智能牽張機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

高優(yōu)梁 劉建鋒 黃超勝 毋本鑫 高曉莉 楊 杰 馬軍旭 高志龍

（1.浙江省送變電工程有限公司，杭州 310000；2.河南電力博大科技有限公司，鄭州 450000； 3.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045）

近來(lái)年，隨著特高壓輸變電工程的快速建設(shè)，施工裝備的配置水平和技術(shù)創(chuàng)新能力對(duì)工程建設(shè)的影響不斷增大。經(jīng)測(cè)算，“十三五”期間電網(wǎng)建設(shè)需牽張?jiān)O(shè)備1755臺(tái)、放線滑車(chē)98533只。而28家省屬送變電公司目前已有牽張?jiān)O(shè)備1927臺(tái)、放線滑車(chē)109470只，可以滿足未來(lái)電網(wǎng)建設(shè)需求[1]。但是，隨著時(shí)代的發(fā)展與城市化的快速推進(jìn)，我國(guó)對(duì)電力設(shè)施系統(tǒng)的裝備提出了更高的要求。因此，必須加快牽張?jiān)O(shè)備的發(fā)展，提高電網(wǎng)建設(shè)效率與安全質(zhì)量水平，完成電網(wǎng)建設(shè)任務(wù)。

張力架線牽張?jiān)O(shè)備是指在輸電線路建設(shè)過(guò)程中所用到的牽引機(jī)與張力機(jī)。牽引機(jī)是一種特殊的卷?yè)P(yáng)機(jī)，其動(dòng)力源一般為汽柴油機(jī)，通過(guò)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)為鋼繩卷車(chē)提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引繩與牽引繩的卷放。按牽引機(jī)上的牽引論形式分，牽引機(jī)可分為雙摩擦卷筒式和鼓輪（磨芯）式兩種。張力機(jī)用來(lái)控制牽放線索的張力大小，主要通過(guò)對(duì)導(dǎo)輪線的適當(dāng)制動(dòng)而實(shí)現(xiàn)張力控制。張力機(jī)按制動(dòng)方式可分為機(jī)械摩擦式張力機(jī)、液壓式張力機(jī)、氣壓式張力機(jī)以及電磁式張力機(jī)等。目前，液壓制動(dòng)雙摩擦卷筒式張力機(jī)應(yīng)用較為廣泛[2]。國(guó)外自20世紀(jì)40年代末期已經(jīng)開(kāi)始使用張力架線牽張?jiān)O(shè)備，發(fā)展至今已有半個(gè)多世紀(jì)。隨著新型科技的產(chǎn)生與發(fā)展，張力架線牽引設(shè)備存在一些新的問(wèn)題，主要包括以下幾個(gè)方面。第一，動(dòng)力源系統(tǒng)較為復(fù)雜，原動(dòng)機(jī)與工作機(jī)功率不匹配，惡劣環(huán)境啟動(dòng)困難。第二，功率利用率低，工作環(huán)境惡劣。第三，設(shè)備笨重，轉(zhuǎn)場(chǎng)麻煩。第四，部分設(shè)備結(jié)構(gòu)不夠完善，操作比較困難。第五，故障檢測(cè)與維修較為困難，對(duì)新興科技應(yīng)用不足。為應(yīng)對(duì)不斷提高的張力架線作業(yè)要求，適應(yīng)艱苦、危險(xiǎn)、惡劣的工作環(huán)境，張力架線牽張?jiān)O(shè)備的快速發(fā)展已經(jīng)迫 在眉睫。

本文綜述了智能牽張機(jī)在動(dòng)力源系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及在線檢測(cè)與故障診斷3個(gè)方面的研究現(xiàn)狀，論述了現(xiàn)有設(shè)備的原理、特點(diǎn)及不足，并對(duì)張力架線牽張?jiān)O(shè)備存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，闡述了智能牽張機(jī)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，以前為我國(guó)深入展開(kāi)智能牽張機(jī)的研究與開(kāi)發(fā)提供一定的借鑒。

1 智能牽張機(jī)動(dòng)力源系統(tǒng)

牽引設(shè)備主要由牽引機(jī)和張力機(jī)兩部分組成。動(dòng)力裝置是牽引機(jī)的重要組成部分，而張力機(jī)一般不需要?jiǎng)恿ρb置，但有時(shí)張力機(jī)回收導(dǎo)線及正反方向轉(zhuǎn)動(dòng)也需要?jiǎng)恿ρb置。通常，發(fā)動(dòng)機(jī)必須有良好的有效功率、有效轉(zhuǎn)矩以及較低的油耗率。

