張文濤 李 凱 余漢偉 張必余

（安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

目前，送變電行業(yè)立塔、架線施工現(xiàn)場(chǎng)使用的機(jī)動(dòng)絞磨，尾繩留繩均采用人工收放，施工過程中人員投入多且存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。在人力成本驟增、安全形勢(shì)嚴(yán)峻的今天，這種方式顯然已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代施工企業(yè)的需求。為進(jìn)一步落實(shí)國(guó)網(wǎng)公司“機(jī)械化代人、智能化減人”的工作思路，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)擬進(jìn)行機(jī)動(dòng)絞磨尾繩自動(dòng)收放機(jī)的研制[1-5]。

該類設(shè)備早在2015年已有施工企業(yè)投入研發(fā)，當(dāng)時(shí)的產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)尾繩自動(dòng)收放的基本功能，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)體質(zhì)量大以及操作不便等問題，不具備現(xiàn)場(chǎng)推廣使用條件。2021年，國(guó)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)公司研制出液壓傳輸?shù)奈怖K自動(dòng)收放機(jī)，與機(jī)動(dòng)絞磨通過油管共用油泵，通過切換油路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收繩的功能，但存在零件多、運(yùn)輸組裝復(fù)雜的缺點(diǎn)，仍缺乏現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用及推廣價(jià)值。目前，國(guó)內(nèi)電網(wǎng)施工企業(yè)急需一款功能齊全、安全性能高且輕巧便捷的自動(dòng)化收繩設(shè)備。

1 工作原理

1.1 設(shè)計(jì)目的

該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研制的尾繩自動(dòng)收放機(jī)，主要用于輸電線路施工過程中絞磨尾繩的自動(dòng)收卷和松放。收放機(jī)可自動(dòng)識(shí)別機(jī)動(dòng)絞磨收、放繩狀態(tài)，實(shí)施隨動(dòng)使絞磨尾繩盤與絞磨滾筒間始終保持有效張力，可完全替代絞磨使用過程中的2名尾繩留繩人員，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)3人配合操作向單人操作的進(jìn)階。

根據(jù)功能需求，尾繩自動(dòng)收放機(jī)由架體、收繩線盤、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)和排繩器等組成。對(duì)尾繩收放裝置進(jìn)行三維建模，模型如圖1所示。其中收繩線盤用于盤繞絞磨尾繩；鋼軸用于支撐收繩繩盤；電機(jī)減速器用來為整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)提供動(dòng)力；架體用來支撐整個(gè)結(jié)構(gòu)；排線器螺桿用來為排線器提供軌道；排線器導(dǎo)桿用來為排線器提供導(dǎo)向作用。

圖1 尾繩收放裝置模型圖

1.2 設(shè)計(jì)原理

為了達(dá)到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和質(zhì)量輕便的要求，將收繩線盤和減速機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)集中在同軸上，取消了齒輪傳動(dòng)的冗余結(jié)構(gòu)。同時(shí)把控制器和充換電插口設(shè)置為單獨(dú)的結(jié)構(gòu)單元，通過線束連接，大大節(jié)省了架體的空間體積，減小了架體質(zhì)量。收繩線盤的軸通過軸承與架體相連，采取U型口插銷的方式固定，待施工結(jié)束后方便拆卸轉(zhuǎn)場(chǎng)。

該尾繩自動(dòng)收放機(jī)通過地錨錨固在機(jī)動(dòng)絞磨側(cè)后方，將機(jī)動(dòng)絞磨尾繩卷入收放機(jī)卷繩盤，動(dòng)力源伺服電機(jī)采用力矩控制原理，保持收繩盤恒扭矩，達(dá)到在絞磨工作時(shí)同步收、放繩的效果。

2 設(shè)計(jì)及校核計(jì)算

為了驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)的尾繩自動(dòng)收放機(jī)能否滿足正常施工要求，該文對(duì)該尾繩收放機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，該文選取的各種受力工況均為最不利工況。以特高壓工程建設(shè)為例，特高壓組塔施工多采用走二走二的鋼絲繩穿法，一般塔高120 m左右，因此設(shè)計(jì)卷線器最大容繩量為600 m，該次選用Φ15.5鋼絲繩為研究對(duì)象，每米鋼絲繩質(zhì)量為0.847 5 kg，因此鋼絲繩總重G=5085 N，G卷線輪架=820 N，G中心軸=85 N。該文選用材料為Q235鋼，安全系數(shù)取1.5，如公式（1）所示。

