適用于井下敷設的電纜敷設機的設計

陶霞，俞偉勇，王剛，關山

（1.杭州凱達電力建設有限公司，杭州 311100；2.東北電力大學機械工程學院，吉林 吉林 132012）

0 引言

電力電纜在電力系統的主干線路中用以傳輸和分配大功率電能，合理選擇電纜的敷設方式對保證線路的傳輸質量、可靠性和施工維護等都是十分重要的。隨著電纜直徑和長度的不斷增加，輸電線路的電纜自重呈數量級的增長，電纜敷設路徑復雜多變等工況的出現，單純依靠人工已無法滿足輸電電纜的布置需要和現代電網建設要求，必須依靠機械輔助來完成。機械輔助敷設與人工敷設法相比，在效率、敷設質量的可靠性、安全性及遠期成本方面具有顯著優勢[1]。國內外的研究人員針對電纜敷設問題進行了大量的研究[2-5]。目前，應用于電纜敷設的機械輔助方法可分為單向牽引敷設法和串聯助力敷設法，現有的電纜敷設機構雖然實現了數字化實時控制和信息化管理功能，但是大多以牽引力為主，在敷設過程中往往需要借助人力或者卷揚機配合，導致電纜敷設過程中會出現不同程度的損傷，同時對操作人員的技術水平有較高的要求。

因此，本文通過建立仿真模型，對電纜敷設機的結構進行設計，并根據功能要求，設計了電纜敷設機的控制裝置，研發了一種以推送力為主的電纜敷設機，保證了電纜敷設質量，提升了電纜敷設的智能化水平和工作效率。

1 電纜敷設機結構分析

1.1 功能要求

通常以拉力為主的電纜敷設機工作效率低、勞動強度大、對電纜表面磨損嚴重，為了提高敷設效率，實現電纜敷設工作的智能化，將電纜敷設機設計成以推送力為主，由控制裝置智能調控的方式。其主要功能有：1）根據不同工況條件智能調控夾緊力和電纜推送速度；2）升降方便，保證電纜和敷設管口對齊；3）實時采集夾緊力、敷設速度、敷設長度等工況信息；4）工況參數實時顯示，控制裝置報警保護。

1.2 參數計算

電纜敷設機布置在相鄰的電纜井內實現電纜推送，可根據電纜管口位置對電纜敷設機進行調整，適用于不用型號電纜的敷設工作，同時可以通過電纜推送過程中對夾緊力的監測判斷電纜的工作狀態是否正常，假設相鄰兩電纜井間隔100 m，電纜直徑為90 mm，對電纜敷設機的主要參數和主要部件進行計算和選型，推送電動機選型計算過程如下。

電纜的質量為12 314 kg/km，電纜與管間的摩擦因數μ為0.4，安全系數c為1.2，則需要提供的摩擦力為：

滑動絲杠的傳動效率μ滑為0.3～0.6，所以夾緊力Fn計算公式為

所選電動機轉速為3000 r/min，電動機與鏈輪之間的傳動比i為100，鏈輪直徑D鏈為0.1 m。則推送速度v的計算公式為

其主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數

2 電纜敷設機結構設計

電纜敷設機總體結構及工作方式如圖1所示，包括輸送裝置、升降裝置、固定裝置和控制裝置四部分，升降裝置橫跨電纜井兩端，實現輸送裝置的升降；固定裝置利用兩端橡膠盤頂緊在井壁內側，固定輸送裝置；電纜敷設機改變了以拉力為主的傳統電纜敷設方式，在電纜敷設過程中針對不同型號的電纜施加不同程度的夾緊力，通過電纜與輸送裝置履帶之間的摩擦實現電纜的推送敷設；控制裝置可以實時采集電纜敷設過程中的各類工況參數，根據實際工況對電纜敷設機進行智能化調控以滿足工作需要。

圖1 電纜敷設機示意圖

2.1 輸送裝置設計

輸送裝置主要包括夾緊裝置和推送裝置。整體長度為658 mm，高度為465 mm，寬度為314.5 mm，適用于在電纜敷設井內的狹小空間作業。

夾緊裝置主要由導入輪組、支撐軸、夾緊殼體、夾緊電動機、直線止推軸承、絲杠絲母、夾緊絲杠等組成。當電纜進入導入輪組時，控制裝置根據協調控制終端的指令控制夾緊電動機，從而帶動夾緊絲杠轉動，利用絲母的固定約束使得夾緊底板帶動夾緊殼體進行相對運動，對電纜施加夾緊力，在電纜敷設過程中為電纜的推送提供足夠的摩擦力，電纜敷設過程中對夾緊力的測量通過輪輻式壓力傳感器完成，壓力傳感器與絲杠絲母并排放置，實時測量施加給電纜的夾緊力，夾緊裝置示意圖如圖2所示。

