一種電力搶修應急照明車的設計

摘要：對應急照明設備的發展現狀進行了分析，提出了一種電力搶修應急照明車的設計思路，適用于停電情況下為夜間電力應急搶修作業提供持續的現場照明。根據現場實際作業需求，對車輛底盤進行了選型，設計了完整的車輛改裝方案。所設計的照明車主要由照明燈組、伸縮云臺、電控系統、發電機組成。同時對車輛整車進行了側翻性能安全性校核、載荷校核、縱梁及橫梁強度校核。最后對照明車進行了現場測試，測試結果滿足設計要求。

關鍵詞：電力搶修；應急照明；伸縮云臺；安全計算

中圖分類號：U462 收稿日期：2023-05-15

DOI：1019999/jcnki1004-0226202311011

1 前言

我國城市配網或輸電線路各種應急搶修任務多，如果需要夜間作業，電力設備一旦故障，現場無法保障充分的照明，所以充足的現場照明對夜間的電力搶修作業十分重要[1]。電力公司目前配備有簡單的應急照明設備，但無法提供大范圍的持續性照明，且機動性不強，無法適應電力搶修現場各種復雜的工況[2]。本文設計了一種基于氣動伸縮云臺的應急照明車，能夠將大功率照明燈組升起到高空中，升起的高度可以自由調節，通過旋轉云臺可以自由調節燈組的俯仰角度和旋轉角度，可以持續性為電力搶修現場提供大范圍照明。

2 發展現狀

國內目前照明設備種類很多，主要有以下三個類型：

a.用于工程搶險作業+X/ZRzRSStjBv5lvxy3sBw==的大功率燈具。這種燈具還在使用傳統的白熾燈作為光源，普遍采用功率為1～4 kW的白熾燈，這種燈具耗電量大、工作時發熱大、壽命短[3]。

b.便攜式應急照明燈。這種便攜式照明燈雖然體積小、便于攜帶，相比于其他應急照明設備，便攜式照明燈能提供的光照很小，無法滿足電力搶修作業現場的照明需求，只能在一些日常巡檢中作為標識燈或者信號燈[4]。

c.應急救險專用特種車輛。目前，各個供電公司配備了各類電力應急專用特種車輛，例如，應急電源車、移動箱變車、配網搶修車、輸電巡檢車等。這種電力專用車配置有應急照明燈，但是照明功能只是這類特種車輛的附帶功能。如果將這類特種車輛專門用作照明使用，其最大的缺點是車輛體積大、不靈活，無法適應復雜工況的電力應急搶修。而且特種車上配的應急照明燈照射范圍一般有限，無法靈活調節[5]。

3 整體方案設計

3.1 設計依據

電力改裝車的設計不同于標準商用車設計，改裝車主要的是底盤與車載設備集成設計，車輛設計的主要原則是選擇參數合理的底盤；車載設備和附件的布局合理，能滿足車輛專項作業的使用功能需求[6]。

同時，整車的設計需滿足機動車各項國家標準的要求。例如，車輛質心應滿足GB 7258-2017《機動車運行安全技術條件》[7]的要求，整車在靜態空載條件下，側傾穩定角不小于35°；整車的外輪廓尺寸、前后懸等尺寸，以及軸荷限值，一定要符合GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質量限值》[8]的規定。

3.2 底盤選型

目前改裝車采用的底盤主要有整車和二類底盤兩種。整車是帶有廂體的完整載貨汽車，只需要將車載設備在廂體內部進行改裝，方便快捷，但是廂體尺寸無法定制；二類底盤即不帶廂體，只有車頭和底盤的載貨汽車，改裝時需重新制作廂體，工序繁瑣，但是優點是可根據實際需求定制化車廂[9]。

