一種桿塔重物舉升裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉溪供電局 郭 磊 雷亞蘭 李建東 唐 偉 喬連留

變電站是電力供給的重要節(jié)點(diǎn)，而架空出線就像變電站的毛細(xì)血管，直接聯(lián)通用電客戶，源源不斷地向外輸出電能，保障客戶能安全放心地使用清潔能源。伴隨城市建設(shè)和配網(wǎng)改造的不斷推進(jìn)，線路停電檢修改造已成為常態(tài)化工作，這意味著運(yùn)行人員需頻繁登桿開展線路接地線裝拆操作。每次作業(yè)時(shí)，運(yùn)行人員需全程穿戴全身式安全帶，身體被束縛導(dǎo)致四肢受限難以發(fā)力，在向上攀爬的過程中還需注意觀察，與帶電設(shè)備時(shí)刻保持足夠安全距離，桿塔上操作面可站立空間局促，無合適支撐和懸掛位置，操作人員在使用繩索吊、放操作工具時(shí)（含接地線、驗(yàn)電器、絕緣手套等總重約20kg），可能出現(xiàn)失手后工具墜落或與帶電設(shè)備距離不足放電導(dǎo)致的意外事件發(fā)生。登桿開展線路接地線裝拆操作對(duì)變電運(yùn)行人員的身體素質(zhì)和作業(yè)技能提出極高要求，針對(duì)此類作業(yè)存在的痛點(diǎn)、難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，亟需通過研發(fā)輔助工具，幫助操作人員有效降低工作負(fù)荷，提升作業(yè)質(zhì)量和效率，保障人身、設(shè)備安全。

1 設(shè)計(jì)思路及優(yōu)缺點(diǎn)分析

課題發(fā)布后，項(xiàng)目組人員積極思考、認(rèn)真分析，明確分工后著手準(zhǔn)備，通過查閱資料、頭腦風(fēng)暴和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)勘，擬定三套解決方案如下：

方案一：固定滑輪+尼龍或鋼絲拉線+手動(dòng)或電動(dòng)絞盤。該方案設(shè)計(jì)靈感來源于旗桿升降裝置，通過手搖絞盤帶動(dòng)拉線運(yùn)動(dòng)，從而使與拉線末端連接的重物達(dá)到升降功能。其優(yōu)點(diǎn)是方便靈活，簡(jiǎn)單實(shí)用，造價(jià)較低，不足之處是：地面人員手動(dòng)旋轉(zhuǎn)絞盤時(shí)速度較慢，且消耗體力；電動(dòng)絞盤需在每基桿塔處預(yù)留外接電源，施工較為復(fù)雜；需預(yù)先在桿塔上焊接固定滑輪組，因焊接作業(yè)時(shí)與設(shè)備帶電部位距離較近，存在誤觸電風(fēng)險(xiǎn)，需線路配合停電，影響供電可靠性；考慮到戶外運(yùn)行環(huán)境下，尼龍拉線長(zhǎng)期受紫外線、粉塵和雨水侵蝕，鋼絲拉線遇潮銹蝕，均會(huì)加速其老化，可能出現(xiàn)斷股從而影響拉線整體承力性能，造成提升過程中斷線墜物風(fēng)險(xiǎn)。

方案二：固定橫桿導(dǎo)軌+滑動(dòng)支架+電動(dòng)葫蘆絞盤。該方案參考車間內(nèi)常見的行車起吊裝置，結(jié)合變電站內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行簡(jiǎn)化，將行車起吊裝置在上下、左右、前后三維空間的運(yùn)動(dòng)軌跡調(diào)整為只在上下和左右的縱向和橫向的豎直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。具體實(shí)施方法是將所有桿塔在同一水平高度處用鋼結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌連接后裝設(shè)水平滑動(dòng)支架，然后將電動(dòng)葫蘆絞盤固定在支架上，作業(yè)人員通過線控或者遙控，指揮絞盤自行走并牽引重物升降。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：人員操作簡(jiǎn)單快速，不耗費(fèi)體力；裝置扭矩大承重能力強(qiáng)；升降速度可自行調(diào)節(jié)；起吊鋼絲繩非工作時(shí)段時(shí)纏繞收入絞盤內(nèi)與雨水不接觸無需特別維護(hù)；桿塔通過鋼結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌連接后穩(wěn)定性增強(qiáng)，提升對(duì)地震、大風(fēng)的防御能力。不足之處是：普適性不足，需根據(jù)桿塔位置分布進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；工作電源接入要進(jìn)行電纜敷設(shè)；造價(jià)高、工期長(zhǎng)；負(fù)載較大對(duì)桿塔重心分布造成不利影響。

