移動高壓線桿在露天礦山中的設計與應用

程林，王超東，呂金輝

（欒川龍宇鉬業有限公司，河南洛陽471500）

欒川龍宇鉬業有限公司的南泥湖鉬（鎢）礦區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］。

隨著公司的發展，礦山開采工程也在逐漸推進，大型穿孔及鏟裝設備的用電問題亟待解決。但由于采場臺階變動較快，采場高壓供電線路必須隨之移動，考慮移動方便和節省人力、財力等現實因素，采場高壓用電線路設計為移動線桿供電方式。經過對移動線桿的整體設計、理論校核及線桿選型論證，證實了所設計的高壓移動線桿能達到預期的穩定性效果，為后期的高壓移動線路架設提供了保障。

1 移動高壓線桿的設計

針對南泥湖礦山公司采場的開采狀況，開采臺階不斷推進，為了實時滿足設備作業時的用電需求，高壓線路也就必須隨之移動。經過大量的分析研究，設計出焊接式的高壓移動線桿，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。設計示意圖如圖1所示：

1.1 移動高壓線桿設計高度的技術性分析

礦山目前使用的大型機械設備主要有：北方重汽車股份有限公司生產的TR100工程車、太原重型機械廠生產的WK－10B型電鏟、湖南有色重型機器有限公司生產的CS165E型潛孔鉆機等。高壓電是露天礦山的一個重大危險源［2］，因此，我們在設計移動高壓線桿高度時，在遵循經濟合理、技術可行的原則下，充分考慮了礦山供電安全問題。其中潛孔鉆機在移動時，整個鉆機高度小于TR100工程車的高度，故在設計移動線桿高度時主要以TR100工程車和WK－10B型電鏟為例進行分析。移動線桿架設的線路包括水平方向的支線和跨越開采臺階的支線。礦山進行開采工作時，工程車需要在水平支線下進行移動，電鏟需要在跨越開采臺階的支線下進行移動，具體分析如下：

1.1.1 移動線桿水平架設線路安全性分析

圖1 移動高壓線桿設計示意圖 ／mmFig.1 Design of mobile high－voltage telegraph pole

TR100工程車目前作為礦山主要運礦設備，整個汽車長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，由于安全規程規定：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，我們設計線桿高度為12m，此高度能完全滿足技術要求。線桿水平架設線路的情況如圖2所示：

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

1.1.2 跨越開采臺階架設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。礦山采場工作臺階寬度為60～80m、工作臺階高度為15 m，電鏟在平時工作時沿臺階內側行走、作業。線桿高度選取12m，線桿高度加上臺階高度形成約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行作業，圖3所示為線桿跨越臺階方向架設線路的情況。

綜上分析，在考慮到供電安全的前提下，我們設計移動線桿高度定為12m。

圖3 跨越臺階架設線路示意圖／mmFig.3 Sketch map of spanning bench construction of poles

1.2 移動高壓線桿焊接選材的技術性分析

移動線桿上下直徑均為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。底座采用4m見方的道軌焊接而成，外廓尺寸是根據線桿的高度設計的（詳細論證見1.3），整體穩定性較好。線桿與底座連接處加焊肋板，并用┕70角鋼斜撐桿體。底座四個角處加焊了三角鋼板形成三角平臺，再將斜撐角鋼兩頭適當彎曲分別焊接于三角平臺，這樣增大了焊接面積，提高了焊接質量，保證了線桿結構的整體穩定。線桿若處在電線較大轉角使用且無法打拉線時，可以給轉角桿處加上配重塊，使線桿在承受多向力的情況下依然穩固。考慮到線桿的整體效果，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：灰口鑄鐵HT20—40）。

1.3 移動高壓線桿穩定性校核

將高壓移動線桿簡化后進行受力分析，如圖4所示。經分析，電線桿所受合力方向是沿著對角線方向偏移的。由于對角線方向底座所能承受的力最小，為了確保受力校核準確性，對電線桿底座沿對角線的方向進行受力計算。

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，

對高壓線桿實例形狀及放置方式進行分析，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點力矩平衡，即∑MB（F）＝0，有：