式中：[σ]為許用應(yīng)力；[τ]為剪切應(yīng)力。

2.1 中心軸剛度校核：彎曲應(yīng)力

該尾繩收放機(jī)的主要受力部件為中心鋼軸，因此對(duì)該軸進(jìn)行受力分析，將軸進(jìn)行模型簡(jiǎn)化后如圖2所示。

圖2 重心鋼軸受力簡(jiǎn)化圖

2.1.1 支座反力FA、FF。

首先，求支座反力FA、FF。

由平衡方程ΣMA=0、ΣMF=0分別計(jì)算支座反力，如公式（2）所示。

變形得到公式（3）。

式中：F為支座反力；M為彎矩；l為桿長(zhǎng)。

2.1.2 列剪力和彎矩方程

該軸系統(tǒng)共受5個(gè)力作用，分別列舉各段剪力及力矩方程。

AB段，如公式（4）所示。

BC段，如公式（5）所示。

CD段，如公式（6）所示。

DF段，如公式（7）所示。

式中：Fs為剪力；M為彎矩。

該文中鋼軸所選用的材料為Q235鋼，其中AD段為圓形截面，直徑為45 mm，DE段為方形截面，邊長(zhǎng)為30 mm。由彎矩圖可知，危險(xiǎn)截面位于D點(diǎn)和O點(diǎn)。

圓形截面的彎曲截面系數(shù)如公式（8）所示。

方形截面的彎曲截面系數(shù)如公式（9）所示。

D點(diǎn)截面處的應(yīng)力如公式（10）所示。

O點(diǎn)截面處的應(yīng)力如公式（11）所示。

式中：Wz為彎曲截面系數(shù)；M為彎矩；σ為應(yīng)力。

2.2 中心軸強(qiáng)度校核：扭轉(zhuǎn)應(yīng)力

為求該中心鋼軸工作狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，建立模型如圖3所示。其中A截面為銷釘接觸面截面；B截面為方形截面；C截面為圓形截面。

圖3 中心鋼軸圖

分別取截面A、截面B、截面C進(jìn)行強(qiáng)度校核。

截面A處扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)如公式（12）所示。

截面B處扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)如公式（13）所示。

截面C處扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)如公式（14）所示。

由強(qiáng)度條件如公式（15）所示。

截面A處如公式（16）所示。

截面B處如公式（17）所示。

截面C處如公式（18）所示。

式中：W為扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)；τ為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

該例中扭矩為T=8.4 N·m，因此該中心鋼軸的設(shè)計(jì)滿足使用要求。

2.3 銷釘受力分析

該例中軸與軸套通過銷釘Φ12銷釘進(jìn)行連接，該銷釘為主要受力部件，對(duì)此銷釘進(jìn)行強(qiáng)度校核。由運(yùn)動(dòng)工況可知，該銷釘受力情況分為以下3種：分別是碗口朝上（a）、碗口朝側(cè)邊（b）以及碗口朝下（c）。工況（a）與工況（b）銷釘起到連接軸與軸套的作用，工況（c）中銷釘還需要承載整個(gè)卷輪的質(zhì)量。工況（c）中銷釘受力最大，因此選取工況（c）進(jìn)行分析。

該銷釘受力如公式（19）所示。

式中：F為壓力；A為橫截面積。

2.4 軸套受力分析

根據(jù)上述分析可知機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，共存在3種工況，分別是碗口朝上（a）、碗口朝側(cè)邊（b）和碗口朝下（c），分別對(duì)三種工況下軸套進(jìn)行受力分析，其中軸套外徑60mm，方軸邊長(zhǎng)30mm。

