程林，王超東，呂金輝

（欒川龍宇鉬業(yè)有限公司，河南洛陽471500）

欒川龍宇鉬業(yè)有限公司的南泥湖鉬（鎢）礦區(qū)是以鉬為主的鉬鎢特大型礦床。主礦體東西長2 600 m，南北寬1 000～1 500m，最厚處439m，平均厚度128m，為欒川三大鉬礦之一［1］。

隨著公司的發(fā)展，礦山開采工程也在逐漸推進(jìn)，大型穿孔及鏟裝設(shè)備的用電問題亟待解決。但由于采場(chǎng)臺(tái)階變動(dòng)較快，采場(chǎng)高壓供電線路必須隨之移動(dòng)，考慮移動(dòng)方便和節(jié)省人力、財(cái)力等現(xiàn)實(shí)因素，采場(chǎng)高壓用電線路設(shè)計(jì)為移動(dòng)線桿供電方式。經(jīng)過對(duì)移動(dòng)線桿的整體設(shè)計(jì)、理論校核及線桿選型論證，證實(shí)了所設(shè)計(jì)的高壓移動(dòng)線桿能達(dá)到預(yù)期的穩(wěn)定性效果，為后期的高壓移動(dòng)線路架設(shè)提供了保障。

1 移動(dòng)高壓線桿的設(shè)計(jì)

針對(duì)南泥湖礦山公司采場(chǎng)的開采狀況，開采臺(tái)階不斷推進(jìn)，為了實(shí)時(shí)滿足設(shè)備作業(yè)時(shí)的用電需求，高壓線路也就必須隨之移動(dòng)。經(jīng)過大量的分析研究，設(shè)計(jì)出焊接式的高壓移動(dòng)線桿，主要是由高度12m、外徑219mm、壁厚7mm的無縫鋼管（帶腳蹬），45＃道軌（或工字鋼），┕70角鋼及少量鋼板焊接而成。設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示：

1.1 移動(dòng)高壓線桿設(shè)計(jì)高度的技術(shù)性分析

礦山目前使用的大型機(jī)械設(shè)備主要有：北方重汽車股份有限公司生產(chǎn)的TR100工程車、太原重型機(jī)械廠生產(chǎn)的WK－10B型電鏟、湖南有色重型機(jī)器有限公司生產(chǎn)的CS165E型潛孔鉆機(jī)等。高壓電是露天礦山的一個(gè)重大危險(xiǎn)源［2］，因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)移動(dòng)高壓線桿高度時(shí)，在遵循經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的原則下，充分考慮了礦山供電安全問題。其中潛孔鉆機(jī)在移動(dòng)時(shí)，整個(gè)鉆機(jī)高度小于TR100工程車的高度，故在設(shè)計(jì)移動(dòng)線桿高度時(shí)主要以TR100工程車和WK－10B型電鏟為例進(jìn)行分析。移動(dòng)線桿架設(shè)的線路包括水平方向的支線和跨越開采臺(tái)階的支線。礦山進(jìn)行開采工作時(shí)，工程車需要在水平支線下進(jìn)行移動(dòng)，電鏟需要在跨越開采臺(tái)階的支線下進(jìn)行移動(dòng)，具體分析如下：

1.1.1 移動(dòng)線桿水平架設(shè)線路安全性分析

圖1 移動(dòng)高壓線桿設(shè)計(jì)示意圖 ／mmFig.1 Design of mobile high－voltage telegraph pole

TR100工程車目前作為礦山主要運(yùn)礦設(shè)備，整個(gè)汽車長10.82m，寬5.15m，高4.575m。工程車是以后穿梭于高壓線下的最高車輛，由于安全規(guī)程規(guī)定：10kV高壓線豎直方向安全距離要≥1.5 m［3］，這就要求所架高壓線最低高度為6.1m。從熱脹冷縮角度考慮，架設(shè)線路必須留有一定弧垂，100m線垂度約0.8m左右［4］，故高壓線最低高度需要6.9m。從安全角度考慮，我們?cè)O(shè)計(jì)線桿高度為12m，此高度能完全滿足技術(shù)要求。線桿水平架設(shè)線路的情況如圖2所示：

圖2 水平架設(shè)線路示意圖Fig.2 Sketch map of level erecting poles

1.1.2 跨越開采臺(tái)階架設(shè)分支線路的安全性分析

WK－10B型電鏟是礦山目前使用的體積最大的設(shè)備，它和TR100工程車配套使用，主要用來給TR100工程車裝礦，它的高度為13.822m。礦山采場(chǎng)工作臺(tái)階寬度為60～80m、工作臺(tái)階高度為15 m，電鏟在平時(shí)工作時(shí)沿臺(tái)階內(nèi)側(cè)行走、作業(yè)。線桿高度選取12m，線桿高度加上臺(tái)階高度形成約25 m的高度空間，此高度空間完全能滿足電鏟安全穿越高壓支線進(jìn)行作業(yè)，圖3所示為線桿跨越臺(tái)階方向架設(shè)線路的情況。