考慮到照明車各項功能的使用需求，本次將選擇二類底盤進行改裝。通過底盤參數對比選擇，采用江鈴牌JX1063TSG26二類載貨汽車底盤。底盤具體參數如表1所示。

整車布置是正確選定底盤參數，合理布置車載設備，使發電機、升降云臺、照明燈組等專用裝置與選定的整車底盤布置合理，圖1為照明車整車設計結構圖。

4 結構組成

4.1 照明燈組

照明燈組主要由光源和反光罩構成。光源選用新型鹵素光源，鹵素大燈是將碘、溴等鹵素氣體注入燈泡內，點亮過程中，燈絲會發生升華，與鹵素進行化學作用，冷卻后的燈絲會重新凝固，形成一種動態循環，可以極大地延長燈絲的使用壽命。通過這種化學反應，不僅燈絲的壽命得到大大延長，同時由于燈絲可以反復循環，燈絲更加耐高溫，因此可以提高燈泡功率，從而可以使鹵素大燈的燈泡色溫更高，亮度更亮，發光效率更好[10]。

本文選擇的圓形鹵素燈泡直徑為250 mm，絕緣層厚度50 μm，功率1 000 W，壽命20 000 h。相比于LED大燈，鹵素燈具有穿透力強，結構簡單，成本低，亮度容易控制和調整，燈光顯色性好，使用壽命長、色溫高、發光效率高的優點，更適用于電力應急搶修作業需求[11]。

燈泡反光罩采用鋁合金材料，反光罩表面采用陽極氧化的工藝，使得反光率更高，可以更好地對光源進行反射，有效地提高了光源的照明效率；燈罩采用水晶玻璃材料，玻璃燈罩相比樹脂燈罩透光率更高、壽命更長、更耐高溫。燈泡的密封采用硅膠材料，配置防水插頭，燈泡防護等級可以達到IP67[12]。

燈組由6個燈泡及結構件組成，兩列排布，分布在云臺兩側，一排3個，每3個燈泡通過高強度型材進行連接，整個燈組安裝在高強度鋁合金框架內，框架通過結構件與伸縮云臺頂部固定。

4.2 電控系統

電控系統采用電力線載波通信，可以將控制信號直接發送到電源，不用走控制線，提高了控制系統穩定性[13]。電控系統處理器采用各類集成電子芯片單獨控制，可以對燈組的通斷、工作功率進行控制。設計有雙通道，既可以采用無線遙控器控制，也可以通過有線控制器操作，實現了無線和有線兩種方式的開關、明暗調節。電控系統設計了雙電源自動切換開關，一路通過發電機供電，一路可外接市電供電，兩路電源既可以自動切換，也可以通過切換開關手動切換[14]。

4.3 伸縮云臺

伸縮云臺的作用是為了將照明燈組舉升到高空中，舉升過程中的高度可以調節，通過旋轉云臺可以實現兩個方向的自由旋轉，可以實現照明角度和范圍的自由調節。伸縮臂利用空氣來驅動，由三節臂共同組成，材料為高強度鋁合金，截面為圓形的法蘭結構，最大舉升高度可以達到7 m，伸縮臂由空氣壓縮機和氣缸控制升降和變幅。頂部云臺可實現水平360°回轉，仰俯角調節角度范圍為180°。

5 整車安全計算

5.1 安全系數

根據《機械設計手冊（第六版）》[15]，選擇安全系數：

[S=S1S2S3]

式中，S為安全系數；S1為可靠性參數，為第一參數；S2為重要程度參數，為第二參數；S3為計算精確性參數，為第三參數，統一選為125。

5.2 整車側翻穩定性計算

車輛在傾斜行駛時，需要驗證它的安全角度。如圖2所示，車輛的重心垂直作用線不能超過輪胎外沿，否則車輛一定會向側面傾翻[16]。

a.計算車輛滿載的重心。

車廂高度1 600 mm，副車架高度63 mm，底架高度140 mm，底盤高度725 mm，則：

照明車的承高為160 mm+65 mm+140 mm=1 805 mm;

整車滿載重心為1 805 mm+725 mm/2=2 167 mm。

所以，滿載重心高度2 167 mm。

車輛橫向寬度的一半為1 000 mm，兩線成直角組合，并連接另一端點，構成三角形ABC，當線AB⊥地面（即線BD）時，車輛處于臨界狀態。此時，車輛與地面的角度就是傾翻角度。如圖3所示，∠CBD和∠A的大小應該一樣。計算可得知：∠A最大為為25°，所以，∠CBD的最大值為25°。即車輛的滿載傾翻角度為25°；車輛空載的重心高度：1 150+170+180=1 500（mm），即車輛空載的傾翻角度為：34°。

b.前后軸荷計算。

偏重計算主要考慮因素有廂體和設備的重量以及艙內設備布局對重心的影響，以及對前后車軸的額定荷載影響，對江鈴牌JX1063TSG26載貨汽車底盤的側偏重和前后偏重進行計算。

