核島安裝電纜敷設裝置的研究

夏君 余貴峰

中國核工業(yè)二三建設有限公司 北京 101300

1 引言

在建安行業(yè)中，作為電氣安裝部分工程主要分項的電纜敷設工程，因受敷設條件、工具設備適用性和機械化裝備水平等條件影響，普遍存在人力投入量大、施工效率低、工程質量（尤其是觀感質量）不高的問題，電纜在敷設過程中存在損傷、扭絞和因應力得不到釋放而導致電纜排列混亂的情況。

國內電纜敷設工程，除特種電纜工程（海底光纜等）、國家重點工程等大型新建工程外，大多數(shù)施工的技術、裝備水平及機械化施工水平不高，電纜的敷設方式以人工展放為主。在以往的工程施工中，通常需要敷設大量的連接電纜用于控制和保護裝置中信號、模擬量與指令的傳輸，工程量很大，會耗費大量人力物力財力，會大幅提高基建工程成本。為解決施工中電纜敷設問題，我國先后采用卷揚機、電動轉盤機轉動電纜盤配合電動葫蘆牽引電纜、機械手拉電纜機、滾動摩擦牽引機等來實現(xiàn)機械代替人工。現(xiàn)階段大都以電纜半自動化敷設為主，盡管當前在大截面的電纜敷設時有卷揚機和電纜輸送機作為電纜敷設的輔助工具，對電纜敷設效率和安全性有所提高，但是采用卷揚機和輸送機進行電纜敷設效率依舊較低[1]。

隨著裝置設計水平和制造精度的不斷提高，多自由度、高靈活性、高重復精度的裝置開始大量進入工業(yè)領域，受到市場的關注和歡迎。自動敷設裝置在電纜施工工程上的成功應用帶來了前所未有的機遇。自動敷設電纜裝置施工突破了傳統(tǒng)的電纜敷設方式，開拓了一種創(chuàng)新的柔性自動化生產方式，從而提高電纜敷設質量和效率，保證敷設準確性和可靠性。

2 電纜敷設難點介紹

在某核電項目建安工程中，廠區(qū)內環(huán)境復雜，橋架標高不一致，除直段橋架外還存在轉彎橋架，現(xiàn)場建筑地面存在集水坑，敷設裝置跨越集水坑需要人工輔助，或者做輔助工裝，增加了敷設裝置自動化行走難度；對于較大的廠房，敷設裝置無法固定自身，自身重量及四個輪子與地面摩擦力又無法滿足牽引電纜的牽引力，敷設裝置的自動化放線牽引作業(yè)也難以完成。不同規(guī)格的電纜對應的單位長度（m）的電纜重量不一樣，電纜敷設裝置必須考慮電纜的直徑和重量，電纜的直徑直接決定線纜頭套的尺寸，電纜的重量決定電纜敷設裝置輸送動力，如何使電纜敷設裝置適應不同規(guī)格電纜的外徑和電纜單位長度重量也成為制約現(xiàn)階段自動化敷設的主要問題。上述問題已成為現(xiàn)階段制約自動敷設電纜模式下施工活動開展的主要問題。

3 電纜敷設裝置的設計

3.1 總體設計需求

電纜敷設裝置的結構設計需要與核島廠房房間結構相匹配，本次設計適應管廊高度3m至4m、通行寬度不小于0.9m的環(huán)境，直徑范圍在（10.0-58mm）內電纜在橋架中自動敷設。應滿足不同層級的電纜敷設要求、多種規(guī)格電纜裝夾可調自適應、拖拽過程中的鋼絲繩位置規(guī)整，實現(xiàn)自動化移動敷設電纜，減少機器搬運次數(shù)，減少人力[2]。

3.2 電纜敷設裝置的整體結構設計

電纜敷設裝置組成如下：1、全向移動底盤；2、伺服牽引裝置；3、錨定固定裝置；4、懸臂式升降裝置；5、控制單元，如圖1所示。

圖1 電纜敷設裝置系統(tǒng)組成

電纜敷設裝置底座上部放置電池，端部上方設置聲光報警系統(tǒng)，底座的頂撐支撐內部設置錨定固定裝置，錨定固定裝置分為二級頂撐，頂撐動作由上固定液壓裝置和下固定液壓裝置完成，頂撐力由綜合液壓站提供。懸臂式升降裝置固定在底座的頂撐支撐側部，附帶有卷揚機布置在底座上方。牽引送線裝置設置在懸臂式升降裝置上，可根據(jù)懸臂式升降裝置上下移動連接電纜敷設。

