新型架空線路防墜落裝置用自鎖器研制

衛(wèi)曉東，梅 佳，李 祺，周立民，魏云龍，安傳毫

(北京國網(wǎng)富達(dá)科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100070)

0 引言

隨著我國電力架空線路的快速發(fā)展，線路電壓等級(jí)以及鐵塔的高度不斷提升。目前人工登塔巡檢仍然是架空線路檢修的主要方式。作為高空危險(xiǎn)作業(yè)工種，人工登塔檢修工作對(duì)人員體力消耗較大，易發(fā)生人員高空墜落等危險(xiǎn)事件。根據(jù)國家能源局通報(bào)，2020 年我國電力行業(yè)發(fā)生36 起人身傷亡事故、死亡45 人，高處墜落造成10 起事故、14 人死亡，由高空墜落發(fā)生的事故占比近28 %[1]。近年來，國家電網(wǎng)有限公司和中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司借鑒外國相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，在國內(nèi)新建線路鐵塔上安裝了防墜落裝置，并分別制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，降低了登塔檢修作業(yè)中人員高空墜落發(fā)生的概率[2-4]。但目前已經(jīng)安裝的防墜落裝置的剛性導(dǎo)軌截面規(guī)格和現(xiàn)場安裝質(zhì)量并未完全統(tǒng)一，防墜落裝置的使用效果還不是很理想，其中自鎖器在裝置剛性導(dǎo)軌上的順暢性和安全性是裝置使用效果的一個(gè)重要方面[5]，如何在保證自鎖器使用安全性的前提下，提高自鎖器的順暢性是一直困擾一線登塔人員的問題。

目前，國家電網(wǎng)有限公司在新建架空線路上應(yīng)用較為普遍的防墜落裝置剛性導(dǎo)軌為T 型導(dǎo)軌。針對(duì)T 型導(dǎo)軌的現(xiàn)場使用需求，下面設(shè)計(jì)了架空線路防墜落裝置用自鎖器，對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)及特性進(jìn)行了研究，生產(chǎn)了樣機(jī)，通過了實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，并在架空線路作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行了應(yīng)用。該自鎖器可有效解決一線檢修作業(yè)中存在的使用難題，提高其順暢性，增強(qiáng)登塔作業(yè)人員的良好使用體驗(yàn)，保證登塔作業(yè)人員的安全。

1 新型自鎖器導(dǎo)向方案

自鎖器的工作原理如下：登塔人員正常作業(yè)時(shí)，自鎖器可隨登塔人員沿導(dǎo)軌移動(dòng)；當(dāng)人員墜落時(shí)，自鎖器可立即利用杠桿原理，使其偏心結(jié)構(gòu)件配合導(dǎo)向結(jié)構(gòu)自動(dòng)卡鎖導(dǎo)軌，進(jìn)行制動(dòng)。通常自鎖器偏心結(jié)構(gòu)件卡緊導(dǎo)軌上平面，導(dǎo)向結(jié)構(gòu)卡緊導(dǎo)軌下斜面。為了更好地研究自鎖器的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)效果，導(dǎo)向方案設(shè)計(jì)兩種結(jié)構(gòu)形式，分別為滑動(dòng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)和滾動(dòng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)兩種方案，具體介紹如下。

1.1 滑動(dòng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

自鎖器滑動(dòng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示，自鎖器的滑動(dòng)導(dǎo)向面為具有一定傾斜度的貫通平面結(jié)構(gòu)，與導(dǎo)軌下斜面相接觸。為保證自鎖器能更好適應(yīng)導(dǎo)軌下斜面，其傾角與導(dǎo)軌下斜面傾角保持一致。

圖1 自鎖器滑動(dòng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

1.2 滾動(dòng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

自鎖器滾動(dòng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示，自鎖器的滾動(dòng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)由三組六個(gè)滾動(dòng)導(dǎo)向輪組成，呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)。滾動(dòng)導(dǎo)向輪可沿自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)軌下斜面的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。為保證自鎖器能更好適應(yīng)導(dǎo)軌下斜面，滾動(dòng)導(dǎo)向輪外表面傾角與導(dǎo)軌下斜面傾角同樣保持一致。

