轻型便携式登塔设备的研究

王志军，李易，梅佳，卫晓东，李学斌，杨军宁

(北京国网富达科技发展有限责任公司，北京 100070)

0 引言

为优化能源资源配置、节省输电线路走廊用地，我国正在发展特高压输电技术[1-2]。随着特高压输电线路的发展，输电铁塔的高度不断增加，登塔检修工作也将越来越频繁，对登塔作业设备的重量、使用便携性、运输和搬运提出了更高的要求。

现有登塔设备的重量和不可分体对设备运输和使用造成了一定的影响。本文研究了一种重量更轻、便携性更好的登塔设备，以满足输电铁塔登塔使用。通过对现有登塔设备进行深化研究，减轻了设备自重，实现设备分体安装和拆卸，提高设备使用的便携性和舒适度。该设备可用于特高压及其他线路的登塔检修作业，对保证输电线路维护检修作业的安全，减轻作业强度，提高工作效率，满足特高压输电线路维护和检修的需要具有重要意义[3]。

1 轻型便携式登塔设备的结构设计

通过结构优化、驱动系统和电气系统的选型优化，实现设备的轻型化和模块化设计。设备采用分体结构，可实现快速安装和拆卸，机体结构由动力箱和机身两部分组成，如图1所示。动力箱内主要布置动力系统。机身结构采用定制的铝合金型材[4]，驱动系统、电气系统和防坠安全器等都布置在机身结构上，改善了电气系统工作环境，减少了线缆数量。机身与动力箱实现分体连接，通过快速拆装定位结构实现机身和动力箱之间的结构连接和电气连接。

图1 轻型便携式登塔设备结构

2 轻型便携式登塔设备的作业工况分析

为了保障作业人员的安全，对登塔设备安全性的要求极高[5]。载荷分析与计算是机械系统设计及力学校核的基础，参考GB 26557—2011《吊笼有垂直导向的人货两用施工升降机》[6]、GB/T 3811—2008《起重机设计规范》[7]，结合设备的结构型式，进行载荷分析与计算。

不同载荷工况下，机体受力状态不尽相同，设备在使用过程中，主要有正常使用、装载、异常情况下安全装置作用等3种工况。通过分析，异常情况下安全装置作用工况发生时，防坠安全器进行紧急制动，防坠安全器安装在机身立柱上，与前两个工况比较，机身将产生较大的应力，为设备受力最危险工况，因此对此工况的载荷情况进行分析计算。

3 安全装置作用时的力学分析

机身材料为铝合金，材料的许用应力为：

式中：σb为抗拉强度，MPa；ηb为安全系数，取值2.5。

动力箱构件材料为不锈钢，材料的许用应力为：

式中：σs为屈服强度，MPa；n为安全系数，取值1.5。

铝合金及不锈钢都为塑性材料，形状改变比能是引起材料屈服的主要原因，力学分析时，计算出等效(Von Mises)应力，并与许用应力比较，即强度准则为：

异常情况下安全装置作用工况载荷包括设备静载荷及安全装置作用的冲击效应、额定载重量及安全装置作用的冲击效应和风荷载。

(1)设备静载荷及安全装置作用的冲击效应为

øG=2.5×0.55 kN=1.375 kN ，

式中：G为设备静载荷，kN；ø为超速安全装置动作引起冲击系数，取值2.5。

(2)额定载重量及安全装置作用的冲击效应为

øF=2.5×1 kN=2.5 kN ，

式中：F为设备额定载重，kN。

(3)风载荷。工作状态风压不考虑高度，风速取vw=30 m/s，风压为：

p=0.625vw2=562 N/m2。

设备形状不规则，按载人状态下，设备与人的最大高度尺寸和宽度尺寸确定，载荷作用面积：

A2=Hmax×Bmax=1.2 m2，

式中：Hmax为风载荷作用最大高度，m；Bmax为风载荷作用最大宽度，m。

风力系数c取值1.2，包括形状系数和挡风折减系数。

风载荷为p=cpA2=809 (N)。

采用Solidworks软件进行建模分析[8]，施加位移和载荷约束后计算，分析结果如图2所示。

图2 设备结构的应力分布

从应力分布图可以看出，最大等效应力为88 MPa，位于不锈钢构件上，小于材料许用应力值，设备的强度满足使用要求；最大位移为1.4 mm，不影响外观及使用效果。

4 结束语

对比现有登塔设备，轻型便携式登塔设备具有设备自重更轻，可分体安装、拆卸及运输等优点，显著提高了设备使用的便携性和舒适度，可以更好地满足铁塔检修等需求。

通过对作业工况的分析及强度分析，本文提出的轻型便携式登塔设备能满足检修作业的使用要求。目前我国投运的特高压输电工程已达十几条线路，包括超高压及普通输电线路，存在大量高度超过50 m的铁塔，在线路检修运维工作中，轻型便携式登塔设备的应用，可以有效地保证检修作业的安全，减轻作业强度，提高工作效率。同时轻型便携式登塔设备可以在西藏、青海等高海拔地区、风力发电塔、通信塔、水塔、电厂冷却塔等户外超高建筑上使用，应用前景广泛。