目前，牽引設(shè)備一般采用汽油機(jī)或柴油機(jī)。但是，由于牽引設(shè)備輸出功率大體固定，而張力放線機(jī)構(gòu)的放線速度和張力要求具有較大的變化范圍和良好的可靠性，且大部分汽油機(jī)或柴油機(jī)的額定功率遠(yuǎn)大于工作機(jī)實(shí)際所需要的功率，導(dǎo)致功率利用率低。為解決功率利用率低的問(wèn)題，山西圣水電力工程有限公司的王海水[3]提出用三相式鼠籠電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，利用變頻裝置改變電動(dòng)機(jī)動(dòng)力源頻率，并使用傳感器檢測(cè)放線盤(pán)和收線盤(pán)直徑的變化，通過(guò)反饋的信號(hào)調(diào)節(jié)頻率，從而實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速和放線張力的控制。兩種張力機(jī)的對(duì)比分析如表1所示。實(shí)踐分析表明，此方法有效提高了動(dòng)力源功率利用率。遼寧省送變電工程公司的陳震[4]等人針對(duì)公司的3臺(tái)老舊一牽四180kN牽引機(jī)動(dòng)力不足的問(wèn)題，通過(guò)選配發(fā)動(dòng)機(jī)代替原動(dòng)機(jī)，對(duì)3臺(tái)老舊設(shè)備進(jìn)行改造恢復(fù)，提高了性能，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。武漢理工大學(xué)的王慧[5]等人，針對(duì)我國(guó)大部分牽引機(jī)無(wú)行走功能和轉(zhuǎn)場(chǎng)困難等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一種行駛化一體的新型牽引機(jī)，采用1個(gè)動(dòng)力源和2種功能執(zhí)行部件相互協(xié)調(diào)的方法，最大程度地發(fā)揮動(dòng)力源的效率，實(shí)現(xiàn)了2種功能的集成，解決了牽引機(jī)的行駛問(wèn)題。河南送變電工程公司的劉建鋒[6]針對(duì)牽張?jiān)O(shè)備在高原地區(qū)設(shè)備啟動(dòng)困難等問(wèn)題，通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)的油量和供油提前角改進(jìn)增壓器，換用特制散熱器水箱壓力蓋等，成功將牽張?jiān)O(shè)備應(yīng)用于青海—西藏750kV的電網(wǎng)建設(shè)工程。湖南省送變電工程有限公司機(jī)具設(shè)備分公司的雷明[7]總結(jié)并分析了牽張?jiān)O(shè)備低溫環(huán)境啟動(dòng)困難的原因及改善措施。吉林省送變電工程公司國(guó)家電網(wǎng)公司的岳華剛[8]等人發(fā)明了一套牽張?jiān)O(shè)備啟動(dòng)預(yù)熱裝置，利用水套體、燃燒室和霧化裝置有效解決了牽張?jiān)O(shè)備冬季啟動(dòng)較難的問(wèn)題。河南電力博大科技有限公司針對(duì)張力機(jī)被動(dòng)做工的動(dòng)力源浪費(fèi)等問(wèn)題，提出在張力機(jī)張力工況下將張力輪穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的阻力轉(zhuǎn)換成電力并存儲(chǔ)在蓄電池中，既降低了設(shè)備運(yùn)行的噪聲，又優(yōu)化了操作環(huán)境。

表1 兩種張力機(jī)的對(duì)比分析

2 智能牽張機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

自牽張?jiān)O(shè)備投入使用以來(lái)，它的外形結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本確定。牽引機(jī)外形結(jié)構(gòu)如圖1所示，張力機(jī)外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。但是，我國(guó)特殊地形較多，有針對(duì)性的專業(yè)化裝備較少，僅僅依賴現(xiàn)有的牽張?jiān)O(shè)備無(wú)法滿足需求，因此必須不斷優(yōu)化牽張?jiān)O(shè)備的結(jié)構(gòu)，使其適應(yīng)施工調(diào)節(jié)。

圖1 牽引機(jī)外形結(jié)構(gòu)

圖2 張力機(jī)外形結(jié)構(gòu)

