基于星輪結(jié)構(gòu)的變電站屏柜爬樓車設(shè)計(jì)

李俊輝

摘 要：針對變電站二次屏柜狹窄環(huán)境施工安全風(fēng)險(xiǎn)大、費(fèi)時費(fèi)力的不足，設(shè)計(jì)一種星輪結(jié)構(gòu)的電動爬樓車實(shí)現(xiàn)平地、樓梯兩用搬運(yùn)，通過與傳統(tǒng)方式對比，具有安全高效、節(jié)約成本優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到綠色文明施工和減員增效效果。

關(guān)鍵詞：變電站；屏柜；星輪；行走機(jī)構(gòu)

中圖分類號：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）16-0097-02

Abstract： In view of the disadvantages of high safety risk and time-consuming and laborious construction in the narrow environment of secondary screen cabinet of substation， a kind of electric climbing car with planetary wheel structure is designed to carry flat floor and staircase. Compared with the traditional method， the utility model has the advantages of safety， efficiency and cost saving， and achieves the effect of green civilization construction and staff reduction and efficiency.

Keywords： substation； screen cabinet； planetary wheel； running mechanism

屏柜因其良好的抗外力強(qiáng)度和屏蔽電磁干擾的作用，在電力系統(tǒng)中廣泛使用。其搬運(yùn)是電力建設(shè)施工常態(tài)而重要的作業(yè)，目前主要采用人抬肩扛的搬運(yùn)方式，由于屏柜體大量重，該方式不僅費(fèi)時費(fèi)力、人工成本高，還存在砸/壓傷作業(yè)人員、碰壞設(shè)備和施工環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。以變電站遠(yuǎn)動屏柜為例，重達(dá)300千克屏體，從主控樓一樓搬運(yùn)至二樓機(jī)房需6至8人，在樓道拐角和機(jī)房進(jìn)門處常出現(xiàn)卡、壓傷人、碰壞柜體和設(shè)備及施工環(huán)境（地磚、墻壁）的現(xiàn)象。新方法基于行星輪、叉車結(jié)構(gòu)和電機(jī)拖動原理，研制符合變電站施工環(huán)境的高效攀爬結(jié)構(gòu)、緊湊型車體裝載構(gòu)架、行走機(jī)構(gòu)、多功能控制以及安全機(jī)構(gòu)。解決傳統(tǒng)人工搬運(yùn)的不足，節(jié)約人力及施工成本，優(yōu)化工程施工方式。

1 技術(shù)方案

1.1 國內(nèi)外爬樓裝置研究現(xiàn)狀及可行性分析

目前現(xiàn)有爬樓裝置主要為履帶式結(jié)構(gòu)，其工作原理類似于履帶裝甲運(yùn)兵車或坦克，原理簡單，技術(shù)也較成熟[1-3]。如圖1所示是日本Sakadankun公司開發(fā)的一種電動輪椅車，底部是履帶式傳動結(jié)構(gòu)，可爬樓梯最大坡度為35°，上下樓梯速度每分鐘15-20個臺階[4-6]。履帶式結(jié)構(gòu)傳動效率較高，但存在諸多不足：（1）不適合樓梯階沿太光滑及坡度大于35°的場合；（2）由于采用履帶傳動，爬樓時與樓道摩擦力較大，因此對樓梯和履帶均有一定損壞，后期維護(hù)成本高；（3）平地行走時阻力較大，轉(zhuǎn)角處拐彎不靈活；（4）重載時安全風(fēng)險(xiǎn)大，履帶式裝載從平地轉(zhuǎn)樓梯和樓梯轉(zhuǎn)平地的過渡點(diǎn)重心偏移大導(dǎo)致前后傾斜，危及搬運(yùn)人員及設(shè)備安全，對于裝載體積和重量均較大的變電站二次屏柜，履帶式結(jié)構(gòu)的安全問題更加凸顯。

星輪式爬樓機(jī)構(gòu)由兩組均勻分布的小輪構(gòu)成，每個輪組依照星形輪系的運(yùn)動方式，各個小輪繞各自的軸線自轉(zhuǎn)，并隨著系桿一起繞中心軸公轉(zhuǎn)。平地行走時各小輪自轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)樓梯攀爬功能。

1.2 力學(xué)分析

根據(jù)平地和爬樓兩種搬運(yùn)方式力學(xué)分析，平地行走時施以推力，外施力克服輪子與地面摩擦力，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得u=0.05，根據(jù)胡克定律f=uN，平地行走比克服重力搬運(yùn)省力95%。爬樓梯時，外施力為克服重力F=Gsin30°（樓梯仰角？準(zhǔn)=30°時），即比直接搬運(yùn)省力50%?？紤]的屏體較重和車體自重（總計(jì)最大為350kg），采用電動差速機(jī)構(gòu)驅(qū)動。小車采用棘輪行進(jìn)逆止機(jī)構(gòu)，施工人員操作小車時可根據(jù)情況隨時停止運(yùn)動，克服人抬肩扛中途負(fù)重壓力大，尤其上樓時全程負(fù)重，體力和安全方面都給作業(yè)人員帶來較大考驗(yàn)。

