配电网架空线路施工多功能车的设计和应用

0引言

配电网作为电力系统的重要组成部分,是电力传输到用户的关键环节。随着经济发展对供电可靠性要求逐步提升,配电网的作用愈来愈重要,配电网建设也成为提升供电质量的重要步骤^[1—3]。当前,电网公司正在推进配电网工程施工转型升级,并将机械化作业作为施工转型重要内容,要求针对不同配网建设施工场景编制机械化施工方案,打造“机械作业为主、人工作业为辅”的施工新模式。

配电网建设包含基础施工、杆塔组立、导线架设和金具安装等内容,其中基础施工和杆塔组立机械化程度相对较高,而导线架设和金具安装机械化程度较低。导线架设具有作业时间长和施工强度高的特点,一直是困扰着配电线路施工的难题。在长期的实践中,电力员工不断进行配电网施工设施的改进。文献[4]针对带电提升导线和架空地线的问题,基于带电作业车设计了一款可实现导线和架空地线提升的装置。文献[5]针对10 kV配电线路设计了一款高空带电作业旋转平台,能够绕电杆320O旋转,上下升降。文献[6]通过对起升机构受力计算和站人平台有限元分析,优化与改进登高作业车,使其升降更加稳定,同步精确度更高。文献[7]分析了车载式高空作业车在配电线路作业中的应用,提出了相关的安全防范措施。

鉴于此,本文主要针对配网架线施工安全风险高、作业效率低的难题,设计了具有独立悬挂的履带底盘、多级带载的伸缩臂、高空作业平台、数字化导线展放系统、智能化感知系统的配电网架空线路施工多功能车,以适应复杂环境架线施工的需要。

1配网架线施工车的功能分析

配网架线施工车主要是用于电力线路设备的起吊、杆塔横担与金具的安装、导线的展放与牵引操作^[8—10]。相关统计数据表明^[10—15],在配电线路施工中,常见的机械化施工作业车主要是小型化叉吊一体 车、伸缩臂叉装车、伸缩臂高空作业车等,详细分析如表1所示。

综上可知, 目前常见的配电线路施工车的改进主要需考虑以下四点:

1)配网架线施工车需要进行设备的吊装、横担和金具的高空组装、导线的牵引与展放,因此要具备高空作业、设备吊装、展放导线功能,才能满足配电线路的架线施工要求。

2)配电网的改造还需要深入到山地、丘陵等地区,需要完成田野及狭小泥泞、农村公路、崎岖山路、小弯窄路面等场景下的施工作业,因此配网架线施工车需要设计适应复杂地形行进的方式。

3)配网架线施工车缺乏安全管控系统,难以满足智能化的施工要求,因此需要考虑作业平台的自动避障、带电距离预警、防倾覆自动预警、安全接地等功能。

4)随着精细化管理的推进,需要实时掌握施工状态,而配网架线施工车普遍缺乏数字化的信息交互和智能化的前端监控,因此需要考虑与现有通用的配网工程管控系统进行数据交互。

2配网架线施工多功能车的设计

配网架线施工多功能车如图1所示,主要包含履带底盘、动力装置、回转机构、伸缩臂、导线展放装置、吊机系统、转换装置、高空作业台等。

履带底盘主要是方便在复杂环境中行走,其上安装有回转机构、导线展放装置、货箱、液压支腿、电控箱等。回转机构能够实现伸缩臂的旋转运动。导线展放装置能够实现导线的展放和牵引。液压支腿在行走过程中收起,在安装起吊过程中放下。

伸缩臂主要是用于重物起吊、物件安装的延伸装置。其下端固定端铰接在回转机构上,上端安装有吊机系统和转换装置。吊机系统有相应的绳索系统,是实现重物起吊的关键装置。转换装置连接飞臂,飞臂通过转换装置可以在收纳状态和工作状态之间转换。飞臂在收纳状态时,固定在伸缩臂的固定端上;在工作状态时,飞臂固定在伸缩臂的伸缩端上,有利于工作台的灵活操作。工作平台通过快换装置与飞臂可拆卸连接,其上安装有横担辅助工装。