根據(jù)專業(yè)軟件分析求解該截面的彎曲截面系數(shù)，截面對(duì)形心軸的慣性矩Ix=540236mm4、Iy=311453mm4，慣性積Ixy=0（形心軸x軸為截面圖形的對(duì)稱軸，所以截面圖形對(duì)形心軸x、y軸的慣性積恒等于零）；截面圖形邊界框值為x為-24.06mm～31.9mm、y為-30mm～30mm；抗彎截面系數(shù)計(jì)算如公式（20）所示。

由彎矩圖可知軸套碗口位置受力彎矩約為0.386kN·m，x1和x2對(duì)應(yīng)工況（b），y1和y2對(duì)應(yīng)工況（a）和工況（c），如公式（21）所示。

式中：W為彎曲截面系數(shù)；M為彎矩；σ為應(yīng)力。

2.5 鉚釘受力分析

卷線輪通過左、右共8顆鉚釘與中心板及軸相連，因此需要對(duì)連接處鉚釘進(jìn)行校核，該文中卷線輪滿載時(shí)重5905N，因此單顆鉚釘受力738N，即F剪=738N，鉚釘直徑D=12mm，A=201mm2。

式中：F為壓力；A為橫截面積。

根據(jù)以上分析，該尾繩收放機(jī)設(shè)計(jì)符合要求。

2.6 穩(wěn)定性校核

利用有限元軟件對(duì)架體零件進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過在左、右2個(gè)支撐平板上施加作用力，來模擬尾繩收放機(jī)繩架體在工作狀態(tài)下的受力狀態(tài)。第一步，需要?jiǎng)?chuàng)建“靜力學(xué)分析”算例。第二步，對(duì)該架體零件的材料屬性進(jìn)行定義：選擇該架體的材質(zhì)為Q235碳素合金鋼（碳鋼的彈性模量E為196 GPa～216 GPa，泊松比μ為0.25～0.33，在工程計(jì)算中，Q235往往是E取210 GPa，μ取0.33）。第三步，通過夾具選型選擇該架體零件的約束方式，由于該架體零件工作時(shí)采用地錨及鋼絲繩錨固在工作場(chǎng)地上，因此默認(rèn)為該零件的約束方式為架體底端固定約束于地面。第四步，選擇外部載荷顧問-壓力-垂直于左、右兩端的受力平面向下-賦值為15 000 N（最大負(fù)載情況下取2.5倍的安全系數(shù)）。第五步，對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行網(wǎng)格劃分：其中網(wǎng)格劃分尺寸越小，網(wǎng)格數(shù)量越多，計(jì)算精度和準(zhǔn)確性越高，為更精確地分析該架體零件的受力狀態(tài)，選擇劃分網(wǎng)格大小為1 mm。設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)后，選擇“運(yùn)行”按鈕來模擬分析。該算例運(yùn)行結(jié)束后得到的應(yīng)力和位移分析圖如圖4所示。由圖4可以看出，該架體零件的最大應(yīng)力為23.62 MPa，遠(yuǎn)小于該材質(zhì)的許應(yīng)應(yīng)力，該架體零件的最大位移為0.263 mm，且應(yīng)力與位移變化主要集中在左、右兩側(cè)支撐板以及支撐立柱上。經(jīng)過計(jì)算核驗(yàn)，在該架體滿載運(yùn)行的情況下可以保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 應(yīng)力及位移圖

3 結(jié)論

絞磨尾繩自動(dòng)收放機(jī)是安徽送變電工程有限公司柔性創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以解決施工現(xiàn)場(chǎng)痛點(diǎn)、難點(diǎn)為目標(biāo)導(dǎo)向研發(fā)出的一款自動(dòng)收放絞磨尾繩的智能化設(shè)備，該設(shè)備具有使用簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕便、尾繩扭矩恒定、收放跟隨、自動(dòng)排繩、停機(jī)自鎖以及快速倒繩等特點(diǎn)，內(nèi)置鋰電池和外置電源雙重供電接口，全面兼容機(jī)動(dòng)絞磨、電動(dòng)絞磨等電力施工吊裝的機(jī)具設(shè)備。安徽送變電工程有限公司以此為基礎(chǔ)，繼續(xù)深化研究，全力推進(jìn)輸電線路工程全過程機(jī)械化施工進(jìn)程。