輸電線路工程三繩索吊升張力控制技術(shù)研究

周威，宋澤明，胡春華，何成，郝玉靖

（1.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；2.國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

傳統(tǒng)輸電線路組塔施工中多采用落地平臂及搖臂抱桿［1-3］或流動(dòng)式起重機(jī)［4-5］進(jìn)行作業(yè)，組塔施工過程中的物料［6-8］（如電動(dòng)扭矩扳手、螺栓緊固件、組塔輔材）吊升，一般是將起吊繩索繞過抱桿頂部的起重滑車后，地面人員操控機(jī)動(dòng)絞磨牽拉繩索進(jìn)行起吊，起吊過程中輔以人力牽拉纜風(fēng)繩對(duì)被吊物吊升姿態(tài)進(jìn)行控制［9-10］。起吊過程中被吊物受風(fēng)力及自身慣性作用，運(yùn)動(dòng)軌跡及吊升位置無法被精確控制，被吊物與鐵塔可能發(fā)生碰撞從而掉落或受損，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。為解決上述問題，降低環(huán)境、人為因素在作業(yè)中的不良影響，研制專用的自動(dòng)吊升裝置就顯得十分必要?；陔娏κ┕ぶ袕埩Ψ啪€作業(yè)施工工藝［11-13］，提出了一種電力組塔施工用貨物三繩索吊升張力控制方法。建立了三繩索吊升張力控制力學(xué)模型，通過該模型可計(jì)算不同質(zhì)量貨物在不同吊升高度下繩索張力值；采用伺服控制［14-15］方式，搭建了三繩索吊升伺服張力控制系統(tǒng)，通過將理論計(jì)算得到繩索張力值輸入到伺服控制系統(tǒng)中，可精確控制被吊物吊升軌跡及位置，保證了物料的安全起吊。

1 三繩索吊升張力控制原理

三繩索吊升張力控制系統(tǒng)工作原理如圖1所示，定滑輪（作業(yè)現(xiàn)場為起重滑車）安裝在電力鐵塔主塔腿頂部，吊升裝置主要由中間伺服張力起吊裝置及左右兩側(cè)伺服張力牽拉裝置組成。中間伺服張力起吊裝置繩索繞過頂部定滑輪與吊升貨物相連，連接位置位于被吊物上端；左右兩側(cè)伺服張力牽拉裝置繩索對(duì)稱分布，固定于吊升貨物下端兩側(cè)，吊升過程中左右兩側(cè)繩索張力牽拉使得貨物脫離主塔腿，防止吊升過程中貨物與電力鐵塔發(fā)生碰撞。

圖1 三繩索吊升系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of three rope hoisting system

2 三繩索吊升力學(xué)模型

2.1 模型建立

以新疆750 kV輸電工程ZGU1型雙回路直線鼓型角鋼塔（2053B號(hào)）為例，建立三繩索吊升力學(xué)模型，如圖2所示。定滑輪位于電力鐵塔主塔腿頂部，主塔腿長度S=80 m，主塔腿與地面垂線夾角θ=6.3°，以主塔腿頂部垂向地面作z軸，建立如圖2所示坐標(biāo)系xyz。

圖2 三繩索吊升力學(xué)模型Fig.2 Three rope hoisting mechanical model

中間伺服張力起吊裝置繩索張力為T1，左右兩側(cè)伺服張力牽拉裝置繩索張力為T2、T3。T1由地面繞過定滑輪主要起到吊升作用；T2、T3位于地面左右兩側(cè)對(duì)稱位置，張力方向由被吊物指向地面伺服張力牽拉裝置，通過T2、T3向外側(cè)牽拉被吊物使其在吊升過程中脫離主塔腿一定的位移，避免貨物在起吊過程中與主塔腿發(fā)生碰撞，同時(shí)三繩索張力牽拉使得貨物產(chǎn)生一定剛度，能夠抵御外部環(huán)境載荷對(duì)吊物產(chǎn)生擾動(dòng)。

