核島安裝電纜敷設(shè)裝置的研究

夏君 余貴峰

中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 北京 101300

1 引言

在建安行業(yè)中，作為電氣安裝部分工程主要分項(xiàng)的電纜敷設(shè)工程，因受敷設(shè)條件、工具設(shè)備適用性和機(jī)械化裝備水平等條件影響，普遍存在人力投入量大、施工效率低、工程質(zhì)量（尤其是觀感質(zhì)量）不高的問(wèn)題，電纜在敷設(shè)過(guò)程中存在損傷、扭絞和因應(yīng)力得不到釋放而導(dǎo)致電纜排列混亂的情況。

國(guó)內(nèi)電纜敷設(shè)工程，除特種電纜工程（海底光纜等）、國(guó)家重點(diǎn)工程等大型新建工程外，大多數(shù)施工的技術(shù)、裝備水平及機(jī)械化施工水平不高，電纜的敷設(shè)方式以人工展放為主。在以往的工程施工中，通常需要敷設(shè)大量的連接電纜用于控制和保護(hù)裝置中信號(hào)、模擬量與指令的傳輸，工程量很大，會(huì)耗費(fèi)大量人力物力財(cái)力，會(huì)大幅提高基建工程成本。為解決施工中電纜敷設(shè)問(wèn)題，我國(guó)先后采用卷?yè)P(yáng)機(jī)、電動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)電纜盤(pán)配合電動(dòng)葫蘆牽引電纜、機(jī)械手拉電纜機(jī)、滾動(dòng)摩擦牽引機(jī)等來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械代替人工?，F(xiàn)階段大都以電纜半自動(dòng)化敷設(shè)為主，盡管當(dāng)前在大截面的電纜敷設(shè)時(shí)有卷?yè)P(yáng)機(jī)和電纜輸送機(jī)作為電纜敷設(shè)的輔助工具，對(duì)電纜敷設(shè)效率和安全性有所提高，但是采用卷?yè)P(yáng)機(jī)和輸送機(jī)進(jìn)行電纜敷設(shè)效率依舊較低[1]。

隨著裝置設(shè)計(jì)水平和制造精度的不斷提高，多自由度、高靈活性、高重復(fù)精度的裝置開(kāi)始大量進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，受到市場(chǎng)的關(guān)注和歡迎。自動(dòng)敷設(shè)裝置在電纜施工工程上的成功應(yīng)用帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇。自動(dòng)敷設(shè)電纜裝置施工突破了傳統(tǒng)的電纜敷設(shè)方式，開(kāi)拓了一種創(chuàng)新的柔性自動(dòng)化生產(chǎn)方式，從而提高電纜敷設(shè)質(zhì)量和效率，保證敷設(shè)準(zhǔn)確性和可靠性。

2 電纜敷設(shè)難點(diǎn)介紹

在某核電項(xiàng)目建安工程中，廠區(qū)內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，橋架標(biāo)高不一致，除直段橋架外還存在轉(zhuǎn)彎橋架，現(xiàn)場(chǎng)建筑地面存在集水坑，敷設(shè)裝置跨越集水坑需要人工輔助，或者做輔助工裝，增加了敷設(shè)裝置自動(dòng)化行走難度；對(duì)于較大的廠房，敷設(shè)裝置無(wú)法固定自身，自身重量及四個(gè)輪子與地面摩擦力又無(wú)法滿足牽引電纜的牽引力，敷設(shè)裝置的自動(dòng)化放線牽引作業(yè)也難以完成。不同規(guī)格的電纜對(duì)應(yīng)的單位長(zhǎng)度（m）的電纜重量不一樣，電纜敷設(shè)裝置必須考慮電纜的直徑和重量，電纜的直徑直接決定線纜頭套的尺寸，電纜的重量決定電纜敷設(shè)裝置輸送動(dòng)力，如何使電纜敷設(shè)裝置適應(yīng)不同規(guī)格電纜的外徑和電纜單位長(zhǎng)度重量也成為制約現(xiàn)階段自動(dòng)化敷設(shè)的主要問(wèn)題。上述問(wèn)題已成為現(xiàn)階段制約自動(dòng)敷設(shè)電纜模式下施工活動(dòng)開(kāi)展的主要問(wèn)題。