圖2 自鎖器滾動(dòng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

2 新型自鎖器拆卸方案

傳統(tǒng)自鎖器一般采用一體式結(jié)構(gòu)，不具備可拆卸性，只能在鐵塔導(dǎo)軌的最下端或者最上端安裝或者拆卸。這種結(jié)構(gòu)存在以下問題：在個(gè)別情況下，當(dāng)鐵塔導(dǎo)軌中間某段導(dǎo)軌存在卡點(diǎn)，自鎖器無法正常通過時(shí)，登塔人員無法繼續(xù)使用自鎖器攀爬鐵塔，不能有效保證登塔人員安全。為了解決以上問題，與傳統(tǒng)自鎖器的一體式結(jié)構(gòu)不同，下面研究設(shè)計(jì)的一種新型自鎖器采用“分體式可拆卸結(jié)構(gòu)”，其主體結(jié)構(gòu)分為左右兩側(cè)機(jī)體，如圖3 所示，分別為滑動(dòng)方案和滾動(dòng)方案的拆卸結(jié)構(gòu)閉合狀態(tài)、打開狀態(tài)。其中，拆卸開關(guān)為機(jī)械控制開關(guān)，對(duì)自鎖器的分體式可拆卸結(jié)構(gòu)起到自鎖限位作用，在導(dǎo)軌上正常使用時(shí)拆卸開關(guān)為自動(dòng)鎖閉狀態(tài)。該開關(guān)必須經(jīng)過“下按”“前推”兩個(gè)連續(xù)明確的動(dòng)作才能打開，防止自鎖器意外脫離導(dǎo)軌，具備防誤操作功能。

圖3 自鎖器分體式可拆卸結(jié)構(gòu)

正常使用時(shí)，自鎖器在拆卸開關(guān)的作用下，保持自動(dòng)鎖閉狀態(tài)；安裝和拆卸自鎖器時(shí)，打開拆卸開關(guān)，使自鎖器右側(cè)機(jī)體向該側(cè)平移，再向該側(cè)旋轉(zhuǎn)即可滿足安裝拆卸作業(yè)條件；安裝和拆卸作業(yè)完成后，以與打開過程逆向的順序操作自鎖器，即可使自鎖器自動(dòng)恢復(fù)鎖閉狀態(tài)，轉(zhuǎn)化到正常使用工況。

相對(duì)于傳統(tǒng)自鎖器，該新型自鎖器拆卸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具備以下應(yīng)用效果：可使自鎖器在鐵塔導(dǎo)軌任一位置進(jìn)行拆卸，克服了傳統(tǒng)一體式結(jié)構(gòu)“只能在鐵塔導(dǎo)軌的最下端或者最上端安裝或者拆卸”的弊端；同時(shí)該拆卸結(jié)構(gòu)具有防誤操作功能，能夠全程保證登塔人員安全。

3 新型自鎖器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

在架空線路檢修人員登塔作業(yè)中，自鎖器對(duì)人員安全起著至關(guān)重要的作用，必須按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行計(jì)算分析，其中關(guān)鍵性能指標(biāo)主要有兩項(xiàng)，即整體靜態(tài)負(fù)荷性能和整體動(dòng)態(tài)負(fù)荷性能[6]。整體靜態(tài)負(fù)荷性能可采用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算和力學(xué)試驗(yàn)結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，整體動(dòng)態(tài)負(fù)荷性能主要采用力學(xué)試驗(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.1 計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算

計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算主要校核自鎖器在設(shè)計(jì)階段的整體靜態(tài)負(fù)荷性能，可有效降低自鎖器產(chǎn)品設(shè)計(jì)試制成本，縮短研發(fā)周期。下面采用三維建模軟件Solidworks 對(duì)自鎖器進(jìn)行三維建模，按照整體靜態(tài)負(fù)荷性能加載條件，在自鎖器上設(shè)置載荷和位移等約束條件，由軟件計(jì)算自鎖器的應(yīng)力數(shù)值，如該數(shù)值小于自鎖器對(duì)應(yīng)材質(zhì)的屈服強(qiáng)度，即可滿足整體靜態(tài)負(fù)荷性能要求。

