全地形剪叉式復(fù)合材料絕緣檢修平臺(tái)

王 輝，刑 軍，張 遼，武 凱，李繼紅，王 棟，馮冬亮

國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司檢修公司，陜西西安 710000

全地形剪叉式復(fù)合材料絕緣檢修平臺(tái)

王 輝，刑 軍，張 遼，武 凱，李繼紅，王 棟，馮冬亮

國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司檢修公司，陜西西安 710000

本文在分析金屬剪叉升降平臺(tái)的基礎(chǔ)上，針對(duì)全地形剪叉式絕緣檢修平臺(tái)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力分析、材料選擇和成型工藝等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。該平臺(tái)適用于330kV及以下變電站內(nèi)，工作面高度在八米以下的設(shè)備檢修工作，具有適合在變電站內(nèi)各種地形地貌上移動(dòng)，轉(zhuǎn)向靈活，穩(wěn)定性好，承載量大，升降平穩(wěn)，便于運(yùn)輸，維護(hù)簡(jiǎn)單方便，檢修安全性好等特點(diǎn)，能夠產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，值得推廣和借鑒。

剪叉升降平臺(tái)；絕緣檢修；安全方便

剪叉式升降平臺(tái)是一種結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，不但舉升力大、升降平穩(wěn)、噪音低、操作方便、維修簡(jiǎn)便，并可以停留在升降范圍內(nèi)的任意位置上的一種升降平臺(tái)。它目前廣泛地應(yīng)用在各行各業(yè)，如用作貨場(chǎng)裝卸貨物；各種工程中操作人員登高作業(yè)等。是一種較為理想的高空作業(yè)機(jī)具。

在電力系統(tǒng)變電站中地形及設(shè)備布置狀況復(fù)雜，因通道和空間限制，不能使用電力系統(tǒng)線路中通常使用的絕緣斗臂車進(jìn)行帶電檢修作業(yè)。剪叉式升降平臺(tái)，底盤低，可以停留在升降范圍內(nèi)的任意位置上作業(yè)。使用剪叉式絕緣升降平臺(tái)既能解決上述問題，大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，快速提升檢修效率；又能解決目前各種各樣絕緣登高檢修工具并存，容易選擇不當(dāng)，防護(hù)不當(dāng)，安全隱患突出的問題。

但是市場(chǎng)上流通的履帶剪叉式升降平臺(tái)在結(jié)構(gòu)上均是全金屬材質(zhì)加工而成，沒有任何的絕緣性可言，不符合“安規(guī)”的要求，不能夠進(jìn)入變電站進(jìn)行設(shè)備的檢修作業(yè)。雖然有一些企業(yè)不斷嘗試制作剪叉式絕緣升降平臺(tái)，但均未成功。究其原因，主要是傳統(tǒng)的絕緣復(fù)合材料無(wú)法滿足升降平臺(tái)的強(qiáng)度要求，另外這些企業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力有限，不能突破金屬剪叉式升降平臺(tái)的結(jié)構(gòu)限制，根據(jù)絕緣復(fù)合材料的特性進(jìn)行有效的改進(jìn)。

為此我們進(jìn)行了剪叉升降平臺(tái)功能特點(diǎn)分析求解，升降平臺(tái)總體布局方案和主要性能參數(shù)確定，各機(jī)構(gòu)和各部件的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，主要控制方案設(shè)計(jì)，剪叉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，整機(jī)穩(wěn)定性、可靠性驗(yàn)算。

1 設(shè)計(jì)條件

根據(jù)剪叉式絕緣檢修平臺(tái)的使用情況，實(shí)現(xiàn)升降機(jī)構(gòu)部分采用絕緣復(fù)合材料，相關(guān)材料性能符合GB13398等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，保證絕緣安全裕度。在保證絕緣前提下，鉸接點(diǎn)、傳動(dòng)、導(dǎo)向構(gòu)件必須合理與堅(jiān)固。平臺(tái)的最大檢修高度是8.0m，除去人體高度，操作平臺(tái)與地面之間的距離為6.5m，底盤部分預(yù)設(shè)0.5m，則剪叉機(jī)構(gòu)的實(shí)際舉升高度為6m。頂部操作平臺(tái)外形尺寸2.2m×1.5m，適合2人同時(shí)作業(yè)。

