一种输变电施工多功能导线牵引器研制*

张宏伟

(国网甘肃省电力公司 金昌供电公司，甘肃 金昌 737100)

0 引 言

输变电工程施工中，线缆架设时需要利用钢缆对线塔牵引固定，通常利用螺钉直接固定在塔身上[1]，需要作业人员精确确定塔身的锚点从而确定牵引方向，方向落后，安装繁琐，施工难度大。

笔者针对现有线塔牵引固定方式存在的问题，提出了一种多功能电动导线牵引器，借鉴施工塔吊工作原理，适应不同牵引方向，可以根据工作需要组装成不同的功能模块组合或单独使用，实用性强、携带方便、操作简便。有效解决了输变电线缆架设时，钢缆牵引方向单一、安装繁琐、难度大等长期困扰施工的难点问题，可以广泛应用到各电压等级输变电工程和配电网线路施工。

1 设计与论证

输变电工程施工中，常用的牵引方法主要有[2]：

(1) 定滑轮人工手拉绳子。主要是在传递体积小、重量轻的物品时采用。

(2) 动滑轮。主要是物品较重时采用。

(3) 机械绞磨。主要是人工无法传递物品时采用。

对某单位2019年1064次牵引方式进行统计、分析情况，具体如下。

(1) 定滑轮人工牵引850次、占比79%，主要特点是作业人员体力消耗大，无法牵引重物。

(2) 动滑轮人工牵引120次、占比11.1%，主要特点是作业人员体力消耗小，需要高空作业人员携带两组滑轮及牵引绳登塔。

(3) 定滑轮人工绞磨53次、占比4%，主要特点是作业人员体能消耗小，需要地面安装绞磨，携带不方便。

(4) 动滑轮人工绞磨10次、占比0.9%，主要特点是作业人员体能消耗小，安装繁琐，高空作业人员工作量较大。

(5) 定滑轮机械绞磨26次、占比2.4%，主要特点是安装繁琐，不能适应所有场所。

(6) 动滑轮机械绞磨5次、占比0.46%，主要特点是安装繁琐，不能适应所有场所。

可以看出，定滑轮人工牵引、动滑轮人工牵引等方式需要多人配合，且无法牵引较重物品。其他方式虽然能牵引重物，但附属设施较多，携带不便，且对使用场所要求较高[3]。如图1所示。

图1 常用牵引方式

对2015年～2019年各种绳索牵引方式进行统计如表1所列，可以看出，定滑轮人工牵引的牵引重量最小，作业人员最少。定滑轮绞磨的牵引重量最大，但需要作业人员较多。

表1 各类牵引方式统计表

1.1 目标与方案

经过充分调查和分析，确定了研究目标。

(1) 定性目标。研制一种适应性强、携带方便、动力强劲，能够替代人工的电动牵引辅助作业工具，提升工作效率，减少作业人员。

(2) 定量目标。将100 kg重物由地面垂直提升至30 m高处时，作业人员控制在3人以内，时间控制在5 min以内。降至地面时仅需1人，时间控制在2 min以内。

根据上述目标，提出了3个总体方案。如表2所列。

表2 方案设计表

1.2 分析与论证

对上述方案逐一分析、比较，并请一线工作人员结合工作经验和现场实际综合评价，评价标准如下。

(1) 牵引至30 m高处的时间控制在1 min以内。

(2) 作业人员按最小需量控制，200 kg重物牵引至10 m高处时，只需要2人。

(3) 成本费用最低，总造价不超过3 000元，单体设备不超过1 500元。

(4) 总重量不超过10 kg，组装不超过120 s。

各拟选方案分析论证如表3所列。

表3 拟选方案分析论证表

通过分析、论证，最终确定研制基于电动绞磨驱动的多功能牵引器。

1.3 评估与优化

对拟选方案进一步优化，主要涉及驱动电机、动力电源、电机调速器及主体材料选择等方面。

(1) 驱动电机选择

驱动电机主要有直流涡轮蜗杆减速电机、直流齿轮减速电机、行星减速电机和谐波减速机等4种方式。按照转速大于30 r/min、重量轻、造价低等标准遴选。如表4所示。

表4 驱动电机选择对比表

同时，进行牵引试验，将100 kg重物牵引至15 m高处，记录用时。

(2) 动力电源选择

从电压等级合理、充电速度快、使用寿命长、续航里程强劲、安全稳定、价格适中及重量轻等方面选择，主要有铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢蓄电池和锂离子电池等4种。如表5所列。