方案三：滑輪底座+伸縮式操作桿+傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。該方案為可移動(dòng)結(jié)構(gòu)，用滑輪底座將裝置運(yùn)送到工作地點(diǎn)并固定后，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)操作桿伸縮（上下）運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到重物升降功能。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：適用性強(qiáng)，輕便靈活，可移動(dòng)裝置滿足所有相同作業(yè)場(chǎng)景的需求；無需施工，不增加桿塔任何額外附件，裝置開箱即可使用，裝拆簡(jiǎn)便；裝置檢查、維護(hù)、修理簡(jiǎn)單，均可在地面完成，無登高作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。不足之處是：與地面無有效連接，升高后防側(cè)傾能力不足；操作桿完全展開后，極限舉升高度遜于前兩項(xiàng)方案。

通過對(duì)以上方案的優(yōu)缺點(diǎn)討論，圍繞裝置可行性、適用性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，項(xiàng)目組一致認(rèn)定方案三在裝置的完成度方面明顯優(yōu)于方案一與方案二，其操作簡(jiǎn)單易學(xué)，制造成本適中，后期推廣空間較大，擬予采納，并針對(duì)其不足之處對(duì)裝置設(shè)計(jì)、材料和工藝進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

2 裝置初設(shè)結(jié)構(gòu)及其工作原理

該桿塔重物舉升裝置包括儲(chǔ)物箱、伸縮桿、升降控制箱和底座，承力結(jié)構(gòu)采用不銹鋼鋼管焊接，具有較高機(jī)械強(qiáng)度。升降控制箱固定安裝在底座上，升降控制箱內(nèi)部中空，其設(shè)有傳動(dòng)組件。伸縮桿的底部插入升降控制箱內(nèi)，且與傳動(dòng)組件傳動(dòng)連接，伸縮桿的頂部與儲(chǔ)物箱的底部固定連接，伸縮桿通過傳動(dòng)組件能夠帶動(dòng)儲(chǔ)物箱相對(duì)于升降控制箱進(jìn)行升降。

工作原理是通過采用手柄帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，將力矩傳導(dǎo)至鏈條使其做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使儲(chǔ)物箱可上下直線升降。固定底座包括滾輪③及機(jī)腳⑦，使用時(shí)可將裝置通過滾輪運(yùn)送到指定地點(diǎn)，從而達(dá)到節(jié)省人員運(yùn)輸體力的目的，滾輪自身帶鎖止機(jī)構(gòu)，可防止裝置在升降過程中發(fā)生位移；三個(gè)機(jī)腳在水平面上間隔180°分布，為可伸縮結(jié)構(gòu)，方便將裝置固定于地面不發(fā)生晃動(dòng)，并可通過螺母卡槽將機(jī)腳伸縮節(jié)可靠固定；通過對(duì)手柄⑤的圓周運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)器②變向旋轉(zhuǎn)，減速齒輪帶動(dòng)鏈條④使收縮桿⑥和儲(chǔ)物箱①做直線上下運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到傳遞工具的目的。其中手柄預(yù)留通用操作接頭，可通過更換為手持電動(dòng)螺絲刀等旋轉(zhuǎn)工具，達(dá)到節(jié)省人力、提升速度的功能，齒輪傳動(dòng)器內(nèi)采用正反雙剎自鎖，手柄停止轉(zhuǎn)動(dòng)后即自動(dòng)鎖止，防止手柄反轉(zhuǎn)和重物下落。

3 初代產(chǎn)品存在問題

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)操作試用，發(fā)現(xiàn)裝置存在以下問題：底座支架較小，使用時(shí)重心高，防側(cè)傾能力不足；不銹鋼材料密度較大，移動(dòng)時(shí)略顯笨重；齒輪鏈條嚙合傳動(dòng)工作時(shí)噪聲、震動(dòng)較大；伸展高度有限。

4 設(shè)計(jì)、材料和工藝優(yōu)化

針對(duì)第一代產(chǎn)品存在的不足之處，項(xiàng)目組人員考慮圍繞“小、輕、巧”的思路對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。“小”是為了保障裝置在狹窄空間能收放自如，同時(shí)方便收納和裝車運(yùn)輸；“輕”是在保障裝置具有足夠機(jī)械強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，盡量使用輕量化材料，以便人員節(jié)省操作體力；“巧”是保障裝置可靠工作的同時(shí)，使其具備快速拆卸、組裝的可能。相關(guān)調(diào)整優(yōu)化如下。

儲(chǔ)物箱：將其材質(zhì)由不銹鋼鋼板焊接更換為高分子樹脂材料熱成型，在不影響容積且堅(jiān)固耐用的同時(shí)減輕自身重量。在儲(chǔ)物箱四周外側(cè)裝設(shè)“O”型彈簧扣和尼龍繩，儲(chǔ)物箱被舉升至預(yù)定高度后，操作人將尼龍繩穿過桿塔空隙后用彈簧扣固定，使裝置上部與桿塔連接牢固，在裝置展開使用期間防止側(cè)傾意外發(fā)生。

