T2D750/22雙搖臂抱桿的研制及應(yīng)用

葉建云，方國慶，李維波，黃超勝，金鶴翔，葉進(jìn)其，俞宏智，王漢煒

(1．浙江省送變電工程公司，杭州市，310016;2．浙江省建設(shè)機(jī)械集團(tuán)有限公司，杭州市，310014)

0 引言

目前輸電線路高塔組立的吊裝設(shè)備主要有塔式起重機(jī)、四搖臂抱桿、雙平臂抱桿等，這些吊裝設(shè)備各自存在不同的局限性。塔式起重機(jī)的起重量隨著工作幅度的增大而減小，起重臂臂端起重量小，而高塔組立要求臂端也有較大的起重量，且拆卸較為困難;四搖臂抱桿自動化程度較低，操作相對復(fù)雜，工作效率較低，非工作狀態(tài)下風(fēng)載大;雙平臂抱桿因不設(shè)置內(nèi)拉線，故對抱桿桿身的要求高，腰環(huán)的受力大，且起重臂臂端起重量小。針對220 kV舟山與大陸聯(lián)網(wǎng)工程2基370 m高塔組立施工的要求和特點，專門研制了T2D750/22雙搖臂抱桿。T2D750/22雙搖臂抱桿克服了上述缺點。

1 抱桿主要技術(shù)參數(shù)及總體組成

1．1 抱桿主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)舟山與大陸聯(lián)網(wǎng)大跨越工程370 m高塔組立施工要求，充分利用先進(jìn)可靠的技術(shù)，確定T2D750/22雙搖臂抱桿的主要技術(shù)參數(shù)［1-10］。額定起重量:220 kN/220 kN;額定起重力矩:7 500 kN·m/7 500 kN·m;允許最大不平衡彎矩:4 050 kN·m;利用等級:U3;工作等級:整機(jī)A3，機(jī)構(gòu)M3;起升高度(搖臂鉸接點高度):365.231 m;工作幅度:4.0～33.5 m;起升速度:0.5～10 m/min;變幅速度:0～6°/min;回轉(zhuǎn)速度:0～0.2 r/min;設(shè)計風(fēng)速(離地10 m高，10 min平均風(fēng)速):工作狀態(tài)10.8 m/s，非工作狀態(tài)35 m/s;工作溫度:－20～40℃。

1．2 抱桿總體組成

T2D750/22雙搖臂抱桿包括桅桿、搖臂防撞裝置、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、上支座、搖臂、吊鉤、下支座、過渡段、井架加強(qiáng)段、卷揚(yáng)機(jī)段、井架標(biāo)準(zhǔn)段、底座、腰環(huán)、井筒吊裝系統(tǒng)、變幅機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)和電控系統(tǒng)等，如圖1所示。起升機(jī)構(gòu)和電控系統(tǒng)設(shè)置在地面上，井架標(biāo)準(zhǔn)段、卷揚(yáng)機(jī)段、井架加強(qiáng)段、過渡段、下支座、回轉(zhuǎn)支承、上支座和桅桿組成桿身;上支座左右兩側(cè)分別用銷軸連接搖臂，搖臂上設(shè)置有吊鉤，變幅機(jī)構(gòu)設(shè)置在卷揚(yáng)機(jī)段內(nèi)，回轉(zhuǎn)支承設(shè)置在上支座與下支座之間，桿身通過若干道腰環(huán)與高塔塔身連接;起升鋼絲繩頭端固定于地面起升機(jī)構(gòu)，依次繞過下支座、桅桿、上支座和搖臂頭部，尾端固定于吊鉤;桿身內(nèi)設(shè)置有起升和變幅鋼絲繩防干擾裝置。

圖1 T2D750/22抱桿總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural sketch of T2D750/22 gin pole with double rockers

2 抱桿主要創(chuàng)新技術(shù)及特點

2．1 整機(jī)性能

T2D750/22雙搖臂抱桿整機(jī)進(jìn)行了有限元分析計算和優(yōu)化，計算結(jié)果見圖2。抱桿性能參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，其額定起重力矩為7 500 kN·m，最大工作幅度為33.5 m，起升高度(搖臂鉸接點高度)為365.231 m。