上述設(shè)計(jì)的自鎖器兩種方案中機(jī)體主體件均使用的是高強(qiáng)度鋁合金材質(zhì)，屈服強(qiáng)度為470 MPa[7]，偏心結(jié)構(gòu)件使用的特種不銹鋼材質(zhì)，屈服強(qiáng)度為540 MPa。

Solidworks 軟件自動(dòng)計(jì)算自鎖器滑動(dòng)方案和滾動(dòng)方案的應(yīng)力分布。從自鎖器滑動(dòng)方案應(yīng)力分布云圖可知，整體靜態(tài)負(fù)荷條件下，自鎖器整體最大應(yīng)力423.6 MPa，位于偏心結(jié)構(gòu)件上，小于該材質(zhì)的屈服強(qiáng)度540 MPa；機(jī)體主體件最大應(yīng)力為320.0 MPa，小于該材質(zhì)的屈服強(qiáng)度470 MPa，滿足自鎖器整體靜態(tài)負(fù)荷性能，結(jié)構(gòu)安全。從自鎖器滾動(dòng)方案應(yīng)力分布云圖可知，整體靜態(tài)負(fù)荷條件下，自鎖器整體最大應(yīng)力356.5 MPa，位于偏心結(jié)構(gòu)件上，小于該材質(zhì)的屈服強(qiáng)度540 MPa；機(jī)體主體件最大應(yīng)力為187.4 MPa，小于該材質(zhì)的屈服強(qiáng)度470 MPa，滿足自鎖器整體靜態(tài)負(fù)荷性能，結(jié)構(gòu)安全。

綜上所述，自鎖器的滑動(dòng)方案和滾動(dòng)方案均滿足自鎖器整體靜態(tài)負(fù)荷性能設(shè)計(jì)要求。

3.2 力學(xué)試驗(yàn)

自鎖器力學(xué)試驗(yàn)主要采用實(shí)驗(yàn)室力學(xué)試驗(yàn)檢測的方法對(duì)其整體靜態(tài)負(fù)荷性能、整體動(dòng)態(tài)負(fù)荷性能進(jìn)行檢驗(yàn)判斷。整體靜態(tài)負(fù)荷性能檢測按照15 kN外力進(jìn)行加載，整體動(dòng)態(tài)負(fù)荷性能按照100 kg 模擬人進(jìn)行沖擊，具體連接及加載方法按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行[6]。經(jīng)過力學(xué)試驗(yàn)，自鎖器滑動(dòng)方案和滾動(dòng)方案均未出現(xiàn)金屬件碎裂現(xiàn)象；卸載后，自鎖器能正常解鎖，順暢滑動(dòng)，并能正常鎖止，兩種方案均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[6]。作為高空作業(yè)電力安全工器具，為保證自鎖器的安全性，在實(shí)驗(yàn)室力學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，自鎖器通過了國家勞動(dòng)保護(hù)用品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(北京)的型式試驗(yàn)。

4 新型自鎖器現(xiàn)場試驗(yàn)

新型自鎖器試制完成后，在500 kV 宜華線進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，登塔人員分別使用兩種方案的自鎖器攀爬鐵塔。經(jīng)過試驗(yàn)對(duì)比，在可拆卸性方面，自鎖器滑動(dòng)方案和滾動(dòng)方案均可有效完成在導(dǎo)軌非端部位置的安裝和拆卸作業(yè)；在使用效果方面，滑動(dòng)方案的順暢性略優(yōu)于滾動(dòng)方案。

5 結(jié)束語

基于防墜落裝置T 型導(dǎo)軌研究了自鎖器的導(dǎo)向方案和拆卸方案結(jié)構(gòu)，對(duì)不同結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室力學(xué)試驗(yàn)，并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)。在保證自鎖器安全性能的基礎(chǔ)上，使自鎖器具備了拆卸功能，并提高了現(xiàn)場適用性，解決了一線登塔人員的使用難題。本項(xiàng)目的應(yīng)用，對(duì)于提高架空線路登塔人員的工作效率，保障人員安全，具有重要意義。

以上滑動(dòng)方案的自鎖器雖然使用效果相對(duì)較好，但也存在繼續(xù)優(yōu)化提升的空間。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，相關(guān)研究人員將會(huì)研究更先進(jìn)的自鎖器，以推動(dòng)我國架空線路登塔防墜技術(shù)的進(jìn)步。