3 電纜敷設(shè)裝置的設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)需求

電纜敷設(shè)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要與核島廠房房間結(jié)構(gòu)相匹配，本次設(shè)計(jì)適應(yīng)管廊高度3m至4m、通行寬度不小于0.9m的環(huán)境，直徑范圍在（10.0-58mm）內(nèi)電纜在橋架中自動(dòng)敷設(shè)。應(yīng)滿足不同層級(jí)的電纜敷設(shè)要求、多種規(guī)格電纜裝夾可調(diào)自適應(yīng)、拖拽過(guò)程中的鋼絲繩位置規(guī)整，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化移動(dòng)敷設(shè)電纜，減少機(jī)器搬運(yùn)次數(shù)，減少人力[2]。

3.2 電纜敷設(shè)裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電纜敷設(shè)裝置組成如下：1、全向移動(dòng)底盤(pán)；2、伺服牽引裝置；3、錨定固定裝置；4、懸臂式升降裝置；5、控制單元，如圖1所示。

圖1 電纜敷設(shè)裝置系統(tǒng)組成

電纜敷設(shè)裝置底座上部放置電池，端部上方設(shè)置聲光報(bào)警系統(tǒng)，底座的頂撐支撐內(nèi)部設(shè)置錨定固定裝置，錨定固定裝置分為二級(jí)頂撐，頂撐動(dòng)作由上固定液壓裝置和下固定液壓裝置完成，頂撐力由綜合液壓站提供。懸臂式升降裝置固定在底座的頂撐支撐側(cè)部，附帶有卷?yè)P(yáng)機(jī)布置在底座上方。牽引送線裝置設(shè)置在懸臂式升降裝置上，可根據(jù)懸臂式升降裝置上下移動(dòng)連接電纜敷設(shè)。

3.3 敷設(shè)裝置主要部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.3.1 全向移動(dòng)底盤(pán)設(shè)計(jì)

全向移動(dòng)底盤(pán)采用自適應(yīng)扭轉(zhuǎn)懸掛結(jié)構(gòu)，由底座和行走裝置組成。底座為電纜敷設(shè)裝置機(jī)體結(jié)構(gòu)裝置，由鋼板組焊而成，外形呈“T”型構(gòu)造，包括頂撐支撐、連接板、主鋼梁、頂撐座、萬(wàn)向輪座、液壓臂支座。其中主鋼梁為支架結(jié)構(gòu)主體，呈對(duì)稱(chēng)鏡像豎直布置[3]，中間部位連接頂撐支撐，頂撐支撐側(cè)壁中間位置焊接連接板，連接板用于護(hù)罩連接，頂撐支撐外側(cè)下方靠近主鋼梁位置處設(shè)置有液壓臂支座。主鋼梁下方外側(cè)連接頂撐座，主鋼梁端頭下方設(shè)置萬(wàn)向輪座。

行走裝置包括全向輪和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，對(duì)稱(chēng)設(shè)置有4組作為運(yùn)動(dòng)單元，每組輪系由單獨(dú)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制。全向輪設(shè)置在底座端頭，與驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)萬(wàn)向輪座連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置在底座底部的凹槽內(nèi)。

3.3.2 伺服牽引裝置設(shè)計(jì)

伺服牽引裝置主體為支臂、送線裝置、連接套、延伸臂、銷(xiāo)軸、保護(hù)套、束線器，主要完成線纜的牽引敷設(shè)工作。支臂為方形框架結(jié)構(gòu)，由支架、調(diào)節(jié)桿、托臂構(gòu)成。托臂分上下兩片布置，其內(nèi)部設(shè)置有送線裝置，送線裝置為圓柱構(gòu)造，中間設(shè)置有凹槽。托臂端頭設(shè)置有延伸臂，延伸臂為薄片連接件，一端連接于托臂上，一端連接于連接套上。連接套為圓管構(gòu)造，設(shè)置在延伸臂上，包覆在延伸臂內(nèi)部。銷(xiāo)軸為圓柱構(gòu)造，一端連接鋼絲繩，另一端連接束線器。銷(xiāo)軸外側(cè)設(shè)置有保護(hù)套，包覆在銷(xiāo)軸和束線器之間。束線器由吊耳和鋼絲套，吊耳呈圓環(huán)狀，設(shè)置在銷(xiāo)軸的端部，與銷(xiāo)軸掛接。

圖2 鋼絲繩卷?yè)P(yáng)機(jī)

3.3.3 錨定固定裝置設(shè)計(jì)

錨定固定裝置主要由上固定液壓裝置、下固定液壓裝置、距離檢測(cè)傳感器裝置、綜合液壓站、承壓板組成。上固定液壓裝置，主要由二級(jí)液壓缸、溢流閥、電磁換向閥、油管組成。下固定液壓裝置，主要由四個(gè)單級(jí)液壓缸、溢流閥、電磁換向閥、分流閥、油管組成。綜合液壓站主要由油箱、液壓泵、閥體組、油管、直流動(dòng)力源。