圖2 夾緊裝置示意圖

推送裝置主要由調節桿、鏈輪、傳動軸、支撐板、傳送帶、光電編碼器、推送裝置減速器、推送電動機組成，在電纜敷設過程中，電纜通過導入輪組進入推送裝置，調節桿可以調節鏈輪之間的中心距，張緊傳送帶，防止傳送帶在推送過程中工作異常；導入輪組與光電編碼器摩擦輪驅動，從而實現對電纜推送速度的檢測。當夾緊裝置提供的夾緊力不足時，電纜可能會脫出輸送裝置，產生“打滑”現象時，光電編碼器同樣可以檢測出電纜推送速度的異常，從而完成與協調控制終端的信息交互，控制夾緊電動機的啟停，提供足夠的夾緊力以保證電纜敷設工作的正常進行，推送裝置結構如圖3所示。

圖3 推送裝置示意圖

2.2 升降裝置設計

升降裝置包括豎直調節裝置、水平調節裝置和支撐裝置。豎直調節裝置通過調節旋轉絲杠來調節上下支撐臂的張角，從而控制升降機構豎直方向的移動；水平調節裝置通過橫梁上的滑軌控制升降機構在水平方向的移動；在電纜敷設過程中，支撐裝置置于電纜井兩側，針對實際工況，升降裝置可以將輸送裝置鎖定在規定的高度，對齊電纜及敷設管口，避免電纜敷設過程中電纜產生較大彎曲，影響敷設工作的效率。升降裝置如圖4所示。

圖4 升降裝置示意圖

2.3 固定裝置設計

固定裝置如圖5所示，主要由橡膠底盤、支撐桿、支撐座組成，輸送裝置在井內電纜穿管模式時通過橡膠底盤與井壁接觸。電纜敷設機在推送電纜過程中產生的推送力反作用力，若沒有結構來抵消這個作用力，那么這個作用力的存在會使得電纜敷設機在敷設過程中出現結構損傷，因此為了避免這一缺陷，增加了固定裝置，保證電纜敷設機的穩定工作。

圖5 固定裝置示意圖

3 控制裝置設計

電纜敷設機控制裝置硬件使用MSP430F149IPMR作為主控芯片，包括信息采集模塊、顯示模塊、通信模塊和優化控制模塊，在電纜敷設過程中實現工況參數的實時監測、顯示及智能調控，控制裝置的結構框架圖如圖6所示。

圖6 控制裝置結構框架圖

根據控制裝置數據處理實時性的要求和計算機性能的需求，使用MSP430F149IPMR作為主控芯片，負責實時狀態監控、數模轉換、信號采樣[6]。工況參數監測傳感器接入標準化接口模塊，進行工況信號的采集，并與主控模塊進行信息交互，主控芯片實現模擬電信號的數模轉換，與優化控制裝置實現串口通信，利用優化控制模塊內置的控制算法，對電纜敷設機的工作狀態進行實時監測并發送調控命令，其接線方案如圖7所示。

圖7 控制裝置核心電路圖

標準化接口模塊接入多個傳感器監測工況參數，由輪輻式壓力傳感器、光電編碼器及相關控制電路構成，實現對夾緊力和電纜推送速度的測量；為了實現電纜敷設機與協調控制終端的雙向通信，本文采用LoRa無線通信方案，LoRa是Semtech公司的一種基于擴頻技術的超遠距離無線通信方案，以其低功耗、長距離、低成本、大網絡容量等特點擁有巨大的物聯網應用空間，有效傳輸距離可達數千米以上。LoRa 技術的應用主要采用LoRaWAN通信協議，在滿足終端節點低功耗通信的同時，又滿足工況數據實時上傳的需求[7]。無線通信程序流程如圖8所示。

圖8 無線通信程序流程圖

控制裝置在電纜敷設過程中對電纜敷設機的工況參數智能調控，由于輸送裝置在推送過程中預設的夾緊力不同，可能出現“打滑”的現象，控制裝置將啟動夾緊電動機，以預設的夾緊力增量對電纜夾緊，直至“打滑”現象消除，控制過程自動執行，無需人工干預，控制過程迅速，保障電纜推送過程順利執行，控制裝置工作流程如圖9所示。

圖9 控制裝置工作流程圖

顯示模塊是控制電纜敷設機人機交互的重要部分，用于實時顯示電纜推送速度、夾緊力、推送長度等工況參數，顯示模塊主界面如圖10所示，工況參數一欄顯示電纜敷設機在工作過程中的運行狀態，當夾緊力不足發生“打滑”現象時，打滑監測指示燈顯示紅色并閃爍，并將故障信息上傳到協調控制終端進行調控；運行參數一欄顯示協調控制終端調控的電纜參數及控制參數，電纜敷設機根據輸入的電纜參數對應預設的夾緊力閾值，從而統一電纜的推送速度。

圖10 顯示模塊主界面圖

4 結論

1）設計了一種以推送力為主的電纜敷設機，實現電纜敷設過程中工況參數的實時監測、顯示和智能化控制，避免了鎧裝壓扁、絞擰等問題的發生，適用于電纜井內的敷設工作，滿足電纜敷設的工作需求。

2）研發了根據不同工況條件智能化調控的控制裝置，利用LoRa無線通信方案實現電纜敷設機一對多的通信系統，人機界面操作簡單方便，提升了電纜敷設的智能化水平。