2.1履带底盘设计

履带底盘是解决复杂地形难行驶、工作状态难稳固问题的关键装置,主要包含副车架、液压支腿和底盘下装三大部分,详细如图2所示。其中副车架上还安装有液压系统、动力系统和电控系统。四个液压支腿对称安装在底盘下装的前后两侧。

底盘下装包括履带、车架、驱动轮、多个履带轮、摇臂悬挂、托轮、张紧油缸、张紧轮和缓冲器等。图3为底盘下装结构示意图,车架两外侧分别对称铰接两组摇臂悬挂,同侧的两组摇臂悬挂处于同一水平高度并以车架长度中心为对称轴对称布设。两组摇臂悬挂之间还安装有托轮,每组摇臂悬挂上对称安装有两个履带轮。

车架两外侧的前后两端分别安装有驱动轮和张紧轮,张紧轮的转轴安装在摆臂上,摆臂的一端铰接在车架上,另一端与张紧油缸的活塞杆端铰接,张紧油缸的缸筒端固定在车架上,通过张紧油缸伸缩使张紧轮摆臂摆动实现对履带的张紧。

当行驶在崎岖路面时,履带遇到障碍物产生的冲击能量,通过张紧油缸回缩,以液压油回流的形式使缓冲器压缩,使冲击能转换为压缩能,减少对车体的冲击,可满足田野及狭小泥泞、农村公路、崎岖山 路、小弯窄路面行驶。

2.2 多功能臂架设计

多功能臂架是物件起吊、工作台移动的支撑装置,主要包含回转机构、伸缩臂、吊机系统、转换装置、飞臂等。

伸缩臂结构示意图如图4所示,包括基本臂和安装在基本臂上的多个滑动套装在一起的臂节。伸缩臂下端与回转机构连接,上部有起吊系统和连接耳座。回转机构包含转台、回转支承和变幅油缸臂架,其中回转支承的固定端固定在副车架上,回转支承的活动端上安装有转台,能够实现伸缩臂的旋转运动。变幅油缸臂架的一端铰接在转台上,另一端铰接在伸缩臂的中部,为伸长状态的臂架提供支撑。

起吊系统包含卷管器、卷线器、滑轮组、吊钩和钢丝绳,整体形成物件的起吊系统。伸缩臂最末端臂节装有连接耳座,用于连接飞臂与工作台。

飞臂用于连接伸缩臂和工作台,其结构如图5所示,主要包括连接支架、调平油缸、变幅臂、飞臂变幅油缸、连杆机构和连接装置等。飞臂与伸缩臂的连接、与工作台的连接如图6所示,飞臂通过连接支架与最末端臂节可拆卸连接,使得飞臂具有工作状态和收纳状态。

飞臂在工作状态时 ,整机为横担安装状态 ,高空 作业平台通过快换装置可拆卸连接在飞臂上 。此时 连接支架上两组单耳板分别与最末端臂节两侧的连 接耳座的两个耳座通过锁定轴铰接 , 从而实现飞臂 与伸缩臂的连接 ,通过伸缩臂实现飞臂的伸缩。
飞臂在收纳状态时 ,整机为吊装形态 ,可以实现 电杆、配变等配电网架设备的吊装和安装。此时需要拆除一组单耳板与连接耳座上的锁定轴,使得连接支架可绕另一组单耳板上的锁定轴旋转,推动飞臂绕该侧锁定轴旋转至与基本臂平行,使得飞臂置于支撑锁定架的上方,飞臂通过支撑锁定架支撑,利用螺栓将飞臂与支撑锁定架相对位置固定,再拆除该侧锁定轴,此时飞臂固定在基本臂上,与最末端臂节完全脱离。

2.3 高空作业平台设计

高空作业平台是横担、金具等安装的重要装置,包括操作盒、脚轮、工作斗和雷达等,如图7所示。

工作斗四周设有栏杆 ,其一侧为与横担辅助安装装置连接的安装区,另一侧为与快换装置连接的连接区。操作盒内设有控制器,可以控制飞臂的动作。脚轮安装在工作斗的底部,用于支撑和在路面上移动工作斗。工作台的保护装置主要是基于倾角传感器和雷达实现保护。倾角传感器安装在工作斗上,用于检测工作平台倾角值,为工作平台调平提供数据。雷达安装于工作斗四周,用于平台避障。