3.3.4 懸臂式升降裝置設(shè)計(jì)

懸臂式升降裝置，包括液壓升降裝置、上下導(dǎo)向升降裝置、拉伸調(diào)節(jié)裝置、舉升鏈輪、旋轉(zhuǎn)懸臂、卷?yè)P(yáng)機(jī)。該工裝由升降裝置、轉(zhuǎn)動(dòng)軸裝置和拉伸調(diào)節(jié)裝置三部分構(gòu)造而成，其中升降裝置包括液壓升降裝置和上下導(dǎo)向升降裝置，轉(zhuǎn)動(dòng)軸裝置包括舉升鏈輪、旋轉(zhuǎn)懸臂、卷?yè)P(yáng)機(jī)及上下導(dǎo)向升降裝置。

3.3.5 控制單元設(shè)計(jì)

電氣系統(tǒng)由敷設(shè)裝置控制系統(tǒng)、充電系統(tǒng)組成。敷設(shè)裝置系統(tǒng)包括敷設(shè)裝置狀態(tài)監(jiān)視、運(yùn)動(dòng)控制、放線速度匹配計(jì)算、激光雷達(dá)避障處理、電池電量監(jiān)測(cè)、逆變電路等。充電系統(tǒng)主要為敷設(shè)裝置提供智能便捷的充電功能。

4 電纜敷設(shè)裝置仿真分析

4.1 仿真狀態(tài)說(shuō)明

4.4.1 伺服牽引裝置仿真狀態(tài)說(shuō)明

伺服牽引裝置主要完成線纜的牽引敷設(shè)工作。驅(qū)動(dòng)動(dòng)力采用伺服電機(jī)與行星減速器組合，控制精度高，輸出牽引力大小可控，輸出最大扭矩可達(dá)2100Nm。鋼絲繩采用8mm直徑304不銹鋼材質(zhì)，在潮濕環(huán)境下抗氧化能力強(qiáng)。送線裝置和銷(xiāo)軸構(gòu)成了鋼絲繩輔助機(jī)構(gòu)，一對(duì)送線裝置上的凹槽結(jié)構(gòu)之間的空隙，可有效規(guī)整鋼絲繩形態(tài)，使鋼絲繩與支臂間形成固定范圍夾角，防止鋼絲繩打結(jié)，銷(xiāo)軸端部連接鋼絲繩，收緊后與送線裝置有固定距離，避免鋼絲繩端部固定后收緊狀態(tài)下與送線裝置碰撞。連接套設(shè)置在支臂上，與支臂間有旋轉(zhuǎn)軸相連接，可在銷(xiāo)軸處于送線裝置遠(yuǎn)端時(shí)，避免鋼絲繩與支臂纏繞。支臂包括支架、調(diào)節(jié)桿、托臂，調(diào)節(jié)桿套裝在支架內(nèi)，可調(diào)節(jié)相對(duì)位置，使電纜輸送過(guò)程不易受到阻滯和干涉現(xiàn)象。通過(guò)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)電缸活塞桿伸出距離的長(zhǎng)度來(lái)控制放線拉桿的角度，從而可適應(yīng)不同高度的線纜敷設(shè)作業(yè)。

按照目前人工敷設(shè)案例，電纜規(guī)格為HDYJE-K3-0.6/1KV-3*185+2*95,外護(hù)套直徑為58mm，無(wú)鎧裝層，允許牽引，牽引力為5daN/mm2，鋪設(shè)1300米長(zhǎng)度電纜需要人工13人、耗時(shí)16h，計(jì)算敷設(shè)速度是平均0.0226m/s。伺服牽引裝置設(shè)計(jì)輸出最大牽引速度可達(dá)0.2m/s,最大牽引力可達(dá)15000N，整個(gè)過(guò)程中只需2-3名操作人員，從此數(shù)據(jù)看，敷設(shè)裝置敷設(shè)效率要大于人工敷設(shè)效率，敷設(shè)裝置敷設(shè)成本低于人工敷設(shè)成本。