2 剪叉臂的類比計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與受力分析

2.1 剪叉臂的類比計(jì)算

經(jīng)考察市場(chǎng)上滿足設(shè)計(jì)條件的金屬剪叉升降平臺(tái)的剪叉臂基本上采用100mm×40mm壁厚4.0mm的鋼管。為保證能用玻璃鋼型材替換掉鋼管，首先玻璃鋼型材必須有能與上述鋼管相同的抵抗彎曲變形的能力即抗彎剛度。以材料的彈性模量與被彎構(gòu)件橫截面繞其中性軸的慣性矩的乘積來表示材料的抗彎剛度。

EI—抗彎剛度；

E —彈性模量；

I —慣性矩。

根據(jù)空心矩形管慣性矩的公式，計(jì)算金屬剪叉臂的慣性矩。

將金屬剪叉臂的尺寸數(shù)據(jù)：H=100，B=40，h=92，b=32，帶入公式（2）算得Iz=1256832；將該算值和鋼管的彈性模量E=2×105MPa帶入公式（1）算得鋼管的抗彎剛度EI=2.51366×1011。

使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)H=75，B=40，h=67，b=32的復(fù)合材料拉擠矩形管進(jìn)行彎曲試驗(yàn)測(cè)試，跨距l(xiāng)=800mm。

表1 拉擠矩形管力—變形試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 空心矩形管截面圖

根據(jù)彎曲模量的計(jì)算公式，計(jì)算復(fù)合材料拉擠矩形管的彎曲模量。

將數(shù)據(jù)帶入公式（3），算的復(fù)合材料拉擠矩形管的彈性模量E=3.5×104MPa。因此想要達(dá)到管的抗彎剛度EI=2.51366×1011，玻璃鋼拉擠型材的慣性矩I≥7.18×106。假設(shè)復(fù)合材料拉擠矩形管剪叉臂的尺寸數(shù)據(jù)：H=160，B=60，h=145，b=50，帶入公式（2）算得I=7.78×106＞7.18×106，并且有8%以上的余量，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 剪叉臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)頂出缸位置的不同設(shè)定，可以得到不同形式的升降平臺(tái)。下面以固定單剪叉來說明，用長(zhǎng)度相等的兩根支撐桿AC和BD鉸接與兩桿的中心點(diǎn)E，兩桿的A、D端分別鉸接于平板和機(jī)架上，兩桿的B、C端分別于兩滾輪鉸接，并可在上平板和機(jī)架上的導(dǎo)向槽內(nèi)滾動(dòng)。它們的不同之處在于驅(qū)動(dòng)頂出缸的安裝位置不同。

驅(qū)動(dòng)頂出缸的下部固定在機(jī)架上，上部的活塞桿以球頭與上平板球窩接觸。頂出缸通過活塞桿使上平臺(tái)垂直升降。

臥式頂出缸活塞桿與支撐桿BD鉸接于B處。頂出缸驅(qū)動(dòng)活塞桿控制平臺(tái)垂直升降。

頂出缸缸體尾部與支撐桿BD鉸接，活塞頭部與支撐桿AC鉸接。頂出缸活塞桿可控制平臺(tái)垂直升降。

直立固定剪叉式結(jié)構(gòu)，頂出缸的行程等于平臺(tái)的升降行程，整體結(jié)構(gòu)尺寸龐大，但頂出缸的效率較高，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的剪叉平臺(tái)。

水平固定剪叉式結(jié)構(gòu)，通過分析可知，平臺(tái)的升降行程大于頂出缸的行程，頂出缸的效率最低；剪叉臂所受的剪切力最大；而且活塞桿受橫向力作用，影響密封件的使用壽命。