快换装置包括快换架、摆动缸、快换固定架、快换连杆和连接轴,如图8所示。快换架包括两平行布设的支撑板,在其顶部固定有水平布设的用于与飞臂连接的传力轴,飞臂通过连接装置与传力轴连接,从而实现动力传动。摆动缸的固定端安装在快换架上,活动端通过连接轴与快换固定架固定连接,摆动缸能驱动快换固定架水平摆动。

工作平台的连接区有竖直设置的安装柱,快换固定架安装在安装柱上,即可实现与快接装置的连接。在快换装置与工作平台之间有压力传感器,可以计算工作平台及其内部所有载重,保证总负载在限定范围内,防止过载造成的事故发生。

横担辅助安装装置包括直线移动机构、限位块、滑轨和横担座,详细如图9所示。直线移动机构沿竖直方向安装在工作平台上,其活动端设置在工作平台外侧且沿竖直方向移动,活动端上安装有两个横担座,间距大于电杆的外径。横担座上安装有一个水平布设的滑轨,两个滑轨相互平行布设,两个滑轨之间的间距大于电杆的外径。

横担辅助安装装置设有蜗轮蜗杆升降机,通过其运转实现上滑块组和下滑块组同步靠近和相互远离的动作,从而实现横担座架在展开状态和收纳状态之间的转换。在收纳状态时,两根连接杆相互靠近且间距最小,横担座为竖直布置,如图10(a)所示。在展开状态时,两根连接杆相互远离且间距最大,此时横担座为水平布置,如图10(b)所示。

2.4 导线展放装置设计

导线展放装置包括液压双卷筒绞磨、尾绳架和放线滑车,液压双卷筒绞磨和尾绳架均固定在副车架上,放线滑车安装在电杆顶部横担上。

液压双卷筒绞磨是用于给导线提供牵引力的装置,包含动力和监测两大模块。液压双卷筒绞磨的动力系统包括绞磨液压阀组、绞磨压力传感器、绞磨液压马达、绞磨减速机、绞磨转速传感器、绞磨齿轮箱、双轮卷筒、绞磨连接架和绞磨底架,如图11所示。绞磨液压马达通过绞磨液压阀组与液压系统连接,从而实现牵引导线的功能。液压双卷筒绞磨的压力监测系统包括监测绞磨液压马达液压油压力的绞磨压力传感器以及监测双轮卷筒转速的绞磨转速传感器。当绞磨压力传感器超过预设值,将发出警报。同时卷扬采用电比例控制 , 实现无极调速和牵引力的 控制 ,实现导线数字化展放 ,达到精准控制的目的。

尾绳架主要是通过尾绳液压马达驱动的线盘来 收卷或释放导线 ,主要包括线盘、往复排线机构、尾 绳液压阀组、线盘支架、尾绳液压马达和同步传动机 构等 ,详细如图12所示。

线盘通过转轴可转动安装在线盘支架上 ,排线 轴与线盘的转轴平行布设 。尾绳液压马达的输出端 与同步传动机构输入端连接 , 同步传动机构的两个 输出端分别与线盘的转轴以及排线轴连接 , 同步传 动机构带动线盘的转轴和排线轴同步转动 。往复排线机构通过排线轴安装在线盘支架上,当排线轴旋转即可带动往复排线机构沿排线轴轴向往复移动,导线通过往复排线机构进入线盘,往复排线机构带动导线沿线盘轴向有序收放,能有效防止线缆缠绕打结。

2.5 智能化车辆管理系统设计

为加强对施工车辆和作业现场的管控,需采集多功能车的运行状态及关键指标等数据。在车架上安装了车载应用平台,能采集车辆的油量、速度、位置等信息,通过在车架上部署温度、湿度、风速传感器采集环境信息,结合在伸缩臂、工作台、起吊系统的压力传感器和雷达传感器采集工作状态信息。通过无线网络接入,将数据加密传输到中转站,后台通过访问中转站数据就可完成作业车辆管理、工程坐标数据同步,实现车辆智能导航定位作业、现场安装工艺照片及视频回传、整车预警及故障诊断分析等,详细如图13所示。

