王 夢，王曉亮，劉克毅，王 笑，尹君馳，董曉紅

(新疆工程學院 機電工程學院，新疆 烏魯木齊 830023)

0 引言

管型母線(以下簡稱管母)是電力輸變電系統(tǒng)中的關鍵材料之一，對輸變電系統(tǒng)及電力設備的安全、可靠運行起到至關重要的作用[1]。管母多數跨度較大(22 m)，在安裝使用時，如果未經預拱處理，由于本身自重和跨度較大、設備下引線重量、地基沉降、風力和溫差等因素的影響，管母運行過程中在重心向下的方向會產生一定程度的沉降下墜，撓度逐漸增大，導致結構呈現向下弧狀變形，影響安裝質量、美觀性及運行維護工作，降低導電性能，破壞輸電線路的安全，給電力工程留下嚴重安全隱患[2-3]。國家電網公司工藝圖冊明確要求在管母使用前應對其進行預拱處理。

目前針對大跨度管母的預拱，主要是通過人工控制多個液壓千斤頂逐點對管母進行預拱，只有少量的采用預拱裝置進行預拱[4-5]。預拱時，受施工設備精度、施工環(huán)境及技能水平等因素限制，預拱量和作用點均憑經驗進行，預拱參數處于不可控狀態(tài)，往往依靠經驗粗略估算，科學性、準確性較差；預拱后母線拱度不均勻，影響母線整體美觀；需要多人同時配合操作，費時費力，工作效率低，勞動強度大，影響電力工程建設施工質量和施工進度。因此，為了加快管母預拱的自動化和智能化發(fā)展，在研究管母特性的基礎上，本文設計了一種大跨度管母預拱儀的機械裝置。

1 管母性能參數研究

在實際應用中，管母表面質量應符合GB/T4437的規(guī)定，即其表面應光潔平整，不應有裂紋、毛刺、折皺、小孔、油污、夾雜物及變形和扭曲現象，不應有橫向裂痕以及深度不超過2 mm的劃傷、碰傷的缺陷。除此之外，其物理與力學性能參數直接影響管母的預拱量，是研究自動化預拱儀的基礎。本文研究的型號為6063G-T6-Φ250/230管母基本參數如表1所示。

表1 6063G-T6-Φ250/230管母基本性能參數

未經預拱，管母在使用過程中呈現圖1(a)所示的下沉現象，因此在使用前需對其預拱。為使預拱曲線光滑平順，提高預拱質量和預拱效率，在預拱時設置5個作用點，預拱后效果如圖1(b)所示。圖1中,q為均布載荷，對于細長桿件，重力即為均布載荷，已知管母密度ρ=20.6 g/mm，取重力加速度g=10 N/kg，則管母的均布載荷q=206 N/m;F為管母預拱力。

圖1 管母自重下沉與預拱后效果

管母在實際預拱和應用中可簡化成承受管母自重均布載荷的簡支梁，如圖2所示。在均布載荷作用下，根據撓曲線方程可得到未經預拱的管母在自重下的最大彎曲變形量(中點處)，及管母在中點處的最大預拱力。

圖2 管母在自重載荷下彎曲變形示意圖

1.1 管母在自重下的撓度值[6-8]

在管母跨度中點處，撓曲線切線的斜率為零，撓度為極值，其撓度值ωx=1/2為：

(1)

其中：I為慣性矩，管母作為空心圓形管材，其慣性矩計算公式為：

(2)

其中：D為管母外徑，D=250 mm；α為管母內外徑之比，α=d/D，d為管母內徑，d=230 mm。

根據式(1)和式(2)可得管母在自重載荷下跨度中點處的撓度極值ωx=1/2=167.54 mm。預拱量(即液壓缸伸出量)的確定可根據此撓度值進行，考慮到除重力外的其他因素的影響，如設備下引線重量、地基沉降、風力和溫差等，可將此撓度值增加20%的富余量。

1.2 管母預拱力F計算

管母在自重下最大撓度發(fā)生在跨度中點處，在水平面上進行管母預拱時，作用在管母中點處的集中力F即為預拱力最大值。管母在預拱力F作用下的變形如圖3所示，在中點處a=b=l/2。