綜上分析，在考慮到供電安全的前提下，我們?cè)O(shè)計(jì)移動(dòng)線桿高度定為12m。

圖3 跨越臺(tái)階架設(shè)線路示意圖／mmFig.3 Sketch map of spanning bench construction of poles

1.2 移動(dòng)高壓線桿焊接選材的技術(shù)性分析

移動(dòng)線桿上下直徑均為219mm，常用腳爬不能滿足這種線桿的攀爬需求，因此焊接了腳蹬以便攀爬作業(yè)。底座采用4m見方的道軌焊接而成，外廓尺寸是根據(jù)線桿的高度設(shè)計(jì)的（詳細(xì)論證見1.3），整體穩(wěn)定性較好。線桿與底座連接處加焊肋板，并用┕70角鋼斜撐桿體。底座四個(gè)角處加焊了三角鋼板形成三角平臺(tái)，再將斜撐角鋼兩頭適當(dāng)彎曲分別焊接于三角平臺(tái)，這樣增大了焊接面積，提高了焊接質(zhì)量，保證了線桿結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。線桿若處在電線較大轉(zhuǎn)角使用且無法打拉線時(shí)，可以給轉(zhuǎn)角桿處加上配重塊，使線桿在承受多向力的情況下依然穩(wěn)固?？紤]到線桿的整體效果，可利用底座兩邊的空間和道軌上下寬度差，放置配重塊（材質(zhì)：灰口鑄鐵HT20—40）。

1.3 移動(dòng)高壓線桿穩(wěn)定性校核

將高壓移動(dòng)線桿簡化后進(jìn)行受力分析，如圖4所示。經(jīng)分析，電線桿所受合力方向是沿著對(duì)角線方向偏移的。由于對(duì)角線方向底座所能承受的力最小，為了確保受力校核準(zhǔn)確性，對(duì)電線桿底座沿對(duì)角線的方向進(jìn)行受力計(jì)算。

圖中基本尺寸是：AB＝12 000mm；DC＝CE＝ 3 459mm；BC＝2 500mm；DB＝BE＝2 391mm；

∠DCB＝44°。

校核基本公式為：∑X＝0，∑Y＝0，

對(duì)高壓線桿實(shí)例形狀及放置方式進(jìn)行分析，豎直方向電線桿直接焊接在道軌上，而道軌直接放置到地面上，所以豎直方向受力平衡，不需要校核。

圖4 受力分析圖Fig.4 The graph of force analysis

由B點(diǎn)力矩平衡，即∑MB（F）＝0，有：

校核時(shí)取FA最大受力情況進(jìn)行計(jì)算。

作用在A點(diǎn)的力由4部分組成，分別是：電纜的拉力Fd，操作員的重量Fr，電線桿重力沿水平方向的分力Fg和所受的風(fēng)力Fi。

電纜3.8kg／m，取電纜100m計(jì)算，則Fd＝ 3 724N，人員重量取75kg，則當(dāng)有一人在電線桿上操作時(shí)，則Fr＝735N。

電線桿在放置到地面之前均需對(duì)地面進(jìn)行平整，假如平整得不夠水平，取最大斜度為15°，則電線桿重力沿水平方向的分力為：

Fg＝440×9.8×sin15°＝1 121.12N

風(fēng)力包括了兩部分，對(duì)電線桿的作用力Fi1和對(duì)電纜Fi2的作用力。計(jì)算時(shí)取風(fēng)級(jí)為6級(jí)，其壓強(qiáng)大小為：

其中：ρ＝1.2258kg／m3，c＝0.7，v＝12m／s。

又F＝P×S，則：風(fēng)力作用在電線桿上的力：Fi1＝256.1N

風(fēng)力作用在電纜上的力：Fi2＝1 842.9N

校核時(shí)按最大受力情況計(jì)算，將作用在A點(diǎn)的力均施加在同一方向，如圖3所示。此時(shí)有：FA＝Fd＋Fr＋Fg＋Fi1＋Fi2＝7 679.12N

代入公式：FA×AB＝2FDCy×DB

則：FDCy＝FA×AB／（2DB）＝19 270.1N

故：FDC＝FDCy／cos44°＝26 790.1N

查得┕70角鋼的屈服強(qiáng)度為355MPa［7］。則角鋼實(shí)際屈服所需要的最小力Fj為：

由于FDC＝26 790.1N＜＜Fj＝239 625N，則高壓線桿能滿足支撐強(qiáng)度要求。

而且線桿的B端是焊接在道軌上，且還有鋼板、肋板的加固，這就更確保了電線桿的穩(wěn)定性。

綜上校核，移動(dòng)高壓線桿的穩(wěn)定性達(dá)標(biāo)，滿足使用條件。

1.4 線桿壁厚取為7mm的技術(shù)性分析

對(duì)于細(xì)長型管截面Fa根據(jù)式3［6］進(jìn)行計(jì)算：

式中：Fa是線桿的法向受力，D是線桿的直徑，t是線桿的壁厚，F(xiàn)y是線桿軸向受力。由1.3節(jié)可知：Fa1＝7 679.12N，F(xiàn)y＝19 270.1N，將Fy＝19 270.1N代入以上公式，對(duì)Fa1進(jìn)行校核，有：