如此形成车—网—云的闭环应用连接,作业人员通过车载应用平台的数字化屏幕实现数字化精准操控,能对整车的状态进行实时监测预警,实现车载应用平台与配网施工管控系统的数据交互。

3配网架线施工多功能车的性能要求

配网架线施工多功能车的性能要求如表2所示,整车空载重量不大于10t,最高行驶速度不低于10km/h,爬坡度不小于60%,功率不小于50 kw/2100 r/min,最大扭矩不小于290 N•m,要求能够有效跨越0.5 m障碍和0.8 m壕沟。车辆行驶里程为80 km,能够满足40 km行驶、20 h连续作业要求。

架线施工多功能车的起吊最大重量为2.5 t,最大 吊幅为4 m,最大吊高为10 m。在吊高5 m、吊幅4 m情况下起吊重量不低于2 t;吊高10 m、吊幅4 m情况下起吊重量不低于0.5 t,能够满足配电线路施工常见金具、变压器、混凝土电杆的起吊。

架线施工多功能车的伸缩臂配备了高空作业平台,其负载达到300 kg,最大作业高度15 m,能够满足2人同时开展作业,作业高度满足绝大部分混凝土电杆的作业要求。

架线施工多功能车的液压绞盘水平牵引为3 t,牵引速度为5~30 m/min,具备无极调速能力,收线盘收线能力为φ12直径导线可达600 m,能够满足常规导线牵引需要。

4架线施工多功能车的操作步骤

架线施工多功能车的操作包含设备吊装、高空平台作业、导引线展放三大类型。

4.1 设备吊装

设备吊装主要包含支平车体、固定物件和起吊物件三个步骤,具体如下。

1)支平车体。当车辆到达指定位置时,首先推动液压支腿旋转到工作位置,然后锁定液压支腿的水平位置,启动支腿油缸动作,带动支腿和支撑座向下翻转,四个液压支腿通过液压系统和自动调平系统统一控制,将底盘顶升脱离地面。控制系统能够依据支腿油缸的伸缩量来调平副车架,使车体处于水平状态。

2)固定物件。进行设备吊装时,整机处于吊装状态,飞臂应在收纳状态。先拆卸飞臂一侧连接耳座与连接支架,使飞臂旋转折叠到靠近基本臂且与基本臂平行的状态,再拆除另一侧连接耳座与连接支架,使得飞臂与最末端臂节完全脱离。

然后结合起吊物件形状和重量,设置相应的起吊绳,进行电杆吊装时,需要在电杆中部绑扎固定绳,另一端系于吊钩处,同时结合伸缩臂末节安装的固定夹头,将抱箍固定在电杆杆身,如图14(a)所示。进行变压器吊装时,应结合变压器质量,选择合适绳索,采用合适的吊装方式,将绳索上端系于吊钩处,详细如图14(b)所示。

3)起吊物件。物件的起吊主要通过伸缩臂的伸缩、伸缩臂的回转、吊钩的升降来控制。伸缩臂主要是基于基本臂和安装在基本臂上的多个滑动套装臂节,通过液压系统控制,实现伸缩操作。伸缩臂的回转是基于伸缩臂下端的回转机构,通过动力系统驱动可以带动回转机构的转台做旋转运动,从而实现伸缩臂的回转。吊钩的升降主要是基于伸缩臂末端的滑轮组和液压绞车,通过钢丝绳将液压绞车与滑轮组连接,液压绞车正反转就可实现对吊钩的升降。通过控制三者就能够将物体起吊至指定位置。

4.2 高空平台作业

高空平台作业主要是架线施工中的金具安装、横担安装等操作。操作步骤包含支平车体、安装作业平台、移动作业位置、物件安装操作等。支平车体如4.1所述,其他操作如下。

1)安装作业平台。高空平台作业时,飞臂应处于工作状态,此时需要将连接支架上两组单耳板分别与最末端臂节两侧的连接耳座的两个耳座通过锁定轴铰接,使得飞臂与伸缩臂连接,通过伸缩臂实现飞臂的伸缩。

初始状态时,高空工作平台置于地面上,快换固定架在自重的作用下绕快换连杆相对安装柱向下移动,抬升快换装置时,快换固定架相对安装柱向上移动,此时顶杆与顶板接触。通过连接装置的上下摆动可以实现与快换装置快速对接,通过保险插销的安装和拆除即可完成连接装置与快换装置的快速连接和拆卸,从而实现工作平台的快速连接和拆卸。安装好的高空作业平台如图15所示。