以前輪軸中心為坐標原點，向后為X軸方向，向右為Y軸方向，向上為Z軸方向[17]。前軸額定載荷為2 265 kg，后軸額定載荷為4 230 kg。整車中心計算如表2所示。

根據計算，得出前軸載荷為1 487 kg，后軸載荷為3 943 kg。江鈴牌JX1063TSG26載貨汽車底盤允許前軸最大載荷為2 265 kg，允許后軸最大載荷為4 230 kg，故前后軸負載滿足要求。各類汽車軸荷分配如表3所示，前軸后軸負載分布也符合要求。

根據質心高度應滿足GB 7258-2017《機動車運行安全技術條件》的規定，整車應滿足下列條件：

車輛不發生縱翻：[tanσ=L/Hg>φ]。

車輛不發生側翻：[tanβ=B/（2Hg）>φ]。

式中，[L]為整車重心到后軸中心線水平距離，m；[B]為整車輪距，m；[Hg]為整車重心到地面高度，m；[φ]為地面附著系數，一般取050；[σ]為縱傾穩定角，（°）；[β]為側傾穩定角，（°）。

針對本車型，B=1 530 mm，L=920 m，Hg=810 mm。

[tanβ=B/（2Hg）=0.94>φ]，

[tanσ=L/Hg=1.13>φ]。

從以上分析，車輛運輸的穩定性較好。

5.3 縱梁計算

531 安全系數S

由于縱梁為14#槽鋼，選第一參數為15：縱梁屬于重要件，選第二參數為15；由于計算準確度不高，第三參數統一選125；則縱梁的安全系數S=1.5×1.5×1.25=2.8。

532 強度計算

縱梁為14#槽鋼，材質為Q235碳素結構鋼，則縱梁的許用應力：

[σ=σs/S=235/2.8 MPa=83.9 MPa]

整車載重量為5 900 kg，可以認為上述載荷均布，如圖4所示。

L1為照明車前懸，為1 125 mm；L2為照明車軸距，為3 360 mm；L3為照明車后懸，為1 510 mm。

取重力加速度g=10 m/s2，則：

均布載荷q=5 900/2×10/5 995 N/mm=4.9 N/mm。

求支反力，如前所得：

前橋承載力為15 930 N，后橋承載力為43 070 N，則：

FA=15 930 N，FB=43 070 N。

a.繪剪力圖，如圖5所示。

b.繪彎矩圖，如圖5所示，并求得最大彎矩。

在第一個零點以前，x＝1 500 mm時，彎矩最大：

M1=-1/2qL12=-5 010 005 N·mm。

在兩個零點之間，當剪力=0時，此時的彎矩最大，計算出此時，x＝310 mm，有：

M2=FAL2-1/2q（L12+L22+L32）=53 524 800-36 436 546 N·mm=

17 178 254 N·mm

在后一個零點之后，x=3 250 mm時，有

M3=-1/2qL32=-5 586 245 N·mm。

由以上可知，當在第一個零點處的彎矩最大，為危險斷面，即：

Mmax=17 178 254 N·mm

c.危險截面計算。

抗彎截面系數：

W=（140×4503-134×4303）/（6×450）=779 097

則，危險斷面的應力為：

[σ=Mmax/W=4 576 018/779 097 MPa=58.73 MPa]

因為[σ]=839 MPa，上述三個斷面的應力均小于[σ]，所以縱梁在彎曲變形方面是安全的。

53.3 穩定性計算

應急照明車在行駛過程中，免不了要過一些溝溝坎坎，車輛就要上下震蕩。在跳起-落下這個過程中，可以認為同一根橋上的左右兩個輪同時跳起落下。在落下的一瞬間，縱梁受力最大。為保證安全，做出如下假設：輪胎沒有足夠彈性進而無法緩沖受到的沖擊；縱梁承載全部的沖擊載荷。