圖2 有限元計算結(jié)果圖Fig.2 Calculated results by FEM

2．2 海島高空抗強(qiáng)臺風(fēng)計算

220 kV舟山與大陸聯(lián)網(wǎng)工程2基370 m高塔分別位于舟山的大貓山島和寧波的涼帽山島上，為臺風(fēng)多發(fā)地帶，且常年海風(fēng)較大。為保證T2D750/22雙搖臂抱桿的安全性，風(fēng)載計算參考了不同行業(yè)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，包括GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》［1］、GB/T 13752—1992《塔式起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》［2］、GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［4］、GB 50135—2006《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［5］和 DL/T 5154—2002《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》［6］。根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)逐一計算風(fēng)載荷，再進(jìn)行計算結(jié)果比較，并取計算結(jié)果的最大值作為抱桿的設(shè)計風(fēng)載荷。根據(jù)高塔所處的地理環(huán)境，并結(jié)合當(dāng)?shù)貧v史氣象資料，最后確定工作狀態(tài)風(fēng)載荷按10.8 m/s(離地10 m高，10 min平均風(fēng)速)設(shè)計計算，非工作狀態(tài)風(fēng)載荷按35 m/s(離地10 m高，10 min平均風(fēng)速)設(shè)計計算，達(dá)到了抵御12級強(qiáng)臺風(fēng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

2．3 起升繞繩系統(tǒng)

起升鋼絲繩一端固定于地面起升機(jī)構(gòu)，沿抱桿桿身外側(cè)到達(dá)下支座，繞過下支座導(dǎo)向滑輪后沿桅桿中心向上繞過桅桿中部導(dǎo)向滑輪，然后再向下回到上支座導(dǎo)向滑輪，最后到達(dá)搖臂頭部的吊鉤，并固定于吊鉤，如圖3所示。

圖3 起升繞繩系統(tǒng)示意圖Fig.3 Sketch of hoisting and reeving system

起升鋼絲繩的這種穿繞形式在抱桿提升時不需要拆除抱桿的腰環(huán)和腰環(huán)繩，可以實現(xiàn)抱桿的快速提升。起升鋼絲繩從抱桿桿身外側(cè)經(jīng)下支座導(dǎo)向滑輪轉(zhuǎn)入桿身內(nèi)側(cè)，雖然經(jīng)過了安裝于下支座上的導(dǎo)向滑輪，但抱桿在此支座以上部分已沒有腰環(huán)及腰環(huán)繩，同時下支座導(dǎo)向滑輪至地面高度范圍內(nèi)的起升鋼絲繩的橫向位置已處于腰環(huán)的外側(cè)，避免了起升鋼絲繩與腰環(huán)發(fā)生干擾的問題，因而可實現(xiàn)抱桿的快速提升。

起升鋼絲繩的這種穿繞形式還保證了起升鋼絲繩進(jìn)出導(dǎo)向滑輪槽時的最大偏斜角(即鋼絲繩中心線與滑輪軸垂直的平面之間的角度)滿足設(shè)計規(guī)范要求。起升鋼絲繩通過桅桿中部導(dǎo)向滑輪后加大了起升鋼絲繩在上下兩導(dǎo)向滑輪間的距離，從而保證了因上支座旋轉(zhuǎn)而引起的起升鋼絲繩與下支座導(dǎo)向滑輪槽間的偏斜角滿足文獻(xiàn)［1］不大于5°的要求，確保了起升鋼絲繩在導(dǎo)向滑輪中運行的可靠性。

2．4 起升和變幅鋼絲繩防干擾裝置

起升和變幅鋼絲繩防干擾裝置共設(shè)置4組，下邊2組設(shè)置于下支座內(nèi)，上邊2組設(shè)置于上支座上方的桅桿內(nèi)，每組防干擾裝置由上下交錯的4個滾輪組成，從而構(gòu)成了變幅鋼絲繩活動通道，如圖4所示。變幅鋼絲繩穿過上下活動通道后被定位在一定空間內(nèi)，這樣由上支座旋轉(zhuǎn)而引起的變幅鋼絲繩空間移動位置就得到了控制，避免了變幅鋼絲繩與起升鋼絲繩發(fā)生纏繞而產(chǎn)生干擾的問題。

圖4 起升和變幅鋼絲繩防干擾裝置示意圖Fig.4 Sketch of anti-interference device of hoisting and luffing rope