吊升過程中，假定貨物質(zhì)心與主塔腿脫塔距離始終保持恒定l=0.6 m，即貨物吊升運(yùn)動(dòng)軌跡與主塔腿平行。定滑輪坐標(biāo)A（0，0，80×cos 6.3），貨物坐標(biāo)B（0，yj，zj），T2對(duì)應(yīng)C點(diǎn)坐標(biāo)（x1，y1，0），T3對(duì)應(yīng)D點(diǎn)坐標(biāo)（-x1，y1，0），L為吊升過程中地面到貨物在主塔腿上的投影長度。

2.2 模型求解

假定吊升過程中貨物質(zhì)心始終與傾斜主塔腿距離保持在l=0.6 m，則貨物坐標(biāo)（0，yj，zj）可表示為：yj=（80-L）·sin 6.3+l·cos 6.3，zj=L·cos 6.3+l·sin 6.3。對(duì)T1、T2、T3分別沿x、y、z3個(gè)方向進(jìn)行分解，假定T1位于yz平面且力的方向與主塔腿平行，沿y軸及z軸方向分力如下：

式中：θ為主塔腿與地面垂線夾角。T2沿x軸、y軸、z軸3個(gè)方向分力如下：

T2與T3對(duì)稱分布且張力值相同，故T3在x軸、y軸、z軸3個(gè)方向分力值與T2在x軸、y軸、z軸3個(gè)方向分力值大小相同。其中T2x與T3x大小相等方向相反，T2y與T3y大小相等方向相同，T2z與T3z大小相等方向相同。T1牽拉裝置位于y軸上，T2與T3位于xy平面且對(duì)稱分布，如圖3所示，則|x1|=R·cosγ，|y1|=R·sinγ。

圖3 地面位置坐標(biāo)Fig.3 Position coordinates on the ground

由上述可知，建立貨物吊升過程中動(dòng)態(tài)平衡方程如下：

式中：G為貨物重力；m為貨物質(zhì)量；a為吊升過程貨物加速度。

2.3 模型計(jì)算

T1對(duì)應(yīng)起吊裝置位于y軸即可，在主塔腿長度S一定時(shí)，勻速吊升過程中T1、T2、T3力值主要與地面裝置安裝半徑R、安裝角度γ、脫塔距離l、貨物質(zhì)量m相關(guān)聯(lián)。在上述4個(gè)可變參數(shù)中選取1個(gè)為自變量，其余3個(gè)參數(shù)保持不變，通過在Matlab中構(gòu)建方程組獲得T1、T2、T3力值與可變參數(shù)關(guān)系。

假定安裝角度γ=45°，貨物質(zhì)量m=100 kg，貨物脫離主塔腿距離l=0.6 m。且R·sinγ＞S·sinθ，即安裝位置在y軸坐標(biāo)大于主塔腿在y軸上投影坐標(biāo)，則R＞12.4 m。當(dāng)安裝半徑R分別選取20 m、30 m、40 m、50 m時(shí)，T1、T2、T3力值分布如圖4所示，伴隨L增加三繩索張力值T均呈現(xiàn)單調(diào)遞增趨勢，伴隨半徑R增加，T1、T2、T3張力值均呈現(xiàn)減小。

圖4 不同R下T1、T2、T3隨L變化Fig.4 Variation of T1，T2，T3 with L under different R

假設(shè)安裝半徑R=30 m，貨物質(zhì)量m=100 kg，貨物脫離主塔腿距離l=0.6 m，R·sinγ＞S·sinθ，則90°＞γ＞17°。當(dāng)安裝角度γ分別選取30°、45°、60°、75°時(shí)，T1、T2、T3力值分布如圖5所示，伴隨L增加三繩索張力值T呈現(xiàn)單調(diào)遞增趨勢，伴隨安裝角度γ增加，T1、T2、T3張力值均呈現(xiàn)減小。