3.3 敷設裝置主要部件的詳細設計

3.3.1 全向移動底盤設計

全向移動底盤采用自適應扭轉懸掛結構，由底座和行走裝置組成。底座為電纜敷設裝置機體結構裝置，由鋼板組焊而成，外形呈“T”型構造，包括頂撐支撐、連接板、主鋼梁、頂撐座、萬向輪座、液壓臂支座。其中主鋼梁為支架結構主體，呈對稱鏡像豎直布置[3]，中間部位連接頂撐支撐，頂撐支撐側壁中間位置焊接連接板，連接板用于護罩連接，頂撐支撐外側下方靠近主鋼梁位置處設置有液壓臂支座。主鋼梁下方外側連接頂撐座，主鋼梁端頭下方設置萬向輪座。

行走裝置包括全向輪和驅動電機，對稱設置有4組作為運動單元，每組輪系由單獨的伺服驅動系統(tǒng)驅動控制。全向輪設置在底座端頭，與驅動電機通過萬向輪座連接，驅動電機布置在底座底部的凹槽內。

3.3.2 伺服牽引裝置設計

伺服牽引裝置主體為支臂、送線裝置、連接套、延伸臂、銷軸、保護套、束線器，主要完成線纜的牽引敷設工作。支臂為方形框架結構，由支架、調節(jié)桿、托臂構成。托臂分上下兩片布置，其內部設置有送線裝置，送線裝置為圓柱構造，中間設置有凹槽。托臂端頭設置有延伸臂，延伸臂為薄片連接件，一端連接于托臂上，一端連接于連接套上。連接套為圓管構造，設置在延伸臂上，包覆在延伸臂內部。銷軸為圓柱構造，一端連接鋼絲繩，另一端連接束線器。銷軸外側設置有保護套，包覆在銷軸和束線器之間。束線器由吊耳和鋼絲套，吊耳呈圓環(huán)狀，設置在銷軸的端部，與銷軸掛接。

圖2 鋼絲繩卷揚機

3.3.3 錨定固定裝置設計

錨定固定裝置主要由上固定液壓裝置、下固定液壓裝置、距離檢測傳感器裝置、綜合液壓站、承壓板組成。上固定液壓裝置，主要由二級液壓缸、溢流閥、電磁換向閥、油管組成。下固定液壓裝置，主要由四個單級液壓缸、溢流閥、電磁換向閥、分流閥、油管組成。綜合液壓站主要由油箱、液壓泵、閥體組、油管、直流動力源。

3.3.4 懸臂式升降裝置設計

懸臂式升降裝置，包括液壓升降裝置、上下導向升降裝置、拉伸調節(jié)裝置、舉升鏈輪、旋轉懸臂、卷揚機。該工裝由升降裝置、轉動軸裝置和拉伸調節(jié)裝置三部分構造而成，其中升降裝置包括液壓升降裝置和上下導向升降裝置，轉動軸裝置包括舉升鏈輪、旋轉懸臂、卷揚機及上下導向升降裝置。

3.3.5 控制單元設計

電氣系統(tǒng)由敷設裝置控制系統(tǒng)、充電系統(tǒng)組成。敷設裝置系統(tǒng)包括敷設裝置狀態(tài)監(jiān)視、運動控制、放線速度匹配計算、激光雷達避障處理、電池電量監(jiān)測、逆變電路等。充電系統(tǒng)主要為敷設裝置提供智能便捷的充電功能。