由于應急照明車一般在公路上行駛，路況較好，可以假設其經過100 mm深的溝（或100 mm高的坎）時，三對輪胎中的兩對同時落入溝中，車輛垂直落下100 mm。這個瞬時的沖擊應該是最大的。車輛的載荷全部變成沖擊載荷，校核此時的縱梁強度[18]。

每根車橋與4個吊耳連接；每個吊耳與縱梁的接觸面積為240 mm×140 mm。

a.計算縱梁的受壓強度。

由上可知，每根縱梁的后橋處受力：

F后橋=152 200 N/2=76 100 N

則每個吊耳受力F=76 100 N/2=38 050 N。

縱梁受壓的最小截面為腹板處，其受力面積為：

A=吊耳長度×腹板厚度=240 mm×8 mm=1 920 mm2

其壓應力為：

[σ=F/A=38 050 N/1 920 mm2=19.8 MPa<σs=123 MPa]

所以，縱梁不會因為壓應力而壓潰破壞。

b.計算縱梁的受剪強度。

縱梁受剪斷面的面積為：

A=140×10 mm2+430×6 mm2+140×10 mm2=5 380 mm2

其切應力：

[τ=F/A=7.07 MPa<σs=345 MPa]

由以上a、b兩項計算可知，縱梁是安全的。

534 剛度計算

梁的載荷示意圖見圖6，下面利用疊加原理計算梁的彎曲變形。

把左右外伸段上的載荷向A、B兩截面簡化，分別得到集中力ql1、ql3，力偶ql12/2、ql32/2，ql1、l3段的實際變形等價于固定端產生轉角的懸臂梁。

下面進行l2部分的彎曲計算。

l2段的彎曲變形由均布載荷q、左右兩端集中力偶ql12/2、ql32/2共同作用的結果。利用疊加原理計算，如圖7所示。

54 橫梁計算

下面進行安全系數的計算。

橫梁為鋼板軋制件，選第一參數為11，第二參數選125，第三參數也為125，則橫梁的安全系數為：

S=1.1×1.25×1.25=1.7

橫梁的許用應力為：

[σ=σS/S=235/1.7=138 MPa]

底板橫梁共11根（帶前后封板），每兩相鄰橫梁的間距相關不大，為降低計算難度和復雜程度，可以認為橫梁均勻分布，則每根橫梁承載荷為：

F=5 900 N/9=6 555 N

橫梁受力可簡化為均面受力，受力長度L可認為是2 300 mm-2×70 mm=2 160 mm，則：

q=F/L=5 510 N/2 160 mm=2.5 N/mm

（FA+FB）×2=F

得FA=FB=F/4=1 638 N

由上可知，在橫梁所有受到的外力中，縱梁處受到的剪切應力最大。

橫梁的截面積為：

A=80 mm×80 mm-76 mm×76 mm=624 mm

橫梁的剪切應力為：

[σ=FL/A=42 450 N/624 mm2=74.45 MPa<σ]

所以，橫梁是安全的。

6 現場測試

應急照明車在四周無遮擋的空曠場地內進行了照明車使用效果測試，照度測試要求如下：

a.試驗場地條件：有足夠大的平地，測試時環境照度≤1 lx。

b.測試設備：照度計、卷尺。

c.照明裝置在50 m處照度值，照度≥5 lx。

現場測試情況為：在環境照度為0 lx的情況下，開啟燈組，距離燈組50 m的位置，照度為44 lx，滿足測試要求。測試現場與結果如圖8、圖9所示。

2022年河南水災災后重建期間，該型電力搶修應急照明車參與了某變電站的配電柜、變壓器的夜間搶修工作。該設備的使用擴大了現場作業范圍，大大提高了搶修作業效率，增強了現場應急救險能力，現場應用如圖10所示。

該產品不僅能夠滿足電力應急搶修作業，同時也能應用在鐵路、水利、公路等各種行業的夜間應急搶修現場，同時也可以作為臨時照明應用于體育館、碼頭、景區、廣場、機場等各種公共場所。

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作者簡介：

胡華鋒，男，1987年生，工程師，研究方向為電力專用車設計。