4.4.2 錨定固定裝置仿真狀態(tài)說(shuō)明

當(dāng)電纜敷設(shè)裝置運(yùn)動(dòng)到作業(yè)指定點(diǎn)后，距離檢測(cè)傳感器裝置開(kāi)始檢測(cè)當(dāng)前位置與管廊頂面的距離是否在上固定液壓裝置活塞桿的行程內(nèi)，當(dāng)確定滿足錨定要求后，距離檢測(cè)傳感器裝置傳送信號(hào)至綜合液壓站，綜合液壓站中的電磁閥接收到信號(hào)后作出動(dòng)作，首先控制下固定液壓裝置活塞桿伸出，機(jī)體被抬升，使全向輪離開(kāi)地面后，上固定液壓裝置活塞桿伸出，直至與管廊頂面接觸。當(dāng)綜合液壓站油壓壓力檢測(cè)器檢測(cè)到壓力標(biāo)定值后，使整個(gè)液壓系統(tǒng)處于保壓狀態(tài)，此時(shí)全向移動(dòng)底盤(pán)懸空，全向輪離開(kāi)地面，可以開(kāi)始進(jìn)行電纜拖曳作業(yè)。電纜敷設(shè)裝置依靠上、下固定液壓裝置的雙向頂升，把電纜敷設(shè)裝置本體固定在管廊內(nèi)。作業(yè)開(kāi)始前，錨定整個(gè)過(guò)程在10s 內(nèi)完成；作業(yè)結(jié)束后，在6s內(nèi)釋放錨定和回收油缸，繼續(xù)進(jìn)行下一段電纜敷設(shè)任務(wù)。

為了場(chǎng)景適應(yīng)需求，電纜敷設(shè)裝置底盤(pán)上的固定油缸支持快速拆裝，可更換為不同行程的油缸，以滿足不同管廊高度。液壓缸活塞桿在第一級(jí)液壓缸頂升后未觸到管廊頂面，第二級(jí)液壓缸繼續(xù)頂升至活塞桿觸到管廊頂面，可適應(yīng)不同高度的管廊頂面。四個(gè)單級(jí)液壓缸的底部分別設(shè)置在敷設(shè)裝置全向移動(dòng)底盤(pán)上的承壓面板四個(gè)角上，以上固定液壓裝置的二級(jí)液壓缸為中心對(duì)稱(chēng)分布，使每一個(gè)液壓缸所受外力相等，當(dāng)四個(gè)液壓缸活塞桿伸使裝置全向輪離開(kāi)地面時(shí)，機(jī)身保持平穩(wěn)。四個(gè)液壓缸通過(guò)分流閥使用單獨(dú)的子油路控制，每個(gè)子油路中均設(shè)置了溢流閥作安全閥，工作原理與二級(jí)液壓缸溢流閥工作原理一致[4]。

4.4.3 懸臂式升降裝置仿真狀態(tài)說(shuō)明

懸臂式升降裝置利用升降原理和轉(zhuǎn)動(dòng)軸原理制作而成，充分發(fā)揮了二者結(jié)合的優(yōu)越性。升降裝置可以通過(guò)液壓升降和滑動(dòng)升降實(shí)現(xiàn)了不同高度層級(jí)電纜的敷設(shè)，在油缸活塞桿頂部裝有鏈輪安裝軸，鏈輪安裝軸兩端裝配舉升鏈輪，利用鏈輪安裝軸和舉升鏈輪將上下導(dǎo)向升降裝置送至不同高度，滿足不同層級(jí)的電纜敷設(shè)。

上下導(dǎo)向升降裝置由上下導(dǎo)向柱和上下導(dǎo)向板組成，上下導(dǎo)向柱兩端加設(shè)軸承使其具有旋轉(zhuǎn)性，上下導(dǎo)向板利用導(dǎo)向套與導(dǎo)向柱相連接，形成一套旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)動(dòng)裝置增加了懸臂的靈活性，實(shí)現(xiàn)了懸臂方向和角度的調(diào)整，解決了電纜托盤(pán)軌道多軸向敷設(shè)的需要。

拉伸調(diào)節(jié)裝置是利用套筒的方式制作而成，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要對(duì)懸臂放線距離進(jìn)行調(diào)節(jié)。利用長(zhǎng)短的調(diào)節(jié)性延伸懸臂的敷設(shè)距離，使其能夠快速調(diào)節(jié)至平衡狀態(tài)，以最優(yōu)的模式完成多種環(huán)境的敷設(shè)任務(wù)。

卷?yè)P(yáng)機(jī)利用伺服驅(qū)動(dòng)動(dòng)力裝置帶動(dòng)齒輪來(lái)控制牽引鋼絲繩的長(zhǎng)短，從而控制電纜與懸臂之間的距離完成敷設(shè)任務(wù)。

4.4.4 控制實(shí)現(xiàn)方式

控制器通過(guò)總線通信控制敷設(shè)裝置前后移動(dòng)、伺服牽引裝置和錨固釘裝置動(dòng)作，系統(tǒng)離散信號(hào)接入采集模塊，采集模塊與控制器采用總線通信。通信連接示意圖如圖3所示。