江蘇送變電公司的王連收[9]針對(duì)公司進(jìn)口的牽引機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)故障、鏈條易磨損、軸承易損壞以及牽引輪槽易磨損等問(wèn)題，提出將牽引機(jī)原有的鏈傳動(dòng)改為齒輪傳動(dòng)，以加大內(nèi)外側(cè)軸承牽引的理論直徑，有效解決了牽引機(jī)由于先天設(shè)計(jì)的缺陷而帶來(lái)的各種故障。遼寧送變電公司的陳震[10]為修復(fù)公司進(jìn)口老舊設(shè)備，通過(guò)選配發(fā)動(dòng)機(jī)代替原發(fā)動(dòng)機(jī)，改造機(jī)械系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等，成功修復(fù)老舊進(jìn)口設(shè)備，為類(lèi)似故障牽張?jiān)O(shè)備性能恢復(fù)和提高安全性積累了經(jīng)驗(yàn)。牽張?jiān)O(shè)備的最大牽張力在一定程度上可以體現(xiàn)一個(gè)公司企業(yè)的張力架線施工能力。為了提高牽引機(jī)的牽引噸位，甘肅送變電公司已成功研制出42噸位級(jí)的SAQ-420智能牽引機(jī)[11]。在結(jié)構(gòu)外觀方面，設(shè)備采用大型運(yùn)輸汽車(chē)的拖掛式地盤(pán)，增加了彩色顯示器，采用紅色警報(bào)閃爍燈，有效降低了運(yùn)輸成本，同時(shí)便于操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理問(wèn)題。對(duì)于不宜過(guò)度彎曲的大截面導(dǎo)線施工時(shí)，河南電力博大科技有限公司的劉建鋒等人提出將張力機(jī)設(shè)計(jì)為分體拖掛式，一部分為動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)，一部分是動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為避免導(dǎo)線受到的彎矩過(guò)大，工作人員優(yōu)化了導(dǎo)線進(jìn)線輪結(jié)構(gòu)及布局，如圖3所示，同時(shí)將大輪設(shè)計(jì)為張力輪結(jié)構(gòu)，減小了導(dǎo)線通過(guò)張力輪時(shí)的彎曲度，可以有效避免大截面導(dǎo)線施工過(guò)度彎曲的問(wèn)題。同樣，為了使設(shè)備可以展放大截面導(dǎo)線，宜興市博宇電力機(jī)械有限公司的周俊華[12]設(shè)計(jì)了大卷筒底徑的壓液張力機(jī)，通過(guò)對(duì)傳動(dòng)部分、制動(dòng)部分、導(dǎo)線軸架部分以及操作控制系統(tǒng)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出了應(yīng)用于大截面導(dǎo)線的液壓張力機(jī)方案。

圖3 張力機(jī)進(jìn)線輪優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖

3 智能牽張機(jī)在線監(jiān)測(cè)與智能控制系統(tǒng)

牽張?jiān)O(shè)備在使用過(guò)程中出現(xiàn)故障不可難免。但是，由于技術(shù)薄弱和專業(yè)人員少等問(wèn)題，人們往往會(huì)因設(shè)備維修而耽誤工程而造成經(jīng)濟(jì)損失。隨著人工智能的快速發(fā)展，傳統(tǒng)牽張?jiān)O(shè)備急需運(yùn)用新興的科技來(lái)提高設(shè)備性能。例如，利用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)關(guān)注牽張?jiān)O(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況；利用故障診斷可以有效定位故障發(fā)生的原因，從而加快維修速度，減少施工拖延[13]。

為了設(shè)備的安全運(yùn)行、降低設(shè)備的故障率以及減少設(shè)備維護(hù)成本，將狀態(tài)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程通信和故障診斷相結(jié)合，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。首先，分析設(shè)備常見(jiàn)故障并總結(jié)原因。其次，選取合適的設(shè)備監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)壓力、流量、溫度以及轉(zhuǎn)速等不同的傳感器，經(jīng)過(guò)預(yù)處理與數(shù)模轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)。再次，將得到的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測(cè)服務(wù)器供技術(shù)人員了解設(shè)備工作狀況。最后，通過(guò)服務(wù)器與管理軟件進(jìn)行分析，為狀態(tài)維修提供依據(jù)。華南理工大學(xué)的李愿明[14]基于高壓輸電線路架線施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的高危性，以國(guó)產(chǎn)SAQ-250牽引機(jī)電路系統(tǒng)作為切入點(diǎn)設(shè)計(jì)有線遙控器，降低了施工現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。河南電力博大科技有限公司基于客服戶反饋問(wèn)題的匯總，針對(duì)牽張?jiān)O(shè)備加設(shè)一鍵啟停、牽引力電子預(yù)設(shè)、防溜線、GPS遠(yuǎn)程診斷、功率智能匹配以及自動(dòng)潤(rùn)滑等功能，實(shí)現(xiàn)了牽引場(chǎng)與張力場(chǎng)的數(shù)據(jù)互通和相互控制，提高了操作安全性。蘭州理工大學(xué)邱楚然[15]為改善架線過(guò)程中張力不平穩(wěn)的缺點(diǎn)，提出對(duì)放線張力進(jìn)行PID整定，最終將系統(tǒng)分為車(chē)載終端與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心兩大部分，實(shí)現(xiàn)了張力機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，并利用GPRS通信實(shí)現(xiàn)了牽張兩場(chǎng)的可靠通信。南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院有限責(zé)任公司的洪巧章[16]設(shè)計(jì)了一種嵌入式的硬件系統(tǒng)來(lái)作為牽張?jiān)O(shè)備的前端采集數(shù)據(jù)，再利用GPRS網(wǎng)絡(luò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能或GSM短消息功能將采集到的數(shù)據(jù)上傳服務(wù)控制中心，最終診斷系統(tǒng)處理采集的數(shù)據(jù)，找出故障原因。吉林送變電工程公司的侯建明[17]等人提出利用雙機(jī)位和無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)Profibus總線連接實(shí)現(xiàn)50m數(shù)據(jù)的傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作的目標(biāo)。圖4為可視化牽引走板。