2)移动作业位置。高空作业平台的移动除了基于伸缩臂的伸缩、回转台的旋转之外,还有飞臂的变幅和摆动缸的摆动,如图16所示。

飞臂上的变幅油缸通过伸缩运动可以实现飞臂的变幅运动,快换装置内的摆动缸可以实现工作平台的水平摆动,如此在固定的伸缩臂状态下,工作平台依然可以小幅度动作,增加了工作平台动作的维度和控制精度。

高空作业平台上有操作盒可以作为控制中心,施工人员可以在工作平台上进行下降或举升的控制。除此之外,工作平台上装设有雷达和倾角传感器,能够实现工作平台自动调平、防撞预警、移动避障等功能。

3)物件安装操作。物件安装中横担安装工序较为复杂,本操作以此为例分析。首先将横担直接平放在滑轨的滑动件上,然后利用直线移动机构与滑轨的配合,使得横担安装台处于收纳状态。当将横担举过电杆顶部时,调整蜗轮蜗杆升降机,使得横担安装台处于工作状态。然后进行横担下放到电杆安装位置的操作,最后进行横担的安装操作。

在使用过程中,通过蜗轮蜗杆升降机的运转实现上滑块组和下滑块组同步靠近和相互远离的动作,从而实现横担座在展开状态和在收纳状态之间的转换。当需要对滑轨的高度进行整体调整时,将限位分度销拔出,并将螺母通过插销与止动杆连接固定,此时驱动蜗轮蜗杆传动机构,连接杆和止动杆同时向上或向下移动,即可实现滑轨整体的上下调节,进一步提高横担安装的精确性,如图17所示。

4.3 导引线展放

导引线展放前需要支平车体,在车体处于水平状态后,先将放线端的牵引绳与导线相连,通过无人机将牵引绳跨越至各电杆,并通过人工将牵引绳穿过放线滑车,后将牵引绳缠绕在双轮卷筒上,再通过往复排线机构进入线盘。通过启动液压双卷筒绞磨,即可实现对导线的牵引。同时,通过双轮卷筒的转速同步控制尾绳液压马达,实现双轮卷筒与线盘收线速度的统一。导线展放装置示意图如图18所示。

架线施工中导线载荷受弧垂和档距的影响,弧垂和档距越大,导线荷载将越大,严重时将会引发牵引绳断裂、滑车损坏、电杆拉倒等事故。控制系统中预设了销轴测力传感器和绞磨压力传感器,当监测到销轴测力传感器的压力超过预警值时,表明弧垂过大,可以通过控制绞磨液压马达提速,从而减小弧垂。当监测到绞磨压力传感器的压力超过预警值时,表明导线牵引力过大,此时通过控制绞磨液压马达减速,防止牵引绳断裂。如此可以防止导线牵引力过大或过小,以免操作不当或不及时引起相关事故。

5配网架线施工多功能车的现场测试

2024年4月对多功能车进行了现场测试,如图19所示。相关测试结果显示,多功能车能够适应复杂地形的行驶,并按照设计要求完成变压器的吊装、高空作业平台的更换、高空平台作业、导线的牵引等任务,符合实际需求。

6 结论

配变、电杆、横担安装及导线展放是配电网架设过程中的重要组成工序,为解决配电网架设机械化施工中作业车辆功能单一、复杂地面适应能力差、安全风险高的难题,本文介绍了配电线路施工多功能车的设计,具体如下:

1)进行了配网架线施工车的功能分析,明确要求集合设备吊装、横担和金具高空组装、导线牵引与展放等功能;其次需要设计适应复杂地形的行驶方式;同时还要兼顾安全和精细化管理的需要。

2)开展了配网架线施工多功能车的设计,主要包含履带底盘、多功能臂架、高空作业台、导线展放装置、智能化车辆管理系统等的设计。

3)分析了架线施工多功能车的性能,说明了设备吊装、高空平台作业、导引线展放的操作流程;进行了多功能车的现场测试,测试结果表明其能够满足配电网施工作业需求。

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2024年第20期第4篇