圖3 通信連接

距離檢測(cè)傳感器裝置，作為電纜敷設(shè)裝置控制系統(tǒng)的一部分，其中垂直測(cè)距探頭設(shè)置在電纜敷設(shè)裝置殼頂。以便探測(cè)上固定液壓裝置活塞桿頂板與管廊頂面的距離，使用前設(shè)定好距離值，當(dāng)探測(cè)到的距離符合錨定固定裝置的工作條件時(shí)，將信息反饋回敷設(shè)裝置控制中心，電纜敷設(shè)裝置停止前進(jìn)，然后錨定固定裝置開(kāi)始工作。直流動(dòng)力源給液壓泵輸入動(dòng)力，液壓泵啟動(dòng)，為上固定液壓裝置和下固定液壓裝置供油。油箱通過(guò)油管向組合閥體供油，依次連接單向閥、電磁換向閥、順序閥，再連接上固定液壓裝置和下固定液壓裝置的電磁換向閥，液壓油通過(guò)回流管再次回到油箱，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。綜合液壓站接收距離檢測(cè)傳感器裝置的信號(hào)后作出應(yīng)答，電磁閥動(dòng)作，進(jìn)行液壓系統(tǒng)輸油和回油操作。

5 電纜敷設(shè)裝置的應(yīng)用

本文所述的電纜敷設(shè)裝置已在某核電工程建設(shè)中進(jìn)行應(yīng)用，目前，敷設(shè)裝置電纜敷放過(guò)程作業(yè)人員相比較人工電纜敷設(shè)減少80%，并且不直接參與拖拉電纜的體力勞動(dòng)，有效的保證安全，施工風(fēng)險(xiǎn)得到了有效的控制。

1）電纜敷設(shè)裝置開(kāi)機(jī)自檢通過(guò)后。敷設(shè)裝置可以接收作業(yè)任務(wù)。任務(wù)下達(dá)后，由人工將被牽引敷設(shè)的電纜與伺服牽引裝置線纜連接套進(jìn)行連接固定；2）電纜敷設(shè)裝置按照任務(wù)要求行駛。在前進(jìn)過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)導(dǎo)航避障單元的感知信息，進(jìn)行全向移動(dòng)底盤(pán)的控制。并同時(shí)控制伺服牽引裝置，根據(jù)行進(jìn)距離同步釋放牽引鋼絲繩。到達(dá)指定牽引位置后，錨定固定裝置依靠液壓缸伸出活塞桿進(jìn)行車(chē)體固定。為牽引做好準(zhǔn)備；3）伺服牽引裝置啟動(dòng)工作。在電纜導(dǎo)向輔助工裝的支撐下實(shí)現(xiàn)牽引。牽引過(guò)程中可通過(guò)讀取稱(chēng)重傳感器數(shù)據(jù)對(duì)牽引力實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控。管廊外的線纜供應(yīng)輔助裝置，配合電纜敷設(shè)裝置同步進(jìn)行線盤(pán)放線工作；4）電纜敷設(shè)裝置根據(jù)任務(wù)是否完成，是否穿越防火架等情況，進(jìn)行邏輯處理。進(jìn)行必要的以上步驟重復(fù)直至任務(wù)完成；5）當(dāng)電纜敷設(shè)裝置到達(dá)防火墻時(shí)，由于空間有限無(wú)法穿越，裝置自動(dòng)識(shí)別防火墻障礙,斷開(kāi)電纜頭套,敷設(shè)裝置自動(dòng)移動(dòng)到防火墻另一側(cè),由人工把電纜放進(jìn)電纜套里,電纜套自動(dòng)識(shí)別鎖緊，繼續(xù)進(jìn)行牽引工作；6）當(dāng)電纜敷設(shè)裝置完成一盤(pán)線纜敷設(shè)施線后，由操作人員遠(yuǎn)程遙控敷設(shè)裝置返回到敷設(shè)施線原點(diǎn)，再次進(jìn)行線纜敷設(shè)，依次重復(fù)進(jìn)行線纜敷設(shè)施線。

6 結(jié)語(yǔ)

電纜敷設(shè)裝置的設(shè)計(jì)解決了核廠房空間內(nèi)小規(guī)格電纜牽引式敷設(shè)和廊道受限空間內(nèi)電纜自動(dòng)化敷設(shè)問(wèn)題，同時(shí)解決了人力投入量大、施工效率低、工程質(zhì)量不高的問(wèn)題。電纜敷設(shè)裝置的設(shè)計(jì)可以在類(lèi)似的核電建造電氣安裝部分的電纜敷設(shè)工程中進(jìn)行推廣。