由于Fa＝7 729.2N＞Fa1＝7 679.12N，即就是當(dāng)線桿承受最大軸向力的情況下，所能承受的最大法向力比理想中加載的最大的法向力還要大。事實(shí)上加載的這些力不可能同時(shí)存在，實(shí)際中線桿所承受的力比校核時(shí)加載的力要小的多。

查得線桿所用無縫剛管的屈服強(qiáng)度是355 MPa，由此可以算出線桿的屈服力Fm是：

故線桿材料的屈服強(qiáng)度滿足要求，且線桿厚度選取的恰到好處，達(dá)到了技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的要求。因此線桿厚度取為7mm具有明顯的技術(shù)優(yōu)越性，比較合理。

1.5 移動(dòng)高壓線桿在礦山采場(chǎng)的試驗(yàn)情況

2010年11月26日，在龍宇鉬業(yè)南泥湖露天礦山東采區(qū)進(jìn)行移動(dòng)線桿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

首先，使用推土機(jī)對(duì)設(shè)計(jì)的移動(dòng)高壓線桿進(jìn)行了移動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括：在小于10%的坡面上移動(dòng)、在礦石阻擋下移動(dòng)、小角度旋轉(zhuǎn)等。試驗(yàn)結(jié)果表明，高壓移動(dòng)線桿的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均達(dá)到了設(shè)計(jì)效果，并且線桿移動(dòng)方便、靈活、移動(dòng)效率高，能夠適用于礦山復(fù)雜的地理環(huán)境，為后期高壓移動(dòng)線路架設(shè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

其次，對(duì)設(shè)計(jì)的移動(dòng)線桿進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，即從2011年1月利用移動(dòng)線桿架設(shè)的高壓移動(dòng)線路投入礦山現(xiàn)場(chǎng)使用至今。使用結(jié)果表明：移動(dòng)線桿設(shè)計(jì)的高度、選擇的材質(zhì)、以及設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠完全滿足礦山的供電需求，穩(wěn)定性好、機(jī)動(dòng)性高、安全性高，能夠適應(yīng)礦山在采裝作業(yè)中的供電需求，為礦山以后生產(chǎn)能力的提高奠定了基礎(chǔ)。礦山供電網(wǎng)絡(luò)使用移動(dòng)線桿前后比較情況如表1所示。

表1 普通線桿與移動(dòng)線桿使用比較Table 1 Comparison between ordinary pole and mobile pole

2 移動(dòng)高壓線桿的應(yīng)用

在設(shè)計(jì)出移動(dòng)高壓線桿的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦山露天采場(chǎng)的實(shí)際地形，設(shè)計(jì)并架設(shè)了合理的供電網(wǎng)絡(luò)體系，以滿足生產(chǎn)需求。南泥湖露天采場(chǎng)架設(shè)的部分移動(dòng)高壓線路如圖5所示。

圖5 南泥湖露天采場(chǎng)移動(dòng)高壓線桿應(yīng)用圖Fig.5 Mobile high－voltage poles used in Nannihu open－pit mine

3 結(jié)語

露天礦山在開采過程中，由于采場(chǎng)臺(tái)階的推進(jìn)，采場(chǎng)高壓供電線路必須隨之移動(dòng)，而固定的高壓線路顯然不能滿足礦山的實(shí)際需求。架設(shè)移動(dòng)高壓線路是適合礦山露天開采的最佳選擇，它為礦山進(jìn)行高效生產(chǎn)、安全生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的支持，而架設(shè)移動(dòng)高壓線路的關(guān)鍵技術(shù)就是設(shè)計(jì)一種技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的移動(dòng)高壓線桿。

移動(dòng)高壓線桿的設(shè)計(jì)及應(yīng)用可以為露天礦山供電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供必要條件。用移動(dòng)線高壓線桿來架設(shè)的高壓線路排除了各種惡劣環(huán)境的限制，既能方便快捷地實(shí)現(xiàn)線路移動(dòng)整改，適應(yīng)臺(tái)階的推進(jìn)開采，又能為大型鏟裝設(shè)備供電，大大降低了礦山企業(yè)的生產(chǎn)成本，對(duì)礦山后期生產(chǎn)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］ 長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院.欒川龍宇鉬業(yè)有限公司南泥湖15000t／d采選工程初步設(shè)計(jì)書［R］.2006：3－5.

［2］ 王本清.露天礦山供電系統(tǒng)安全性評(píng)價(jià)與對(duì)策［J］.礦山機(jī)械，2003（6）：31－35.

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［4］ 中華人民共和國建設(shè)部.GB50052－1995供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，1996.

［5］ 劉鴻文.材料力學(xué)［M］.4版.北京：高等教育出版社，2004：292－295.

［6］ 呂瑛波，王 影.機(jī)械制圖手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：110－112.

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