雙鉸接剪叉式結(jié)構(gòu)平臺(tái)的升降行程可到頂出缸行程的二倍以上，多見于金屬的剪叉式結(jié)構(gòu)平臺(tái)。但頂出缸的作用力都直接作用在剪叉臂上，復(fù)合材料拉擠成型的剪叉臂一般難以承受如此大的作用力。

此外對(duì)于一些作業(yè)平臺(tái)面面積較大的剪叉平臺(tái)采用了雙套剪叉臂的結(jié)構(gòu)。

但該結(jié)構(gòu)平臺(tái)的頂起全賴于頂出缸，剪叉結(jié)構(gòu)不能有效的受到力的作用，起到支撐穩(wěn)定的效果。因此在市面上的雙剪叉升降平臺(tái)多為雙鉸接剪叉式的結(jié)構(gòu)，單獨(dú)同步使用。

為保證剪叉結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，同時(shí)剪叉臂的受力必須滿足在拉擠成型復(fù)合材料性能所能承受的范圍內(nèi)，我們創(chuàng)新性地在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上改變傳統(tǒng)的剪叉結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合直立固定剪叉式結(jié)構(gòu)形式和雙剪叉結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)，為雙剪叉多鉸接的結(jié)構(gòu)，具體如圖2所示。

圖2 雙剪叉多鉸接結(jié)構(gòu)形式

2.3 剪叉臂的受力分析

1）當(dāng)升降平臺(tái)處于最低位置時(shí)，AD=h=1300mm、BF=1/4h=325mm、AF=1900mm、AO=OF=1/2AF=950mm、OE=EF=1/2OF=475mm。

2）當(dāng)升降平臺(tái)處于最低位置時(shí)，AD=h=5700mm、BF=1/4h=1425mm、AF=1900mm、AO=OF=1/2AF=950mm、OE=EF=1/2OF=475mm。

3）剪叉臂的受力分析

對(duì)圖2雙剪叉多鉸接結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析可知，該剪叉結(jié)構(gòu)可分解成Ⅰ&Ⅱ兩副剪叉結(jié)構(gòu)，如圖3所示。且分別對(duì)Ⅰ&Ⅱ兩付剪叉結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，結(jié)果不受影響。

按承受載荷為200kg，按1.5倍安全系數(shù)，平臺(tái)面自重100kg進(jìn)行計(jì)算N=200×1.5+100=400kgf；每米復(fù)合材料拉擠型材剪叉臂重量g=4.934kg。

