基于汽車起重機的可調式跨越架的結構設計

劉 敏，甘利紅，劉 帆，劉胤辰，王志斌

（1.國網湖北省電力有限公司咸寧供電公司，湖北咸寧 437000；2.湖北科技學院自動化學院，湖北咸寧 437100）

0 引言

在送變電行業的架線施工中，跨越是常見的施工工況[1]。跨越架是線路施工過程中用來支撐導、地線，臨時通過公路、鐵路、電力線以及弱電線路的架子[1-2]。傳統跨越架在搭設前需要實地勘測，考慮天氣等因素，需經過嚴格的審批流程、多方協調，搭設和拆除成本比較高，同時存在安全隱患，容易發生架體坍塌、人員傷亡事故[3]。

針對傳統跨越架在應用中的問題，開展新型跨越架研究。文獻［4］設計了一種新型移動格構式跨越架，文獻［5］設計了一種伸縮式跨越架，文獻［6］設計了一種升降式跨越架，文獻［7］基于雨傘的工作原理，研制了一種車載移動式跨越架，由汽車起重機、跨越架本體以及附件等組成。

文獻［3］～文獻［7］中沒有考慮跨越不同規格的電力線時對跨越架的實際整架長度和架頂寬度的尺寸的要求。因此，本文基于汽車起重機設計了一種可調式的跨越架，滿足實際整架長度和架頂寬度可調的要求。立足于基本功能，新型跨越架的結構形式相較于傳統跨越架有很大改變，使用更加便捷。

1 傳統跨越架

1.1 傳統跨越架組成

傳統跨越架采用架體和封頂絕緣網的結合模式，架體的作用是承擔導、地線的放線沖擊，封頂絕緣網的作用是保護落線（圖1）[2]。

圖1 傳統跨越架

傳統跨越架的架體材料通常選用毛竹或鋼管，其結構主要由立桿、縱橫向水平桿、縱橫向掃地桿、剪刀桿及羊角撐組成，通過鐵絲或扣件連接而成的臨時結構架，具有工作可靠、裝拆方便和適應強等優點（圖2）。

圖2 傳統跨越架架體立面結構

1.2 傳統跨越架工作原理

架線過程中，新建桿塔之間架設的電力線的中心線和被跨越電力線的中心線重合，二者之間的交叉角為θ。新建導線或地線間距、風偏值及安全裕度是影響跨越架體有效長度的因素，而有效長度、跨越長度及交叉角之間存在幾何關系，其中被跨越導線或地線間距、風偏值及安全裕度是影響跨越架體寬度的因素（圖3）。

圖3 傳統跨越架的工作原理

2 新型跨越架設計

傳統跨越架的工作原理表明，在不同的應用場景中，跨越架的跨越長度和跨越寬度需根據實際情況進行設計計算，以滿足跨越需求。因此，本文提出一種新的跨越架設計思路，采用多板塊式架體結構，實現跨越架的整架長度和架頂寬度可調。

2.1 載體

汽車起重機是目前應用非常廣泛的一種起吊搬運機械，由起升、變幅、回轉、起重臂和汽車底盤組成，依靠起重臂的伸縮來搬運物品（圖4）。新型跨越架基于汽車起重機載體，機動性強、轉移迅速，利用汽車起重機的回轉、起升、伸縮功能滿足跨越架的位置調整。

圖4 汽車起重機

2.2 工作原理

基于傳統跨越架的工作原理設計一種新型跨越架，其由主體和架體兩部分組成，安裝于汽車起重機的主臂末端。該主體機構有2 個自由度，可以滿足架體的姿態調整功能，其工作原理如圖5 所示。

圖5 新型跨越架工作原理

新型跨越架的架體分為12 個板塊，板塊之間采用串聯的結構形式，可通過調整板塊之間距離實現跨越架的整架長度和架頂寬度可調，以適應不同場景對跨越長度和跨越寬度的要求（圖6）。

圖6 新型跨越架結構示意

2.3 結構設計

回轉支承結構是新型機械零部件，能夠承受復合型載荷，具有同時承受較大的軸向力、徑向力和傾覆力矩的能力，在工業中應用廣泛，被稱為“機器的關節”，是物體之間作相對回轉運動的重要傳動部件。根據結構特點和應用場合的不同，其基本工作方式有兩種：內圈固定，外圈旋轉；外圈固定，內圈旋轉。回轉支承結構關節01 采用一側是回轉支承，另一側是軸承的組合形式；關節02 采用回轉支承；安裝位置與汽車起重機的末端相連接；連接位置與架體相連接（圖7）。

圖7 新型跨越架的主體

圖6 所示的多板塊式架體，板塊之間采用導向結構，由液壓缸作為動力執行件。液壓缸的安裝方式包括底座型、法蘭型、耳環型、耳軸型、銷軸型及球頭型等。由于本文中液壓缸的工作行程較大，為避免液壓缸桿發生彎曲變形，導致使用壽命縮短，選用耳環型安裝方式。新型跨越架的架體結構如圖8 所示，整架長度由左側板塊（A1、A2、A3）和右側板塊（B1、B2、B3）共同組成，架頂寬度由頂層板塊決定，整體為可調式結構。

圖8 新型跨越架的架體

3 工程應用

實際工程應用中，施工前審批流程多，對跨越施工方案的要求高，施工過程中需要進行高空作業，有時需要帶電作業。在10 kV 線路施工過程中，搭設及拆除傳統跨越架需要6 名工人協作完成，共需192 工時，單次搭設、拆除的成本約7 萬元。新型移動式跨越架在搭設和拆除過程中需要2 臺汽車起重機配合完成，1 臺負責起吊跨越架，將其安裝于另1 臺的末端，耗時約10 min，需2 位吊車司機和1 位觀察員協同完成，單次搭設、拆除的成本約0.4 萬元。按照平均每年跨越施工次數30 次計算，每年可節約210 萬元。

新型移動式跨越架在架線行業具有廣闊的市場前景。新型移動式跨越架已成功實現172 次鐵路、公路及輸電線路的跨越施工，能有效提升施工效率，降低帶電作業風險，減小交通運輸壓力，減少施工停電次數，降低社會公共安全風險，累計節省各項施工成本1000 余萬元。

4 結論

本文設計的新型跨越架基于汽車起重機載體，可以實現架體的位置和姿態可調，并采用多板塊式架體結構實現了跨越架整架長度和架頂寬度可調，擴展了跨越架的適用范圍，可以適應不同的架線場景，大幅提高跨越施工效率。