新型架空线路防坠落装置用自锁器研制

卫晓东，梅 佳，李 祺，周立民，魏云龙，安传毫

(北京国网富达科技发展有限责任公司，北京 100070)

0 引言

随着我国电力架空线路的快速发展，线路电压等级以及铁塔的高度不断提升。目前人工登塔巡检仍然是架空线路检修的主要方式。作为高空危险作业工种，人工登塔检修工作对人员体力消耗较大，易发生人员高空坠落等危险事件。根据国家能源局通报，2020 年我国电力行业发生36 起人身伤亡事故、死亡45 人，高处坠落造成10 起事故、14 人死亡，由高空坠落发生的事故占比近28 %[1]。近年来，国家电网有限公司和中国南方电网有限责任公司借鉴外国相关经验，在国内新建线路铁塔上安装了防坠落装置，并分别制定了相关标准，降低了登塔检修作业中人员高空坠落发生的概率[2-4]。但目前已经安装的防坠落装置的刚性导轨截面规格和现场安装质量并未完全统一，防坠落装置的使用效果还不是很理想，其中自锁器在装置刚性导轨上的顺畅性和安全性是装置使用效果的一个重要方面[5]，如何在保证自锁器使用安全性的前提下，提高自锁器的顺畅性是一直困扰一线登塔人员的问题。

目前，国家电网有限公司在新建架空线路上应用较为普遍的防坠落装置刚性导轨为T 型导轨。针对T 型导轨的现场使用需求，下面设计了架空线路防坠落装置用自锁器，对其机械结构及特性进行了研究，生产了样机，通过了实验室验证，并在架空线路作业现场进行了应用。该自锁器可有效解决一线检修作业中存在的使用难题，提高其顺畅性，增强登塔作业人员的良好使用体验，保证登塔作业人员的安全。

1 新型自锁器导向方案

自锁器的工作原理如下：登塔人员正常作业时，自锁器可随登塔人员沿导轨移动；当人员坠落时，自锁器可立即利用杠杆原理，使其偏心结构件配合导向结构自动卡锁导轨，进行制动。通常自锁器偏心结构件卡紧导轨上平面，导向结构卡紧导轨下斜面。为了更好地研究自锁器的导向结构效果，导向方案设计两种结构形式，分别为滑动导向结构和滚动导向结构两种方案，具体介绍如下。

1.1 滑动导向结构

自锁器滑动导向结构设计如图1 所示，自锁器的滑动导向面为具有一定倾斜度的贯通平面结构，与导轨下斜面相接触。为保证自锁器能更好适应导轨下斜面，其倾角与导轨下斜面倾角保持一致。

图1 自锁器滑动导向结构

1.2 滚动导向结构

自锁器滚动导向结构设计如图2 所示，自锁器的滚动导向结构由三组六个滚动导向轮组成，呈对称结构。滚动导向轮可沿自身轴线转动，实现在导轨下斜面的滚动运动。为保证自锁器能更好适应导轨下斜面，滚动导向轮外表面倾角与导轨下斜面倾角同样保持一致。

图2 自锁器滚动导向结构

2 新型自锁器拆卸方案

传统自锁器一般采用一体式结构，不具备可拆卸性，只能在铁塔导轨的最下端或者最上端安装或者拆卸。这种结构存在以下问题：在个别情况下，当铁塔导轨中间某段导轨存在卡点，自锁器无法正常通过时，登塔人员无法继续使用自锁器攀爬铁塔，不能有效保证登塔人员安全。为了解决以上问题，与传统自锁器的一体式结构不同，下面研究设计的一种新型自锁器采用“分体式可拆卸结构”，其主体结构分为左右两侧机体，如图3 所示，分别为滑动方案和滚动方案的拆卸结构闭合状态、打开状态。其中，拆卸开关为机械控制开关，对自锁器的分体式可拆卸结构起到自锁限位作用，在导轨上正常使用时拆卸开关为自动锁闭状态。该开关必须经过“下按”“前推”两个连续明确的动作才能打开，防止自锁器意外脱离导轨，具备防误操作功能。

图3 自锁器分体式可拆卸结构

正常使用时，自锁器在拆卸开关的作用下，保持自动锁闭状态；安装和拆卸自锁器时，打开拆卸开关，使自锁器右侧机体向该侧平移，再向该侧旋转即可满足安装拆卸作业条件；安装和拆卸作业完成后，以与打开过程逆向的顺序操作自锁器，即可使自锁器自动恢复锁闭状态，转化到正常使用工况。