圖3 剪叉臂分解成兩副示意圖

忽略摩擦力，對(duì)剪叉Ⅰ中桿1進(jìn)行受力分析，桿1的受力模型如圖4所示。

圖4 剪叉Ⅰ中桿1受力模型

根據(jù)具體的受力情況可知：

N1=400/2/4=50kgf；

g1=4.934×1.9=9.375kgf；

當(dāng)α=9.85°時(shí)，解方程組可得

當(dāng)α=47.12°時(shí)，解方程組可得

對(duì)剪叉Ⅰ中桿2進(jìn)行受力分析，桿2的受力模型如圖5所示。

圖5 剪叉Ⅰ中桿2受力模型

當(dāng)α=9.85°時(shí)，解方程組可得

當(dāng)α=47.12°時(shí)，解方程組可得

同理，對(duì)剪叉Ⅰ中桿3進(jìn)行受力分析，桿3的受力模型如圖6所示。

圖6 剪叉Ⅰ中桿3受力模型

當(dāng)α=9.85°時(shí)，解方程組可得

當(dāng)α=47.12°時(shí)，解方程組可得

對(duì)剪叉Ⅰ中桿4進(jìn)行受力分析，桿4的受力模型如圖7所示。

圖7 剪叉Ⅰ中桿4受力模型

當(dāng)α=9.85°時(shí)，解方程組可得

當(dāng)α=47.12°時(shí)，解方程組可得

同理忽略摩擦力，對(duì)剪叉Ⅱ中桿進(jìn)行受力分析可得：

綜合對(duì)剪叉臂Ⅰ和剪叉臂Ⅱ的分析結(jié)果，頂出缸的頂出力如下 ：

FⅠ=T1×2+T2×2=1466.666667kgf

FⅡ=T1×2+T2×2=1466.666667kgf

對(duì)剪叉臂Ⅰ剪切力最大的在桿3與桿4的鉸接處，當(dāng)平臺(tái)處于最低位置，即當(dāng)α=9.85°時(shí)，

對(duì)剪叉臂Ⅱ剪切力最大的在桿3’與桿4’的鉸接處，當(dāng)平臺(tái)處于最低位置，即當(dāng)α=9.85°時(shí)，

3 材料成型工藝

由于主升降部分采用復(fù)合材料矩型管材，為了滿足平臺(tái)整體強(qiáng)度要求，保證產(chǎn)品安全可靠，復(fù)合材料矩形管材采用采用先進(jìn)的在線拉擠—編織工藝進(jìn)行生產(chǎn)。拉擠—編織是一種全新的生產(chǎn)技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)通行的做法是采用普通的拉擠工藝進(jìn)行復(fù)合材料絕緣管的生產(chǎn)，該工藝是大量采用縱向纖維，而橫向無(wú)纖維或者只有少量纖維（橫向纖維一般通過纖維氈、纖維布或者環(huán)向纏繞來實(shí)現(xiàn)），所以產(chǎn)品的環(huán)向強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于產(chǎn)品的軸向強(qiáng)度。因此采用普通拉擠工藝生產(chǎn)出的復(fù)合材料產(chǎn)品很容易斷裂。而采用高溫聚合拉擠編織工藝后，編織工藝使所有的纖維均斜交，與軸線夾角不逞0°和90°，在編織過程中，纖維的運(yùn)動(dòng)軌跡為螺旋線，通過選擇適宜的纖維排列密度、角度及纖維的張力，大大提升產(chǎn)品的密度、軸向強(qiáng)度、環(huán)向強(qiáng)度和整體可靠性，從而保證剪叉臂在升降運(yùn)行過程中的各種受力情況下性能均安全可靠。

4 結(jié)論

全地形剪叉式絕緣檢修平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，強(qiáng)度能夠完全替代金屬結(jié)構(gòu)，橡膠履帶式自行走方式能通過各類復(fù)雜地形，滿足電力安全生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)要求，應(yīng)用前景非常廣闊，由于產(chǎn)品統(tǒng)一、單一，簡(jiǎn)單、易操作，檢修人員能夠非常快速的掌握正確使用方法，簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)檢修的工作步驟，不僅快速提高檢修效率，而且大大提升檢修工作的安全可靠性。

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TP3

A

1674-6708（2015）148-0142-04

王輝，工程師，安監(jiān)部主任，工作單位：國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司檢修公司，長(zhǎng)期從事電力生產(chǎn)安全技術(shù)與管理工作

邢軍，高級(jí)工程師，公司副總，工作單位：國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司檢修公司，研究方向：項(xiàng)目設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)

張遼，高級(jí)工程師，工作單位：國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司檢修公司，研究方向：項(xiàng)目設(shè)計(jì)研發(fā)

武凱，高級(jí)工程師，變電安全監(jiān)察，工作單位：國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司檢修公司，研究方向：電網(wǎng)安全管理、變電運(yùn)維檢修等

李繼紅，工程師，變電安全監(jiān)察，工作單位：國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司檢修公司，研究方向：電網(wǎng)安全監(jiān)督管理、應(yīng)急管理等

王棟，工程師，變電安全監(jiān)察，工作單位：國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司檢修公司，研究方向：變電二次系統(tǒng)

馮冬亮，工程師，公司總監(jiān)，工作單位：石家莊飛翔材料技術(shù)有限公司，研究方向：電力系統(tǒng)工器具開發(fā)等