2 總體設(shè)計(jì)

目標(biāo)設(shè)計(jì)滿足裝載變電站各類屏柜型號車體、行走及安全機(jī)構(gòu)，達(dá)到自主爬梯、省力效果。

2.1 車體裝載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

安全搬運(yùn)重點(diǎn)在于待裝載屏柜的通用性和承重性，為滿足變電站多種型號屏柜尺寸及承重，從以下三個方面設(shè)計(jì)車體結(jié)構(gòu)：（1）整體采用穩(wěn)定三角架構(gòu)作為車體結(jié)構(gòu)；

（2）高強(qiáng)度槽鋼和方鋼制作車體；（3）根據(jù)承重目標(biāo)加工專用行星輪，圓鋼承重車軸。

2.2 行星輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使小車順利爬梯，根據(jù)施工環(huán)境階梯尺寸設(shè)計(jì)最佳星輪半徑r，星輪架臂長R。半徑和臂長過大，小車后星輪與階梯前沿干涉；兩者過小則前星輪攀附能力未體現(xiàn)，且在平地行駛時對地面適應(yīng)能力差。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和力學(xué)分析，理想中的待爬階梯同時具備“長寬矮”特點(diǎn)，為提高小車爬樓適應(yīng)能力，根據(jù)施工現(xiàn)場階梯尺寸范圍，選取短窄高階梯作為適應(yīng)目標(biāo)。

2.3 動力及安全設(shè)計(jì)

星輪結(jié)構(gòu)搬運(yùn)屏柜可有效省力，屏體自重大，省力50%仍需給力1750N，采用電機(jī)、差速機(jī)構(gòu)、控制回路及驅(qū)動機(jī)構(gòu)等裝置提供爬樓動力。利用棘輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)防逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，有效防止小車倒退；車體載貨平臺兩邊設(shè)計(jì)三角結(jié)構(gòu)及輔助安全措施，保證車體穩(wěn)定性和防止屏體側(cè)滑。

3 性能測試

以變電站線路保護(hù)屏（800×600×2200mm）為試驗(yàn)對象，就平地和爬樓施工情況，在220kV某變電站對搬運(yùn)小車性能測試，效果如圖3所示。

3.1 施工效果對比

小車由3個施工人員、耗時6min、將重約320千克的屏柜安全、平穩(wěn)從一樓搬運(yùn)至三樓，節(jié)約人工成本600至1000元/天。與目前人抬肩扛搬運(yùn)方式對比效果如表1所示。

3.2 安全效益

采用小車有效解決目前屏柜搬運(yùn)方式存在的較高人身傷害風(fēng)險(xiǎn)，小車爬樓平穩(wěn)，拐彎靈便，避免屏柜卡/壓傷人和碰壞設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。由于減少了施工人員，有利于工作負(fù)責(zé)人對現(xiàn)場的管控。此外，小車施工安靜，符合國網(wǎng)公司文明施工的要求。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益

以單個中等規(guī)模的220kV變電站新建工程為例，約新安裝屏柜60面，（60面屏從1樓上3樓），原需要6個工人6天就位的屏柜，新方法可3人2天完成，人工費(fèi)用由原來7200元節(jié)約為1200元，為原成本的14.28%，該項(xiàng)施工工期為原來的1/3。大修技改以每站安裝1至2面屏為例，每次每天可節(jié)約人工4人，為原成本的42.85%。

表2 單個新建工程和大修技改經(jīng)濟(jì)效益統(tǒng)計(jì)、分析表

4 結(jié)束語

輸變電工程存在新、舊屏柜安裝和退運(yùn)施工，目前人抬肩扛方式操作不便，風(fēng)險(xiǎn)高、費(fèi)時費(fèi)力成本大。新方法有效解決狹窄樓道、多拐角現(xiàn)場施工難題，顯著節(jié)約人力，提高效率縮短工期，適用于重屏柜爬樓搬運(yùn)。經(jīng)過對比分析，創(chuàng)新成果在安全、經(jīng)濟(jì)、社會效益方面具有傳統(tǒng)方法無法比擬的優(yōu)勢，是一種值得推廣的綠色、文明施工新技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Murray J Lawn. Modeling of A Stair-climbing Wheelchair Mechanism with High Single Step Capability[J]. IEEE Transactions On Neural Systems And Rehabilitation Engineering， 2003，1（3）：323～332.

[2]Murray John LAWN. Study of stair-climbing assistive mechanisms for the disabled[D]. Japan： Nagasaki University，2002.

[3]李笑，李瑰賢，趙永強(qiáng)，等.國內(nèi)外軌道式機(jī)械爬樓裝置的研究現(xiàn)狀[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005，2（2）：1-3.

[4]褶文強(qiáng)，辜承林.電動車用輪毅電機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2007，34（4）：1-5.

[5]袁世奇，宮興禎，唐宗軍.一種具有全方向運(yùn)動功能的電動輪椅的設(shè)計(jì)[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26（6）：612-615.

[6]喬鳳斌，謝霄鵬，楊汝清.六輪移動機(jī)器人包容地形研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2004，20（5）：17-19.