摘要：针对山区运输条件不便、施工场地复杂等问题，提出了一种轻型单摇臂悬浮式内拉线抱杆设计方案；通过对铁塔组立施工的深入分析，提出了采用背弓架结构的先进理念，充分降低了抱杆自身重量，提高了吊装灵活性和便利性；并通过应用先进的液压电控技术和无线遥控技术，研制出了适宜高山大岭地区铁塔组立的新型抱杆，可有效提高组塔施工效率和施工经济性；采用有限元分析方法对设计方案进行了计算验证，保证了抱杆的安全可靠性。
关键词：单摇臂；内拉线；悬浮式；抱杆；组塔
1、引言
近年来，为满足国家各行业高速发展对电力的需求，高压、特高压输变电工程的的建设也在快速发展，受输电工程建设距离长、线路自身辐射大以及输电线路走廊越来越匮乏等因素影响，输电线路路径将面临各种复杂地形和复杂环境，如高山大岭，沙漠戈壁，水域池塘以及交通运输条件非常困难的，或者跨越，临近附着物对施工作业有苛刻要求的自然条件，极大地增加施工难度和施工安全风险。为尽可能降低安全风险，类似于建筑塔吊的落地抱杆在特高压工程中得到推广应用，其机械化水平高，结构稳定性好，安全风险明显降低。但落地抱杆用料多、自重大，不仅加大了运输难度，而且经济性很差。例如，在山区组立100吨左右铁塔，而落地抱杆自身重量已达到50吨以上。内悬浮外拉线抱杆是中国输电工程专家的智慧结晶，其自身重量轻，应用方便，但不适宜高山大岭等难以搭设拉线的地形条件，而且拉线系统复杂，安全性能低，施工工艺粗放，缺乏设备化，其推广应用受到限制。前些年在极个别输电工程中使用了全液压悬浮自爬升双摇臂抱杆，但受自身重量重和现场安装复杂等因素影响，也没有得到推广应用。
鉴于上述各类抱杆在使用中存在的诸多缺点，在分析现场应用条件和总结现场施工经验的基础上，一种新型的组塔机具轻型单摇臂悬浮式内拉线抱杆应运而生，它是用于解决交通运输困难，施工地形狭窄或者临近附着物无法使用外拉线作业等复杂地形条件下的施工技术难题及安全问题。该抱杆的研发充分研究了高原550kV输电线路、山区750kV输电线路、±800kV直流线路以及交流1000kV输电线路双回路铁塔的结构和施工特点，总结以往输变电施工经验，并广泛借鉴起重机行业技术的应用，经多方论证后，研制出自身重量相对较轻，内拉线控制，电控液压传动，力矩限制器、角度限位传感，遥控操控等安全可靠度较高的一种悬浮式组塔抱杆设备，非常适应高原地区、山地组塔施工机械化施工的要求。
2、主要性能参数确定
随着工程设计的逐步成熟，输电线路铁塔种类也趋于标准化和相对固定化，而在组立铁塔的过程中一次起吊重量一般在不超过1.5吨，只有塔尖等极少数需要一次组装起吊的部位重量达到2.5吨左右，据此确定单摇臂悬浮内拉线抱杆的性能参数如下：
⑴、额定起吊重量2.5T，最大工作半径≥12m；
⑵、抱杆高度24m，摇臂长度16m；
⑶、单件重量不超过200kg，整机重量≤5T
⑷、抱杆摇臂可在0°~90°之间竖直变幅；
⑸、抱杆可在0°~355°之间水平回转。
3、整体方案及工作原理
单臂悬浮内拉线抱杆由底支架、主塔身、腰环装置、电气控制装置、回转机构、桅杆及背弓架装置、变幅机构、主臂、吊钩等机构组成。
底支架的下部分为球形支撑座，用钢丝绳将底座固定和承托；底支架上端设计有4个法兰接头，与塔身标准节的法兰接头通过销轴连接。
塔身标准节采用方管焊接而成，上端面的法兰接头和下端面的法兰接头可以互相配合，通过销轴连接，标准节一节一节依次连接，标准节的中心高度为2米；最上端一节采用加强标准节，内部设计有提供动力的液压泵站系统。
腰环用来在水平方向固定抱杆，使抱杆塔身始终竖直，腰环设计成可以使回转机构和桅杆整体通过，腰环的四角为方框形，内有导向滚轮，保证腰环和塔身外表面良好接触并能相对移动；