圖4 走板傳輸無(wú)線視頻信號(hào)

4 智能牽張機(jī)的研究發(fā)展方向

4.1 采用新能源作為動(dòng)力源

汽油機(jī)和柴油機(jī)雖然效率高、使用方便，但是噪音大，易污染環(huán)境。一方面，設(shè)備在制造過(guò)程中將汽油機(jī)和柴油機(jī)作為動(dòng)力源需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)適應(yīng)不同的工況，成本代價(jià)高。另一方面，在施工過(guò)程中，汽柴油機(jī)的能源注入易泄露、燃燒不充分導(dǎo)致環(huán)境污染、噪聲影響現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的交流以及架線施工場(chǎng)地受限較大。若牽張場(chǎng)地選在人群密集區(qū)域，汽油機(jī)和柴油機(jī)的噪聲將會(huì)影響居民。因此，需發(fā)展新能源動(dòng)力系統(tǒng)，以有效解決汽油機(jī)和柴油機(jī)所遇到的問(wèn)題，同時(shí)響應(yīng)國(guó)家提倡利用新能源、節(jié)能減排的號(hào)召。可見(jiàn)，新能源動(dòng)力系統(tǒng)是牽張?jiān)O(shè)備未來(lái)的研究方向之一。

4.2 設(shè)備具有專業(yè)化特色化

目前研究特殊地形的專業(yè)化牽張?jiān)O(shè)備較少，尤其是山地、高原、沼澤、水田以及海島等特殊地形條件下，通用的牽張?jiān)O(shè)備無(wú)法滿足施工要求，必須改進(jìn)牽張?jiān)O(shè)備的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)具有專業(yè)化特色的設(shè)備。同時(shí)，牽張場(chǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)可以互相通信進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，以適應(yīng)特殊地形的遠(yuǎn)距離工作。專業(yè)化牽張?jiān)O(shè)備能有效提高工作效率，減輕工作人員的負(fù)擔(dān)，彰顯一個(gè)公司或一個(gè)企業(yè)的施工能力。

4.3 基于大數(shù)據(jù)分析的智能故障診斷

目前已有許多企業(yè)在研究在線監(jiān)測(cè)與故障診斷。隨著大數(shù)據(jù)的發(fā)展，設(shè)備可能存在短時(shí)間內(nèi)多個(gè)源故障并發(fā)的現(xiàn)象。牽張?jiān)O(shè)備不能僅僅局限于設(shè)備本身的數(shù)據(jù)分析，應(yīng)收集多個(gè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的大量數(shù)據(jù)將其上傳互聯(lián)網(wǎng)，推動(dòng)牽張?jiān)O(shè)備的故障診斷進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，進(jìn)而提高故障診斷的準(zhǔn)確率與速度。因此，利用新型科學(xué)技術(shù)是有效提高牽張?jiān)O(shè)備性能的方法與有效途徑，也是未來(lái)發(fā)展的大勢(shì)所趨。

5 結(jié)語(yǔ)

加快智能牽張機(jī)的發(fā)展，一方面能有效提高我國(guó)電網(wǎng)核心設(shè)備的建設(shè)水平，是建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)的重要途徑，另一方面能夠降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高施工效率和經(jīng)濟(jì)效益。本文綜述了智能牽張機(jī)在動(dòng)力源系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及在線監(jiān)測(cè)與故障診斷3方面的研究現(xiàn)狀，指出了我國(guó)智能牽張機(jī)將會(huì)朝向新能源動(dòng)力、專業(yè)特色化裝備及基于大數(shù)據(jù)分析的故障診斷方向發(fā)展，有助于提升國(guó)家電網(wǎng)建設(shè)的施工能力。