2．5 雙側(cè)力矩控制系統(tǒng)

雙搖臂抱桿一般是兩側(cè)對稱起吊構(gòu)件的，但由于實際操作過程中加載、卸載的不同步，存在兩側(cè)力矩不平衡的問題，如不平衡彎矩超出設(shè)計值，則會產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果。

雙側(cè)力矩平衡系統(tǒng)能自動測量兩側(cè)搖臂所受力矩大小，依椐抱桿所能承受的最大彎矩，通過電氣控制，禁止起升與變幅機(jī)構(gòu)作出增大不平衡彎矩的動作(起升的升降或搖臂的收放)并發(fā)出指示，只允許起升與變幅機(jī)構(gòu)作出減小不平衡彎矩的動作。例如在起升構(gòu)件時，如一側(cè)的不平衡彎矩達(dá)到額定值時，該側(cè)起升機(jī)構(gòu)不能起升只能下降，同時該側(cè)變幅機(jī)構(gòu)只能向內(nèi)變幅(工作幅度減小)而不能向外變幅(工作幅度增大)，直至不平衡彎矩小于額定值時才能解除以上限制，下降時則允許相反動作。雙側(cè)力矩平衡系統(tǒng)解決了雙搖臂抱桿工作時的不平衡控制問題，使抱桿安全性得到極大的提高。

力矩控制裝置包括2組電子式力矩控制器，分別安裝于桅桿的兩側(cè)，通過感測主弦桿的變形拉力，測算出不平衡彎矩，將該不平衡彎矩與事先標(biāo)定的不平衡力矩比對，當(dāng)達(dá)到相應(yīng)控制點時，通過限定各機(jī)構(gòu)的運動方向控制力矩差，從而保證雙搖臂抱桿的平衡。雙側(cè)力矩控制流程見圖5。

圖5 雙側(cè)力矩控制系統(tǒng)流程圖Fig.5 Flow chart of bilateral moment control system

2．6 電氣控制

起升、變幅機(jī)構(gòu)采用變頻調(diào)速控制方式，調(diào)速范圍廣，能夠?qū)崿F(xiàn)慢速平穩(wěn)就位。在起升和變幅的啟、制動處理方面，使用了電機(jī)啟動預(yù)力矩開閘功能及電機(jī)停止第6檔速度抱閘的概念，避免了起升和變幅機(jī)構(gòu)在重載啟、制動過程中出現(xiàn)溜鉤的現(xiàn)象?；剞D(zhuǎn)采用了力矩電機(jī)加渦流的調(diào)壓調(diào)速方式，通過操作手柄帶動電位器阻值大小的變化，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)的無級寬范圍調(diào)速，其最慢速度達(dá)到了0.02 r/min，渦流制動功能使得回轉(zhuǎn)制動更加平穩(wěn)，確保了回轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確定位。電氣控制系統(tǒng)框圖見圖6。

2．7 搖臂防撞裝置

搖臂防撞裝置安裝于桅桿上，由支承架、內(nèi)外彈簧、內(nèi)外導(dǎo)向桿和推桿等組成，如圖7所示。搖臂相應(yīng)位置焊有碰塊，當(dāng)變幅機(jī)構(gòu)帶動搖臂向桅桿合攏時，搖臂先碰到伸出于桅桿的防撞裝置的推桿，然后推動推桿壓縮彈簧向桅桿靠攏。當(dāng)彈簧壓縮到極限時，搖臂靠攏運動停止。該裝置可防止變幅機(jī)構(gòu)帶動搖臂自動合攏時，因慣性倒向桅桿，造成搖臂與桅桿的巨大沖撞，從而造成對抱桿的損傷。

2．8 井筒吊裝系統(tǒng)

井筒吊裝系統(tǒng)由提升橫梁、起吊系統(tǒng)、變幅系統(tǒng)(變幅小車、變幅小卷揚(yáng)機(jī))等組成，如圖8所示。該系統(tǒng)安裝于下變幅卷揚(yáng)機(jī)段下方，用于提升井筒。該系統(tǒng)是一套獨立的吊裝系統(tǒng)，抱桿處于吊裝工作狀態(tài)時，該系統(tǒng)不需要安裝;當(dāng)抱桿桿身需由井架換裝成井筒時，安裝該系統(tǒng)，井筒吊裝完畢后，拆除該系統(tǒng)。