回转机构采用专业定制，采用内啮合齿轮传动，依靠液压马达驱动。下端通过下支座与标准节连接，上端回转台连接。
桅杆及背弓架机构固定在回转机构的上端，和回转机构一起旋转。背弓架和桅杆之间利用液压油缸连接，通过油缸的伸缩控制背弓架的展开和收回。
主臂由臂根、多个臂架标准节和臂头几部分组成。臂根为和桅杆相对称的斜面框架结构，当臂架竖立时，臂根的斜面和桅杆的斜面贴合，臂根和桅杆构成一个标准节样子的长方体，方便腰环通过。起吊用的卷扬装置设计安装在臂根内部。臂架标准节也采用方管焊接。臂头设计成由四面梯形构成的框架结构，一端是和标准节断面尺寸相同的正方形，通过轴销和标准节连接；一端设计有起吊用的导向滑轮。
根据单臂悬浮内拉线抱杆的吊重量和变幅角度，抱杆分两种工况，一种是不打背弓工况，这种工况最大起吊重量1.5吨，摇臂可在0°~45°范围内变幅，回转机构可355°水平回转；第二种是打背弓工况，这种工况下需将背弓架和铁塔连接，回转机构无法回转，此时最大起吊重量为2.5吨，摇臂可在45°~90°范围内变幅。
单臂悬浮内拉线抱杆设计有远程控制端，通过红外遥控装置实现抱杆的操作控制；抱杆上设计有由电动机驱动的泵站系统，抱杆的变幅和回转由泵站分别驱动液压油缸和马达实现。抱杆组装后，通过塔脚或零时支架竖立固定，便可进行起吊作业。抱杆上设计有力矩传感器，可以对抱杆的吊重进行实时监测；当所吊重物不超过1.5吨时，不需要连接背弓架，即可完成重物的起吊、回转安装；当所吊重物超过1.5吨时，力矩限制器的超载保护工启动报警并控制抱杆停止起吊工作。此时，需要展开背弓架，将背弓架钢丝绳连接好好，可以开始吊装工作，同理，当吊装重物重量超过3吨时，力矩限制器的超载保护功能启动报警并控制抱杆停止起吊工作。
4、选型与受力计算
4.1 标准节材料及尺寸
单臂悬浮内拉线抱杆主要采用空间桁架结构，塔身采用四角为高强矩形材构成的正方形截面，并以钢管构成腹杆系共同组成的空间桁架系统。塔身标准节结构如下图1所示。主臂标准节和塔身标准节的结构和用料均相同。
.png)
长度2000mm 截面 700*700mm
主材：方钢管 70*70 壁厚5mm 材料HG550
辅材：圆管 Φ27 壁厚3.5mm 材料20
图1 塔身标准节
4.2、长细比计算
由于抱杆塔身有两道腰环固定，所以长细比最恶劣的是主臂，因此这里只对主臂进行长细比分析即可。
格构型主臂的截面按照等截面，其长细比公式为：
.png)
（1）
式中.png)
--格构型主臂的整杆长细比；
.png)
--与两端支承方式有关的压杆折算长度系数，两端铰支时为1-1.1，取值1.05；
.png)
--两端支承间长度，cm，该机最大主臂长度1160cm
r ——中部断面的回转半径，cm；组合构件断面的r值为：
.png)
（2）
J——中部断面的截面惯性矩，cm4；
F——单根主材截面面积，cm2；该机此面积取12 cm2
.png)
（4）
Jx——单根主材对自身重心轴线的惯性矩，cm4；根据方矩形惯性矩公式D1^4/12-D2^4/12，该机取值92.08 cm4
Co1——上面相邻两主材重心的距离，cm；该机此距离取69 cm
Co2——侧面相邻两主材重心的距离，cm；该机此距离取59 cm
.png)
将J带入式（2）
.png)
将r带入式（1）
.png)
该机主臂长细比为37.8，符合长细比小于120的设计要求。
5、有限元分析
单臂抱杆主要采用空间桁架结构，主塔塔身采用四角为高强矩形材构成的正方形截面，并以钢管构成腹杆系共同组成的空间桁架系统。根据抱杆结构特点及载荷工况情况，建立有限元分析模型.
