輕型便攜式登塔設備的研究

王志軍，李易，梅佳，衛曉東，李學斌，楊軍寧

(北京國網富達科技發展有限責任公司，北京 100070)

0 引言

為優化能源資源配置、節省輸電線路走廊用地，我國正在發展特高壓輸電技術[1-2]。隨著特高壓輸電線路的發展，輸電鐵塔的高度不斷增加，登塔檢修工作也將越來越頻繁，對登塔作業設備的重量、使用便攜性、運輸和搬運提出了更高的要求。

現有登塔設備的重量和不可分體對設備運輸和使用造成了一定的影響。本文研究了一種重量更輕、便攜性更好的登塔設備，以滿足輸電鐵塔登塔使用。通過對現有登塔設備進行深化研究，減輕了設備自重，實現設備分體安裝和拆卸，提高設備使用的便攜性和舒適度。該設備可用于特高壓及其他線路的登塔檢修作業，對保證輸電線路維護檢修作業的安全，減輕作業強度，提高工作效率，滿足特高壓輸電線路維護和檢修的需要具有重要意義[3]。

1 輕型便攜式登塔設備的結構設計

通過結構優化、驅動系統和電氣系統的選型優化，實現設備的輕型化和模塊化設計。設備采用分體結構，可實現快速安裝和拆卸，機體結構由動力箱和機身兩部分組成，如圖1所示。動力箱內主要布置動力系統。機身結構采用定制的鋁合金型材[4]，驅動系統、電氣系統和防墜安全器等都布置在機身結構上，改善了電氣系統工作環境，減少了線纜數量。機身與動力箱實現分體連接，通過快速拆裝定位結構實現機身和動力箱之間的結構連接和電氣連接。

圖1 輕型便攜式登塔設備結構

2 輕型便攜式登塔設備的作業工況分析

為了保障作業人員的安全，對登塔設備安全性的要求極高[5]。載荷分析與計算是機械系統設計及力學校核的基礎，參考GB 26557—2011《吊籠有垂直導向的人貨兩用施工升降機》[6]、GB/T 3811—2008《起重機設計規范》[7]，結合設備的結構型式，進行載荷分析與計算。

不同載荷工況下，機體受力狀態不盡相同，設備在使用過程中，主要有正常使用、裝載、異常情況下安全裝置作用等3種工況。通過分析，異常情況下安全裝置作用工況發生時，防墜安全器進行緊急制動，防墜安全器安裝在機身立柱上，與前兩個工況比較，機身將產生較大的應力，為設備受力最危險工況，因此對此工況的載荷情況進行分析計算。

3 安全裝置作用時的力學分析

機身材料為鋁合金，材料的許用應力為：

式中：σb為抗拉強度，MPa；ηb為安全系數，取值2.5。

動力箱構件材料為不銹鋼，材料的許用應力為：

式中：σs為屈服強度，MPa；n為安全系數，取值1.5。

鋁合金及不銹鋼都為塑性材料，形狀改變比能是引起材料屈服的主要原因，力學分析時，計算出等效(Von Mises)應力，并與許用應力比較，即強度準則為：

異常情況下安全裝置作用工況載荷包括設備靜載荷及安全裝置作用的沖擊效應、額定載重量及安全裝置作用的沖擊效應和風荷載。

(1)設備靜載荷及安全裝置作用的沖擊效應為

?G=2.5×0.55 kN=1.375 kN ，

式中：G為設備靜載荷，kN；?為超速安全裝置動作引起沖擊系數，取值2.5。

(2)額定載重量及安全裝置作用的沖擊效應為

?F=2.5×1 kN=2.5 kN ，

式中：F為設備額定載重，kN。

(3)風載荷。工作狀態風壓不考慮高度，風速取vw=30 m/s，風壓為：

p=0.625vw2=562 N/m2。

設備形狀不規則，按載人狀態下，設備與人的最大高度尺寸和寬度尺寸確定，載荷作用面積：

A2=Hmax×Bmax=1.2 m2，

式中：Hmax為風載荷作用最大高度，m；Bmax為風載荷作用最大寬度，m。

風力系數c取值1.2，包括形狀系數和擋風折減系數。

風載荷為p=cpA2=809 (N)。

采用Solidworks軟件進行建模分析[8]，施加位移和載荷約束后計算，分析結果如圖2所示。

圖2 設備結構的應力分布

從應力分布圖可以看出，最大等效應力為88 MPa，位于不銹鋼構件上，小于材料許用應力值，設備的強度滿足使用要求；最大位移為1.4 mm，不影響外觀及使用效果。

4 結束語

對比現有登塔設備，輕型便攜式登塔設備具有設備自重更輕，可分體安裝、拆卸及運輸等優點，顯著提高了設備使用的便攜性和舒適度，可以更好地滿足鐵塔檢修等需求。

通過對作業工況的分析及強度分析，本文提出的輕型便攜式登塔設備能滿足檢修作業的使用要求。目前我國投運的特高壓輸電工程已達十幾條線路，包括超高壓及普通輸電線路，存在大量高度超過50 m的鐵塔，在線路檢修運維工作中，輕型便攜式登塔設備的應用，可以有效地保證檢修作業的安全，減輕作業強度，提高工作效率。同時輕型便攜式登塔設備可以在西藏、青海等高海拔地區、風力發電塔、通信塔、水塔、電廠冷卻塔等戶外超高建筑上使用，應用前景廣泛。