傳動(dòng)組件：采用包括傳動(dòng)齒輪、主動(dòng)齒輪、主控伺服電機(jī)和傳動(dòng)鏈條的組合。動(dòng)力系統(tǒng)改為多級(jí)電缸，全部電缸同軸設(shè)置，電缸之間通過直線導(dǎo)桿與另一缸體的底部固定連接，位于頂部的電缸直線導(dǎo)桿與伸縮桿的底部固定連接，升降控制箱的一側(cè)側(cè)壁上設(shè)有分別控制各電缸啟動(dòng)的控制電路板及控制按鈕。傳動(dòng)齒輪安裝于伸縮桿的底部，主控伺服電機(jī)固定安裝于升降控制箱一側(cè)頂端的外部，其輸出軸穿過升降控制箱，且在升降控制箱的內(nèi)部與主動(dòng)齒輪固定套裝連接，主控伺服電機(jī)帶有就地控制器，且具備遠(yuǎn)程控制。傳動(dòng)鏈條的一端固定于升降控制箱內(nèi)一側(cè)的頂部，其另一端依次繞過傳動(dòng)齒輪和主動(dòng)齒輪后，固定于升降控制箱內(nèi)另一側(cè)的底部。升降控制箱的頂部設(shè)有對(duì)伸縮桿進(jìn)行升降導(dǎo)向的導(dǎo)向孔，伸縮桿可通過導(dǎo)向孔插入升降控制箱內(nèi)部。

底座：為矩形板體，為了保證裝置的穩(wěn)定性，采用可伸縮結(jié)構(gòu)，包括主支撐板和前、后伸縮板。其中升降控制箱固定安裝在主支撐板上，前、后伸縮板分別位于主支撐板的前后兩側(cè)，均通過導(dǎo)向桿與主支撐板伸縮式滑動(dòng)連接，其底部四角處設(shè)有滾輪。升降控制箱的兩側(cè)還對(duì)稱設(shè)有配重塊放置槽，通過配合配重塊進(jìn)一步保證裝置升降過程中的穩(wěn)定性。主支撐板上有水平尺，地面人員可以通過其指示調(diào)整伸縮板行程，使裝置底座與水平面平行，保障裝置在坡面或凹凸不平的地面正常平穩(wěn)工作。

5 試用情況

該桿塔重物舉升裝置使用時(shí)，可將接地線、驗(yàn)電器、絕緣手套等器材放置于儲(chǔ)物箱1內(nèi)，操作人員可輕裝攀爬桿塔。地面輔助運(yùn)行人員啟動(dòng)升降控制箱3，可依次按下控制電路板6上的控制按鈕，使若干電缸5中位于最底部的電缸5先啟動(dòng)；電缸5啟動(dòng)后，其直線導(dǎo)桿伸出，并帶動(dòng)其余電缸5及伸縮桿2、儲(chǔ)物箱1進(jìn)行上升；當(dāng)最底部的電缸5的直線導(dǎo)桿到達(dá)最大行程后，若上升高度不滿足需求，則再控制臨近底部的電缸5啟動(dòng)，直至伸縮桿2和儲(chǔ)物箱1上升至足需求高度即可。通過傳動(dòng)組件使伸縮桿2帶動(dòng)儲(chǔ)物箱1相對(duì)于升降控制箱3進(jìn)行升降時(shí)，首先啟動(dòng)主控伺服電機(jī)9，使其輸出軸反向轉(zhuǎn)動(dòng)，主控伺服電機(jī)9即帶動(dòng)主動(dòng)齒輪8使傳動(dòng)鏈條10與升降控制箱3內(nèi)一側(cè)的頂部的固定端至主動(dòng)齒輪8處的長(zhǎng)度變小，傳動(dòng)鏈條10即對(duì)伸縮桿2及儲(chǔ)物箱1產(chǎn)生向上的拉力，使伸縮桿2通過導(dǎo)向孔11進(jìn)行上升動(dòng)作；當(dāng)上升至足需求高度后，停止主控伺服電機(jī)9，使儲(chǔ)物箱1保持在該高度；作業(yè)結(jié)束后再次啟動(dòng)主控伺服電機(jī)9，使其輸出軸正向轉(zhuǎn)動(dòng)，受伸縮桿2及儲(chǔ)物箱1的重力作用，伸縮桿2下降收縮至升降控制箱3中。伸縮桿2通過升降控制箱3內(nèi)的傳動(dòng)組件帶動(dòng)儲(chǔ)物箱1及儲(chǔ)物箱1內(nèi)的器材、工具相對(duì)于升降控制箱3進(jìn)行升降；當(dāng)儲(chǔ)物箱1升至作業(yè)點(diǎn)處后，停止升降控制箱3，使儲(chǔ)物箱1保持在該高度，以便于操作人員根據(jù)需求從儲(chǔ)物箱1內(nèi)拿取器材、工具。

6 結(jié)語

本裝置適用于線路停電檢修時(shí)，輔助操作人拿取、放回所需工器具。通過地面運(yùn)行人員操作裝置，操作人在高處無需使用繩索進(jìn)行吊、放，即可達(dá)到傳遞工具的目的，幫助操作人員有效降低工作負(fù)荷，提升作業(yè)質(zhì)量和效率，保障人身、設(shè)備安全，具有較高的實(shí)用意義和推廣價(jià)值。