表5 动力电源选择对比表

续表5 动力电源选择对比表

(3) 电机调速器选择

为实现正反转控制，选择直流电机调速器。

按照电压等级合理、最大电流≤30A及安全风险低等标准选择调速器方式，有有线调速和无线调速两种。如表6所列。

表6 电机调速器选择对比表

(4) 固定方式选择

为适应不同电压等级和不同类型的杆塔，固定方式主要有卡具端子和线夹两种方式。从机械强度、安全性及稳固性等方面综合评估。如表7所列。

表7 固定方式选择对比表

(5) 主体支撑材料选择

为减轻设备重量、提高安全性，从机械强度、成本费用等方面选择主体材料，主要有铁质和钛合金材料两种，对比分析如下。

铁质材料。重量15 kg，造价为100元，主要特点是加工制作方便，可塑性强，可以制作各种不同形状，强度较低。20次模拟操作时，出现裂纹或变形。

钛合金材质。重量8 kg，造价为200元，可利用现成电力卡具丝杆制作，材质强度较高。模拟20次操作未发生损坏或断裂。因此，主体支撑材料拟选择钛合金材质。

2 研究与制作

2.1 确定最佳方案

按照以上分析、论证，确定最佳制作方案，如图2所示。

图2 方案设计总框图

2.2 制定计划

根据5W1H原则，制定研制计划表，如表8所列。

表8 研制实施计划表

2.3 设计制作

(1) 动力部分 采用齿轮减速电机，如图3所示。经过试验，扭矩符合要求，动能输出稳定持续，正、反转转换灵敏，转速正常。

图3 动力部分加工制作图

经过模拟操作，稳定输出率达到100%，20次牵引操作，最大容许扭矩正常。如表9所列。

表9 电机最大容许扭矩试验表

可以看出，此电机满足不同条件下最大容许扭矩要求[4]，输出稳定，启停反应灵敏，可快速实现正、反转切换。

(2) 动力电源 选用锂离子电池组，外形尺寸为350 mm×270 mm×160 mm、标准电压为24 V、额定容量为120 AH，重量<10 kg。

经过试验，电池组持续放电时间≥10 h，充电电流为10 A，满足要求。

(3) 遥控装置 设置直流无线遥控控制器，外形尺寸为160 mm×92 mm×43 mm、输入电压为12～30 V、额定电流为30 A、调速范围为0～100%、pwm频率为21 kHz、电位器阻值为100 k。

经过试验，可以实现远程控制正反转及牵引双速度，停止供电后可以对电机发送锁死信号。接线如图4所示。

图4 无线控制器接线图 图5 主体结构图

(4) 主体结构 主体结构尺寸为：卡具丝杆伸缩范围30～60 mm，卡具丝杆螺栓孔距16 mm，地面卡座(长×宽)500 mm×300 mm，线夹尺寸50 mm×20 mm×30 mm，卡具端子直径Φ150～Φ230 mm，螺栓尺寸Φ16 mm。

为方便安装，卡具丝杆与卡具端子、电机、线夹采用螺栓连接固定。主体结构尺寸准确率100%，主体结构尺寸误差在±10 mm以内。经过试验，机械强度、粗糙度、弯度及间隙等指标均符合要求。如图5所示。

(5) 与杆塔连接工具 固定卡具端子与不同型号钢管杆、水泥杆、铁塔100%接触，同时应具有防止滑跑措施，各方位晃动不脱落。

(6) 固定螺栓 螺栓主要用于固定卡具丝杆与线夹、卡具端子及底座，不用扳手即可固定，携带方便。同时，要求承重大于10kN，扭矩满足要求。

对螺栓连接部位进行10次调节、拆卸试验，接触机构与扳手连接牢固，可任意调整，可调率达到了100%。螺栓安装位置正确，用扭矩扳手测量螺栓扭矩满足要求。

(7) 电线接头 电线接头及延长线选用10号、4 m2纯铜线缆，可通过最大瞬时电流为30A。外壳绝缘部件采用高性能工程塑料。

插头采用航空插头，插接方便，接触稳定、可重复插拔。如图6所示。

图6 电线接头及延长线图

2.4 组装调试

经过试验，整体组装时间为3 min，活动部件转动无卡涩，使用正常，效果良好。组装后，安全、质量、设备、环保等管理部门组织了专题安全、质量、技术和环保认证，结论为合格[5]，并获得授权。

3 成果分析

3.1 研究成果

2020年11月，将多功能牵引器固定到铁塔主材上，在2人配合下垂直牵引100 kg重物至杆塔下横担15 m处，模拟10次牵引操作试验。时间分别为：1.2 min、1.2 min、1.3 min、1.3 min、1.2 min、1.2 min、1.3 min、1.2 min、1.3 min及1.2 min，平均用时间1.24 min。

3.2 效果检查

该多功能电动牵引器总重量10kg，携带方便。现场168次模拟牵引试验中，该牵引器牵引153次、占比91%，其他方式牵引15次、占比9%。

很明显，多功能电动牵引器使用频次高，起吊效果良好，且适合各种作业场所，实用性很强。

3.3 性能试验

按照规定[6-7]，对多功能电动牵引器进行动、静荷重试验，试验结果均合格。

(1) 静荷重试验[8]。耐加120 kg重力持续5 min，未发生变形及受损。

(2) 动荷重试验[9]。施以1.5倍允许工作负荷，模拟3次操作试验，工具使用正常，活动部件无卡涩。

3.4 效益分析

(1) 经济效益。本科研项目费用主要有材料费、工器具购置和加工制作费等。

总成本=材料费+购买工器具费用+加工费≈1 500元/件

多功能电动牵引器研制成功投入使用后，降低人工费用，节约运维成本。

年节约成本≈300元/天.人×2人×50天=30 000元

其中，工作时间按50天/年计算，人工成本按照300元/天.人计算[10]。

(2) 社会效益。多功能电动牵引器的应用，减少了作业人员，提高了工作效率，节约了人工成本，降低了安全风险，提升了安全管理水平。同时，提高了供电可靠性和电压合格率，提升了供电企业形象。

4 结 语

输变电用多功能电动导线牵引器借鉴施工塔吊工作原理，适应各类型号钢缆及不同牵引方向，可以根据工作需要组装成不同的功能模块组合或单独使用，实用性强、携带方便、操作简便，一具多用、功能齐全、安全可靠。该工具有效解决了输变电线缆架设时，钢缆牵引方向单一、安装繁琐、难度大等长期困扰施工的难点问题[11]，经济性、实用性、安全性、可靠性及便捷性等都很强，可以广泛应用到各电压等级输变电工程和配电网线路施工，推广应用前景广阔。