4 電纜敷設裝置仿真分析

4.1 仿真狀態(tài)說明

4.4.1 伺服牽引裝置仿真狀態(tài)說明

伺服牽引裝置主要完成線纜的牽引敷設工作。驅動動力采用伺服電機與行星減速器組合，控制精度高，輸出牽引力大小可控，輸出最大扭矩可達2100Nm。鋼絲繩采用8mm直徑304不銹鋼材質，在潮濕環(huán)境下抗氧化能力強。送線裝置和銷軸構成了鋼絲繩輔助機構，一對送線裝置上的凹槽結構之間的空隙，可有效規(guī)整鋼絲繩形態(tài)，使鋼絲繩與支臂間形成固定范圍夾角，防止鋼絲繩打結，銷軸端部連接鋼絲繩，收緊后與送線裝置有固定距離，避免鋼絲繩端部固定后收緊狀態(tài)下與送線裝置碰撞。連接套設置在支臂上，與支臂間有旋轉軸相連接，可在銷軸處于送線裝置遠端時，避免鋼絲繩與支臂纏繞。支臂包括支架、調節(jié)桿、托臂，調節(jié)桿套裝在支架內，可調節(jié)相對位置，使電纜輸送過程不易受到阻滯和干涉現(xiàn)象。通過驅動調節(jié)電缸活塞桿伸出距離的長度來控制放線拉桿的角度，從而可適應不同高度的線纜敷設作業(yè)。

按照目前人工敷設案例，電纜規(guī)格為HDYJE-K3-0.6/1KV-3*185+2*95,外護套直徑為58mm，無鎧裝層，允許牽引，牽引力為5daN/mm2，鋪設1300米長度電纜需要人工13人、耗時16h，計算敷設速度是平均0.0226m/s。伺服牽引裝置設計輸出最大牽引速度可達0.2m/s,最大牽引力可達15000N，整個過程中只需2-3名操作人員，從此數(shù)據(jù)看，敷設裝置敷設效率要大于人工敷設效率，敷設裝置敷設成本低于人工敷設成本。

4.4.2 錨定固定裝置仿真狀態(tài)說明

當電纜敷設裝置運動到作業(yè)指定點后，距離檢測傳感器裝置開始檢測當前位置與管廊頂面的距離是否在上固定液壓裝置活塞桿的行程內，當確定滿足錨定要求后，距離檢測傳感器裝置傳送信號至綜合液壓站，綜合液壓站中的電磁閥接收到信號后作出動作，首先控制下固定液壓裝置活塞桿伸出，機體被抬升，使全向輪離開地面后，上固定液壓裝置活塞桿伸出，直至與管廊頂面接觸。當綜合液壓站油壓壓力檢測器檢測到壓力標定值后，使整個液壓系統(tǒng)處于保壓狀態(tài)，此時全向移動底盤懸空，全向輪離開地面，可以開始進行電纜拖曳作業(yè)。電纜敷設裝置依靠上、下固定液壓裝置的雙向頂升，把電纜敷設裝置本體固定在管廊內。作業(yè)開始前，錨定整個過程在10s 內完成；作業(yè)結束后，在6s內釋放錨定和回收油缸，繼續(xù)進行下一段電纜敷設任務。

為了場景適應需求，電纜敷設裝置底盤上的固定油缸支持快速拆裝，可更換為不同行程的油缸，以滿足不同管廊高度。液壓缸活塞桿在第一級液壓缸頂升后未觸到管廊頂面，第二級液壓缸繼續(xù)頂升至活塞桿觸到管廊頂面，可適應不同高度的管廊頂面。四個單級液壓缸的底部分別設置在敷設裝置全向移動底盤上的承壓面板四個角上，以上固定液壓裝置的二級液壓缸為中心對稱分布，使每一個液壓缸所受外力相等，當四個液壓缸活塞桿伸使裝置全向輪離開地面時，機身保持平穩(wěn)。四個液壓缸通過分流閥使用單獨的子油路控制，每個子油路中均設置了溢流閥作安全閥，工作原理與二級液壓缸溢流閥工作原理一致[4]。

4.4.3 懸臂式升降裝置仿真狀態(tài)說明

懸臂式升降裝置利用升降原理和轉動軸原理制作而成，充分發(fā)揮了二者結合的優(yōu)越性。升降裝置可以通過液壓升降和滑動升降實現(xiàn)了不同高度層級電纜的敷設，在油缸活塞桿頂部裝有鏈輪安裝軸，鏈輪安裝軸兩端裝配舉升鏈輪，利用鏈輪安裝軸和舉升鏈輪將上下導向升降裝置送至不同高度，滿足不同層級的電纜敷設。

上下導向升降裝置由上下導向柱和上下導向板組成，上下導向柱兩端加設軸承使其具有旋轉性，上下導向板利用導向套與導向柱相連接，形成一套旋轉系統(tǒng)。轉動裝置增加了懸臂的靈活性，實現(xiàn)了懸臂方向和角度的調整，解決了電纜托盤軌道多軸向敷設的需要。

