部中空，其設有傳動組件。伸縮桿的底部插入升降控制箱內，且與傳動組件傳動連接，伸縮桿的頂部與儲物箱的底部固定連接，伸縮桿通過傳動組件能夠帶動儲物箱相對于升降控制箱進行升降。

工作原理是通過采用手柄帶動齒輪旋轉，將力矩傳導至鏈條使其做往復運動，從而使儲物箱可上下直線升降。固定底座包括滾輪③及機腳⑦，使用時可將裝置通過滾輪運送到指定地點，從而達到節省人員運輸體力的目的，滾輪自身帶鎖止機構，可防止裝置在升降過程中發生位移；三個機腳在水平面上間隔180°分布，為可伸縮結構，方便將裝置固定于地面不發生晃動，并可通過螺母卡槽將機腳伸縮節可靠固定；通過對手柄⑤的圓周運動，從而帶動齒輪傳動器②變向旋轉，減速齒輪帶動鏈條④使收縮桿⑥和儲物箱①做直線上下運動，從而達到傳遞工具的目的。其中手柄預留通用操作接頭，可通過更換為手持電動螺絲刀等旋轉工具，達到節省人力、提升速度的功能，齒輪傳動器內采用正反雙剎自鎖，手柄停止轉動后即自動鎖止，防止手柄反轉和重物下落。

3 初代產品存在問題

經現場操作試用，發現裝置存在以下問題：底座支架較小，使用時重心高，防側傾能力不足；不銹鋼材料密度較大，移動時略顯笨重；齒輪鏈條嚙合傳動工作時噪聲、震動較大；伸展高度有限。

4 設計、材料和工藝優化

針對第一代產品存在的不足之處，項目組人員考慮圍繞“小、輕、巧”的思路對其進行優化改進。“小”是為了保障裝置在狹窄空間能收放自如，同時方便收納和裝車運輸；“輕”是在保障裝置具有足夠機械強度的基礎上，盡量使用輕量化材料，以便人員節省操作體力；“巧”是保障裝置可靠工作的同時，使其具備快速拆卸、組裝的可能。相關調整優化如下。

儲物箱：將其材質由不銹鋼鋼板焊接更換為高分子樹脂材料熱成型，在不影響容積且堅固耐用的同時減輕自身重量。在儲物箱四周外側裝設“O”型彈簧扣和尼龍繩，儲物箱被舉升至預定高度后，操作人將尼龍繩穿過桿塔空隙后用彈簧扣固定，使裝置上部與桿塔連接牢固，在裝置展開使用期間防止側傾意外發生。

傳動組件：采用包括傳動齒輪、主動齒輪、主控伺服電機和傳動鏈條的組合。動力系統改為多級電缸，全部電缸同軸設置，電缸之間通過直線導桿與另一缸體的底部固定連接，位于頂部的電缸直線導桿與伸縮桿的底部固定連接，升降控制箱的一側側壁上設有分別控制各電缸啟動的控制電路板及控制按鈕。傳動齒輪安裝于伸縮桿的底部，主控伺服電機固定安裝于升降控制箱一側頂端的外部，其輸出軸穿過升降控制箱，且在升降控制箱的內部與主動齒輪固定套裝連接，主控伺服電機帶有就地控制器，且具備遠程控制。傳動鏈條的一端固定于升降控制箱內一側的頂部，其另一端依次繞過傳動齒輪和主動齒輪后，固定于升降控制箱內另一側的底部。升降控制箱的頂部設有對伸縮桿進行升降導向的導向孔，伸縮桿可通過導向孔插入升降控制箱內部。

底座：為矩形板體，為了保證裝置的穩定性，采用可伸縮結構，包括主支撐板和前、后伸縮板。其中升降控制箱固定安裝在主支撐板上，前、后伸縮板分別位于主支撐板的前后兩側，均通過導向桿與主支撐板伸縮式滑動連接，其底部四角處設有滾輪。升降控制箱的兩側還對稱設有配重塊放置槽，通過配合配重塊進一步保證裝置升降過程中的穩定性。主支撐板上有水平尺，地面人員可以通過其指示調整伸縮板行程，使裝置底座與水平面平行，保障裝置在坡面或凹凸不平的地面正常平穩工作。

5 試用情況

該桿塔重物舉升裝置使用時，可將接地線、驗電器、絕緣手套等器材放置于儲物箱1內，操作人員可輕裝攀爬桿塔。地面輔助運行人員啟動升降控制箱3，可依次按下控制電路板6上的控制按鈕，使若干電缸5中位于最底部的電缸5先啟動；電缸5啟動后，其直線導桿伸出，并帶動其余電缸5及伸縮桿2、儲物箱1進行上升；當最底部的電缸5的直線導桿到達最大行程后，若上升高度不滿足需求，則再控制臨近底部的電缸5啟動，直至伸縮桿2和儲物箱1上升至足需求高度即可。通過傳動組件使伸縮桿2帶動儲物箱1相對于升降控制箱3進行升降時，首先啟動主控伺服電機9，使其輸出軸反向轉動，主控伺服電機9即帶動主動齒輪8使傳動鏈條10與升降控制箱3內一側的頂部的固定端至主動齒輪8處的長度變小，傳動鏈條10即對伸縮桿2及儲物箱1產生向上的拉力，使伸縮桿2通過導向孔11進行上升動作；當上升至足需求高度后，停止主控伺服電機9，使儲物箱1保持在該高度；作業結束后再次啟動主控伺服電機9，使其輸出軸正向轉動，受伸縮桿2及儲物箱1的重力作用，伸縮桿2下降收縮至升降控制箱3中。伸縮桿2通過升降控制箱3內的傳動組件帶動儲物箱1及儲物箱1內的器材、工具相對于升降控制箱3進行升降；當儲物箱1升至作業點處后，停止升降控制箱3，使儲物箱1保持在該高度，以便于操作人員根據需求從儲物箱1內拿取器材、工具。

6 結語

本裝置適用于線路停電檢修時，輔助操作人拿取、放回所需工器具。通過地面運行人員操作裝置，操作人在高處無需使用繩索進行吊、放，即可達到傳遞工具的目的，幫助操作人員有效降低工作負荷，提升作業質量和效率，保障人身、設備安全，具有較高的實用意義和推廣價值。