相对于传统自锁器，该新型自锁器拆卸结构的设计具备以下应用效果：可使自锁器在铁塔导轨任一位置进行拆卸，克服了传统一体式结构“只能在铁塔导轨的最下端或者最上端安装或者拆卸”的弊端；同时该拆卸结构具有防误操作功能，能够全程保证登塔人员安全。

3 新型自锁器结构强度分析

在架空线路检修人员登塔作业中，自锁器对人员安全起着至关重要的作用，必须按照相关标准对其结构安全性进行计算分析，其中关键性能指标主要有两项，即整体静态负荷性能和整体动态负荷性能[6]。整体静态负荷性能可采用计算机模拟计算和力学试验结合的方法进行设计校核，整体动态负荷性能主要采用力学试验方法进行检验。

3.1 计算机模拟计算

计算机模拟计算主要校核自锁器在设计阶段的整体静态负荷性能，可有效降低自锁器产品设计试制成本，缩短研发周期。下面采用三维建模软件Solidworks 对自锁器进行三维建模，按照整体静态负荷性能加载条件，在自锁器上设置载荷和位移等约束条件，由软件计算自锁器的应力数值，如该数值小于自锁器对应材质的屈服强度，即可满足整体静态负荷性能要求。

上述设计的自锁器两种方案中机体主体件均使用的是高强度铝合金材质，屈服强度为470 MPa[7]，偏心结构件使用的特种不锈钢材质，屈服强度为540 MPa。

Solidworks 软件自动计算自锁器滑动方案和滚动方案的应力分布。从自锁器滑动方案应力分布云图可知，整体静态负荷条件下，自锁器整体最大应力423.6 MPa，位于偏心结构件上，小于该材质的屈服强度540 MPa；机体主体件最大应力为320.0 MPa，小于该材质的屈服强度470 MPa，满足自锁器整体静态负荷性能，结构安全。从自锁器滚动方案应力分布云图可知，整体静态负荷条件下，自锁器整体最大应力356.5 MPa，位于偏心结构件上，小于该材质的屈服强度540 MPa；机体主体件最大应力为187.4 MPa，小于该材质的屈服强度470 MPa，满足自锁器整体静态负荷性能，结构安全。

综上所述，自锁器的滑动方案和滚动方案均满足自锁器整体静态负荷性能设计要求。

3.2 力学试验

自锁器力学试验主要采用实验室力学试验检测的方法对其整体静态负荷性能、整体动态负荷性能进行检验判断。整体静态负荷性能检测按照15 kN外力进行加载，整体动态负荷性能按照100 kg 模拟人进行冲击，具体连接及加载方法按照标准要求进行[6]。经过力学试验，自锁器滑动方案和滚动方案均未出现金属件碎裂现象；卸载后，自锁器能正常解锁，顺畅滑动，并能正常锁止，两种方案均满足标准要求[6]。作为高空作业电力安全工器具，为保证自锁器的安全性，在实验室力学试验的基础上，自锁器通过了国家劳动保护用品质量监督检验中心(北京)的型式试验。

4 新型自锁器现场试验

新型自锁器试制完成后，在500 kV 宜华线进行了现场应用试验，登塔人员分别使用两种方案的自锁器攀爬铁塔。经过试验对比，在可拆卸性方面，自锁器滑动方案和滚动方案均可有效完成在导轨非端部位置的安装和拆卸作业；在使用效果方面，滑动方案的顺畅性略优于滚动方案。

5 结束语

基于防坠落装置T 型导轨研究了自锁器的导向方案和拆卸方案结构，对不同结构方案进行了仿真计算和实验室力学试验，并进行了现场应用试验。在保证自锁器安全性能的基础上，使自锁器具备了拆卸功能，并提高了现场适用性，解决了一线登塔人员的使用难题。本项目的应用，对于提高架空线路登塔人员的工作效率，保障人员安全，具有重要意义。

以上滑动方案的自锁器虽然使用效果相对较好，但也存在继续优化提升的空间。未来，随着技术的进步，相关研究人员将会研究更先进的自锁器，以推动我国架空线路登塔防坠技术的进步。