校核時取FA最大受力情況進行計算。

作用在A點的力由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和所受的風力Fi。

電纜3.8kg／m，取電纜100m計算，則Fd＝ 3 724N，人員重量取75kg，則當有一人在電線桿上操作時，則Fr＝735N。

電線桿在放置到地面之前均需對地面進行平整，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

風力包括了兩部分，對電線桿的作用力Fi1和對電纜Fi2的作用力。計算時取風級為6級，其壓強大小為：

其中：ρ＝1.2258kg／m3，c＝0.7，v＝12m／s。

又F＝P×S，則：風力作用在電線桿上的力：Fi1＝256.1N

風力作用在電纜上的力：Fi2＝1 842.9N

校核時按最大受力情況計算，將作用在A點的力均施加在同一方向，如圖3所示。此時有：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角鋼的屈服強度為355MPa［7］。則角鋼實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定性。

綜上校核，移動高壓線桿的穩定性達標，滿足使用條件。

1.4 線桿壁厚取為7mm的技術性分析

對于細長型管截面Fa根據式3［6］進行計算：

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，Fy是線桿軸向受力。由1.3節可知：Fa1＝7 679.12N，Fy＝19 270.1N，將Fy＝19 270.1N代入以上公式，對Fa1進行校核，有：

由于Fa＝7 729.2N＞Fa1＝7 679.12N，即就是當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。事實上加載的這些力不可能同時存在，實際中線桿所承受的力比校核時加載的力要小的多。

查得線桿所用無縫剛管的屈服強度是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度滿足要求，且線桿厚度選取的恰到好處，達到了技術上可行、經濟上合理的要求。因此線桿厚度取為7mm具有明顯的技術優越性，比較合理。

1.5 移動高壓線桿在礦山采場的試驗情況

2010年11月26日，在龍宇鉬業南泥湖露天礦山東采區進行移動線桿現場試驗。

首先，使用推土機對設計的移動高壓線桿進行了移動試驗。試驗內容包括：在小于10%的坡面上移動、在礦石阻擋下移動、小角度旋轉等。試驗結果表明，高壓移動線桿的強度和穩定性均達到了設計效果，并且線桿移動方便、靈活、移動效率高，能夠適用于礦山復雜的地理環境，為后期高壓移動線路架設打下了堅實的基礎。

其次，對設計的移動線桿進行工業試驗，即從2011年1月利用移動線桿架設的高壓移動線路投入礦山現場使用至今。使用結果表明：移動線桿設計的高度、選擇的材質、以及設計的結構能夠完全滿足礦山的供電需求，穩定性好、機動性高、安全性高，能夠適應礦山在采裝作業中的供電需求，為礦山以后生產能力的提高奠定了基礎。礦山供電網絡使用移動線桿前后比較情況如表1所示。

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

2 移動高壓線桿的應用

在設計出移動高壓線桿的基礎上，結合礦山露天采場的實際地形，設計并架設了合理的供電網絡體系，以滿足生產需求。南泥湖露天采場架設的部分移動高壓線路如圖5所示。

圖5 南泥湖露天采場移動高壓線桿應用圖Fig.5 Mobile high－voltage poles used in Nannihu open－pit mine

3 結語

露天礦山在開采過程中，由于采場臺階的推進，采場高壓供電線路必須隨之移動，而固定的高壓線路顯然不能滿足礦山的實際需求。架設移動高壓線路是適合礦山露天開采的最佳選擇，它為礦山進行高效生產、安全生產提供了強有力的支持，而架設移動高壓線路的關鍵技術就是設計一種技術可行、經濟合理的移動高壓線桿。

移動高壓線桿的設計及應用可以為露天礦山供電網絡規劃提供必要條件。用移動線高壓線桿來架設的高壓線路排除了各種惡劣環境的限制，既能方便快捷地實現線路移動整改，適應臺階的推進開采，又能為大型鏟裝設備供電，大大降低了礦山企業的生產成本，對礦山后期生產發展具有重要的現實意義。

［1］ 長沙有色冶金設計研究院.欒川龍宇鉬業有限公司南泥湖15000t／d采選工程初步設計書［R］.2006：3－5.

［2］ 王本清.露天礦山供電系統安全性評價與對策［J］.礦山機械，2003（6）：31－35.

［3］ 趙華軍.大型礦山開采供電方案的設計［J］.機電產品開發與創新，2010，10（4）：27－28.

［4］ 中華人民共和國建設部.GB50052－1995供配電系統設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，1996.

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

［6］ 呂瑛波，王 影.機械制圖手冊［M］.北京：化學工業出版社，2009：110－112.

［7］ 楊家斌.實用五金手冊［M］.2版.北京：機械工業出版社，2011：85－95.