2．9 SC60變頻施工升降機(jī)

隨著高塔組立高度的增加，施工人員往上攀爬的時間越來越長，這樣嚴(yán)重消耗了施工人員的體力與時間，并存在一定的安全隱患。SC60變頻施工升降機(jī)為T2D750/22抱桿的輔助設(shè)備，用于高塔施工人員的垂直運送。高塔工作平臺的設(shè)計高度為212 m，該升降機(jī)起升速度為38 m/min，施工人員到達(dá)212 m工作平臺僅需6 min，有效解決了施工人員的運送問題，明顯減輕了施工人員的勞動強(qiáng)度，提高了工作效率。由于高塔井筒比較特殊(井筒為φ1.9 m的圓筒且外側(cè)裝有旋轉(zhuǎn)扶梯)，不能與常規(guī)的施工升降機(jī)一樣進(jìn)行附著，因此采用雙管專用夾具將支撐管與施工升降機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)立管相連，保證了導(dǎo)軌架任意高度處均能與井筒進(jìn)行附著連接。

圖8 井筒吊裝系統(tǒng)示意圖Fig.8 Sketch of hoisting system for lifting mast section

3 樣機(jī)檢測

2008年7月，在廠內(nèi)對該抱桿進(jìn)行了型式試驗［11］，包括技術(shù)資料審查、基本參數(shù)測量、安全裝置檢查、空載試驗、載荷試驗以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)力試驗等。試驗表明:各測點應(yīng)力均未超出結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力，整體機(jī)構(gòu)安全，有限元分析計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合。

2008年10月，在大貓山島對該抱桿進(jìn)行了現(xiàn)場試驗［12］，對各種工況條件下的抱桿機(jī)構(gòu)運轉(zhuǎn)、各部位應(yīng)力情況進(jìn)行了整機(jī)試驗及檢測。試驗表明:抱桿各機(jī)構(gòu)運轉(zhuǎn)正常，現(xiàn)場試驗檢測應(yīng)力與有限元分析計算結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)語

2008年10月，T2D750/22雙搖臂抱桿開始在舟山與大陸聯(lián)網(wǎng)大跨越工程370 m高塔組立施工中使用，并分別于2009年8月、2010年4月順利完成了大貓山島、涼帽山島370 m高塔的組立施工。在1年多的施工時間里，該抱桿經(jīng)受住了海島潮濕、腐蝕環(huán)境，多次臺風(fēng)和高頻率重負(fù)荷的考驗。實踐證明:T2D750/22雙搖臂抱桿是一種適合特大型高塔組立施工且安全可靠、方便快捷、性能全面的大型吊裝設(shè)備，使用該設(shè)備組立輸電線路高塔能顯著提高工作效率、降低安全風(fēng)險、減輕勞動強(qiáng)度、降低施工成本。

［1］機(jī)械工業(yè)部起重運輸機(jī)械研究所．GB/T 3811—1983起重機(jī)設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1984．

［2］GB/T 13752—92塔式起重機(jī)設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1993．

［3］建設(shè)部建筑機(jī)械綜合研究所．GB/T 9462—1999塔式起重機(jī)技術(shù)條件［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999．

［4］中華人民共和國建設(shè)部．GB 50009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002．

［5］上海市建設(shè)和交通委員會．GB 50135—2006高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國計劃出版社，2007．

［6］西南電力設(shè)計院．DL/T 5154—2002架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)范［S］．北京:中國電力出版社，2002．

［7］顧迪民．工程起重機(jī)［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1988．

［8］王文斌．機(jī)械設(shè)計手冊［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

［9］宋曼華．鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002．

［10］朱天浩，徐建國，葉尹，等．輸電線路特大跨越設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)［J］．電力建設(shè)，2010，31(4):25-31．

［11］周煥林，張國富，葉建云，等．舟山大跨越高塔抱桿型式試驗方案［J］．工程與建設(shè)，2009，23(1):44-46．

［12］周煥林，葉建云，羅義華．舟山大跨越高塔抱桿現(xiàn)場試驗［J］．電力建設(shè)，2009，30(8):63-65．