5.1、计算工况
该抱杆的初步计算工况为极限载荷情况。根据《规范》可以得出：
极限作业工况为：主臂吊载，工作幅度13米，吊载重量为额定值的2倍，风载计算时，因属于工作状态，故与当前高度的风速有关，与高度本身无关。
塔身底部约束+腰环固定处约束+起重载荷+风载荷（风载荷方向与塔身倾斜方向同向，此为抱杆最苛刻的工作情况）。
（本次建模时Y方向（垂向）为沿塔身平行方向，XZ为水平面，其中X为沿吊臂方向。）
塔身底部约束：三个方向的平动及转动约束（XYZ三个方向自由度被约束）。
塔身顶部斜拉固定约束（距底部约束处23.58米）：水平方向的平动约束（XZ两个方向自由度被约束）；其塔身顶部约束关系如图2所示。
.png)
图2 塔身顶部约束关系
.png)
图3 工况加载图示
5.2、载荷计算及评价标准
根据塔机行业内，臂架挠度计算标准，即横弯曲刚度标准
f=0.7*L*L/1000 （4-1）
式中：f——为塔顶挠度，即吊载后塔顶到主塔轴线的偏移度；L——为固定架上部塔身及桅杆部分。
该工况下L=27.48米，所以其塔顶变形应小于：
f=0.7×27.48×27.48/1000=0.5286m=528.6mm
因腰环处有拉线控制可抵消变形部分。
5.2.1 起重载荷（起吊重物及配重）
额定载荷为X=2t （4-2）
F=2500kg*2*9.8N/kg=49000N （4-3）
5.2.2 风载荷
风载荷按下式计算：
.png)
（4-4）
式中：.png)
——作用在塔式起重机上和物品上的风载荷，N；
.png)
——风力系数
.png)
——计算风压，Pa；
A ——垂直与风面的迎风面积，.png)
。
6、计算结论
根据有限元计算分析结果，得出以下结论：
⑴、工作时，载物小于1.5t可以不用背工，主臂90度吊装，但回转支撑底座四角必须可靠打拉绳加以约束，保证塔身不受偏载弯曲，否则塔身不安全。
⑵、工作时，载物1.5t-2.5t，必须使用背工，将塔尖承受的偏载荷转移至铁塔，主臂90度吊装，同样回转支撑底座四角必须可靠打拉绳加以约束，保证塔身不受偏载弯曲，否则塔身不安全。
⑶、由于塔尖要过腰环对截面大小受限，模型分析中塔尖简化处理，后续需要继续完善塔尖减轻重量，提高强度，再做分析。
⑷、工作中回转支撑安装座四角必须牢靠固定在铁塔上，保证塔身不会受弯曲偏载，否则塔身强度根本不够。工作中回转底座四角与铁塔拉绳和抱杆塔身形成角度不小于30度，保证可靠约束，为了保证此角度，铁塔固定平面必须满足一定直径，否则抱杆塔身伸出铁塔欲安装口高度太高，拉绳固定不可靠。塔身在铁塔固定平面处加以腰环约束。
7、液压系统及控制系统设计
本系统由一个2.5kw电机提供原始动力，和液压泵、液压油箱等组成泵站系统，由于本套抱杆装置不包括起吊系统动力，因此液压系统执行元件主要有回转马达、变幅油缸和背弓油缸三部分，根据现场使用习惯，三套执行元件不会出现同时动作的情况，因此三套系统用一台液压泵驱动，采用换向阀换向变可以实现分别动作。
液压泵设计有安全阀，保证液压系统在任何情况下都不会超载。液压泵为电控泵，由电控手柄直接控制泵排量的大小，从而控制执行元件动作的快慢。
本抱杆设计有远程控制系统，通过无线遥控实现抱杆的操作控制。
系统液压原理图如下图4所示：
.png)
图4抱杆液压原理图
8、效益分析
在特高压交流工程加快建设的大背景下，为了提高输电线路组塔施工的机械化程度，研究轻便、高效的组塔新设备，将产生良好的经济效益和社会效益。
本抱杆是综合送变电组塔施工各种方式进行设计，采用了目前国际起重机普遍应用的结构和液压系统以及自动化控制技术，遥控操作技术，加上创新应用的新技术，进一步精简施工人数，缩减施工工期，有着明显的经济效益。
目前的输电线路工程要么处在人口密集城市地区，要么处于大山地区。这些地方往往临近建筑物或电力线，作业环境复杂；大山地区就更不用说，传统的外拉线悬浮抱杆的机械化程度太低，安全性能差，此设备应用力矩限制器技术，能够无条件适应各种作业环境，避免由此引发的人身伤害事故，具有良好的社会效益。
科学分析对比输电线路各种组塔工艺设备，此抱杆在技术、理论、设计思路以及输电线路的铁塔进的特点等方面进行了大量的研究分析和应用对比，为项目推广应用奠定了先进性和示范作用，具有很好的科研价值。
9、结束语
此抱杆主要应用于高原地区500kv、750kv及1000kv以下各种塔型的组塔作业，特别是对单回路铁塔，高曲臂，长横担的起吊安装有得天独厚的优势，也特别适合复杂地形，如临近带电体作业和运输困难的山地。此抱杆重量轻，运输方便，操控便利，安全系数高，非常契合国家电网公司全面推进特高压工程建设机械化施工要求。
参考文献：
[1] 刘开俊，高艺，宋福龙 . 多适应性电网规划风险评估框架设计及应用展望[J]. 电力建设，2015，34（12）：1-5.
[2] 韩丰，高艺，宋福龙，等 . 电网规划评估方法及实用化技术[J]. 电力建设，2015，34（12）：6-13.
论文作者:卢伟星,冯扬州,高峰,朱转军,麻晓军
论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/15
标签：铁塔论文; 载荷论文; 工况论文; 标准论文; 桅杆论文; 重量论文; 截面论文; 《电力设备》2019年第19期论文;