圖5 不同γ下T1、T2、T3隨L變化Fig.5 Variation of T1，T2，T3 with L under different γ

假設(shè)安裝半徑R=30 m，安裝角度γ=45°，貨物質(zhì)量m=100 kg。當(dāng)貨物脫離主塔腿距離l選取0.6 m、1.0 m、1.4 m、1.8 m時(shí)，T1、T2、T3力值分布如圖6所示，伴隨L增加三繩索張力值T均呈現(xiàn)單調(diào)遞增趨勢，伴隨脫塔距離l增加，T1、T2、T3張力值均增大，增大幅值較小，表明較小張力值增加可以產(chǎn)生較大的脫塔距離。

圖6 不同l下T1、T2、T3隨L變化Fig.6 Variation of T1，T2，T3 with L under different l

假設(shè)安裝半徑R=30 m，安裝角度γ=45°，貨物脫離主塔腿距離l=0.6 m。當(dāng)貨物質(zhì)量m選取100 kg、200 kg、300 kg、400 kg時(shí)，T1、T2、T3力值分布如圖7所示，伴隨L增加三繩索張力值T均呈現(xiàn)單調(diào)遞增趨勢，伴隨著貨物質(zhì)量m增大，T1、T2、T3幅值等比增大。

圖7 不同m下T1、T2、T3隨L變化Fig.7 Variation of T1，T2，T3 with L under different m

通過上述分析可知，任意工況下三繩索張力值T隨著L的增加而增大，若保持貨物吊升過程中脫塔距離l不變，當(dāng)被吊物質(zhì)量m、安裝半徑R、安裝角度γ不同時(shí)，繩索張力值T均不同。當(dāng)確定脫塔距離l后，不同質(zhì)量m及不同安裝半徑R、安裝角度γ下繩索張力值T隨L的變化均可通過力學(xué)模型進(jìn)行求解，該力學(xué)模型所求得的三繩索張力值T可作為伺服控制系統(tǒng)張力輸入值。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于所建立的力學(xué)模型，搭建了三繩索吊升張力控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由中間伺服張力起吊裝置、左右伺服張力牽拉裝置、伺服張力控制柜、被吊物等組成。

室內(nèi)吊升試驗(yàn)中，頂部定滑輪離地高度S=8 m，被吊箱體質(zhì)量m=90 kg，頂部定滑輪與地面垂線夾角θ=6.3°的鉛線作為脫塔基準(zhǔn)，裝置安裝半徑R=4.15 m，安裝角度γ=45°，脫塔距離l=0.3 m。將上述參數(shù)代入到已建立的理論力學(xué)模型中進(jìn)行計(jì)算，得到的T1、T2、T3數(shù)值如圖8所示。將計(jì)算所得到的T1、T2、T3張力值通過人機(jī)操作控制界面進(jìn)行輸入，被吊物吊升過程位姿如圖9所示。通過吊升試驗(yàn)可知，在整個(gè)起吊過程中，起吊及牽拉繩索張力值、被吊物作業(yè)位置及姿態(tài)與理論設(shè)定值保持一致，證明本文設(shè)計(jì)的三繩索吊升張力控制方法可靠，可進(jìn)一步開展工程應(yīng)用。

圖8 模型計(jì)算張力值Fig.8 Tension value calculated by mechanical model

圖9 三繩索吊升室內(nèi)試驗(yàn)Fig.9 Three rope hoisting laboratory experiment

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了一種輸電線路組塔施工用三繩索吊升張力控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用伺服控制模式，繩索張力值可根據(jù)被吊物質(zhì)量及現(xiàn)場實(shí)際工況，在控制系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)定，該系統(tǒng)保證了被吊物吊升過程中具有安全脫塔距離，實(shí)現(xiàn)了小型電力施工機(jī)具及材料吊升作業(yè)的自動(dòng)化。

（2）基于張力控制原理，建立了三繩索吊升力學(xué)模型，不同質(zhì)量貨物在不同工況下的繩索張力值可通過該模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算值可保證被吊物按照預(yù)定軌跡進(jìn)行吊升。

（3）基于理論及試驗(yàn)研究證實(shí)，本文設(shè)計(jì)的三繩索吊升張力控制方法，在貨物吊升過程中其吊升軌跡及作業(yè)位置可控，電力組塔施工作業(yè)安全性得到提高，使得組塔施工作業(yè)更加智能化。