拉伸調節(jié)裝置是利用套筒的方式制作而成，可以根據(jù)現(xiàn)場實際需要對懸臂放線距離進行調節(jié)。利用長短的調節(jié)性延伸懸臂的敷設距離，使其能夠快速調節(jié)至平衡狀態(tài)，以最優(yōu)的模式完成多種環(huán)境的敷設任務。

卷揚機利用伺服驅動動力裝置帶動齒輪來控制牽引鋼絲繩的長短，從而控制電纜與懸臂之間的距離完成敷設任務。

4.4.4 控制實現(xiàn)方式

控制器通過總線通信控制敷設裝置前后移動、伺服牽引裝置和錨固釘裝置動作，系統(tǒng)離散信號接入采集模塊，采集模塊與控制器采用總線通信。通信連接示意圖如圖3所示。

圖3 通信連接

距離檢測傳感器裝置，作為電纜敷設裝置控制系統(tǒng)的一部分，其中垂直測距探頭設置在電纜敷設裝置殼頂。以便探測上固定液壓裝置活塞桿頂板與管廊頂面的距離，使用前設定好距離值，當探測到的距離符合錨定固定裝置的工作條件時，將信息反饋回敷設裝置控制中心，電纜敷設裝置停止前進，然后錨定固定裝置開始工作。直流動力源給液壓泵輸入動力，液壓泵啟動，為上固定液壓裝置和下固定液壓裝置供油。油箱通過油管向組合閥體供油，依次連接單向閥、電磁換向閥、順序閥，再連接上固定液壓裝置和下固定液壓裝置的電磁換向閥，液壓油通過回流管再次回到油箱，實現(xiàn)循環(huán)利用。綜合液壓站接收距離檢測傳感器裝置的信號后作出應答，電磁閥動作，進行液壓系統(tǒng)輸油和回油操作。

5 電纜敷設裝置的應用

本文所述的電纜敷設裝置已在某核電工程建設中進行應用，目前，敷設裝置電纜敷放過程作業(yè)人員相比較人工電纜敷設減少80%，并且不直接參與拖拉電纜的體力勞動，有效的保證安全，施工風險得到了有效的控制。

1）電纜敷設裝置開機自檢通過后。敷設裝置可以接收作業(yè)任務。任務下達后，由人工將被牽引敷設的電纜與伺服牽引裝置線纜連接套進行連接固定；2）電纜敷設裝置按照任務要求行駛。在前進過程中，運動控制系統(tǒng)根據(jù)導航避障單元的感知信息，進行全向移動底盤的控制。并同時控制伺服牽引裝置，根據(jù)行進距離同步釋放牽引鋼絲繩。到達指定牽引位置后，錨定固定裝置依靠液壓缸伸出活塞桿進行車體固定。為牽引做好準備；3）伺服牽引裝置啟動工作。在電纜導向輔助工裝的支撐下實現(xiàn)牽引。牽引過程中可通過讀取稱重傳感器數(shù)據(jù)對牽引力實時進行監(jiān)控。管廊外的線纜供應輔助裝置，配合電纜敷設裝置同步進行線盤放線工作；4）電纜敷設裝置根據(jù)任務是否完成，是否穿越防火架等情況，進行邏輯處理。進行必要的以上步驟重復直至任務完成；5）當電纜敷設裝置到達防火墻時，由于空間有限無法穿越，裝置自動識別防火墻障礙,斷開電纜頭套,敷設裝置自動移動到防火墻另一側,由人工把電纜放進電纜套里,電纜套自動識別鎖緊，繼續(xù)進行牽引工作；6）當電纜敷設裝置完成一盤線纜敷設施線后，由操作人員遠程遙控敷設裝置返回到敷設施線原點，再次進行線纜敷設，依次重復進行線纜敷設施線。

6 結語

電纜敷設裝置的設計解決了核廠房空間內小規(guī)格電纜牽引式敷設和廊道受限空間內電纜自動化敷設問題，同時解決了人力投入量大、施工效率低、工程質量不高的問題。電纜敷設裝置的設計可以在類似的核電建造電氣安裝部分的電纜敷設工程中進行推廣。