圖3 管母受預拱力F作用下變形示意圖

材料力學撓度值的計算公式為：

(3)

根據式(1)和式(3)可知，為使管母達到自重下的撓度極限值，其所需預拱力F=2.57×105N。預拱裝置動力參數(液壓泵)的確定可根據此預拱力進行，考慮摩擦阻力、效率等因素的影響，將此預拱力增加20%的富余量。

2 大跨度管母預拱儀整體結構及工作原理

大跨度管母預拱儀在整個操作過程中均通過人機操作界面控制，可多點同時預拱或單點順序預拱，預拱矢高可調，能夠實現預拱過程的自動化控制、遠程操作和實時監(jiān)控，且操作簡便。同時預拱參數可根據管母規(guī)格調整，適合多種不同規(guī)格管母的預拱作業(yè)要求。

管母預拱儀主要包括機械裝置、液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)三部分，如圖4所示。圖4中，S為液壓缸位移量，H為管母起拱矢高。工作時，通過控制系統(tǒng)的人機操作界面發(fā)出指令，控制液壓系統(tǒng)來實現液壓缸的伸縮(預拱、保壓、返回)；通過轉角電機控制液壓缸的轉角方向和角度；通過位移傳感器實時測量液壓缸的位移量，并將數據反饋給控制系統(tǒng)，實時顯示預拱曲線；當完成預拱工作時，系統(tǒng)恢復原始狀態(tài)，停止工作，等待下一次預拱。

圖4 大跨度管母預拱儀整機結構簡圖

該管母預拱儀設定雙重保護措施：①位移傳感器限定液壓缸伸出量；②若位移傳感器出現故障失效，當液壓缸伸出量達到預定值時仍繼續(xù)伸長，管母將觸碰到限位開關，啟動急停程序，所有電器設備全部斷電。在自動控制的基礎上每個液壓系統(tǒng)都設置手動操作手柄，可手動控制液壓缸的伸出量與偏轉角度，保證設備工作的有效性。

3 預拱儀機械裝置關鍵部件的設計

機械裝置主要起到承載各元件的作用，其中安裝有管母固定卡具、液壓系統(tǒng)各元件、位移傳感器、角度傳感器、限位器等預拱儀各組成部分。管母預拱儀機械裝置結構如圖5所示，主要由機架1、管母固定卡具2、極限位置限制器3、管母液壓預拱組(包括線位移傳感器4、液壓缸5、液壓缸連接件6和7、角位移傳感器8、聯軸器9、電機減速器組10)組成，管母固定卡具2焊接在機架上1上，極限位置限制器3通過螺栓固定在機架1上，A、B、D、E管母液壓預拱組與機架鉸接，C管母液壓預拱組與機架固接。工作時，管母安裝其上，在控制系統(tǒng)的作用下，由液壓缸作為最終執(zhí)行機構完成預拱。

1-機架；2-管母固定卡具；3-極限位置限位器；4-線位移傳感器；5-液壓缸；6-液壓缸連接件1；7-液壓缸連接件2；8-角位移感器；9-聯軸器；10-電機減速器組

3.1 機架

根據管母結構和尺寸，機架設計為龍門桁架式結構，由43根長短不一的方鋼組成，結構穩(wěn)定，可滿足管母及各元件的安裝要求；為方便運輸、組裝和拆卸，各方鋼間采用固定板和螺栓連接。機架在整個工作過程中起支撐作用，各元件安裝其上。

3.2 管母固定卡具

預拱裝置共有兩組管母固定卡具，為可旋轉固定卡具，對稱固定安裝在機架兩端中心，即管母在預拱時的兩個支點，給予管母預拱時的支反力。管母固定卡具結構如圖6所示，固定接耳1焊接在機架上，通過聯接銷軸2將管母固定接耳3與固定接耳1鉸接，聯接銷軸2與接耳間為間隙配合，使管母在預拱時可旋轉一定角度以適應管母形變時的角度變化，轉動靈活。

1-固定接耳；2-聯接銷軸；3-管母固定接耳；4-橡膠墊片

為防止在預拱時卡具刮傷管母表面，影響管母表面質量，在管母固定接耳3與管母接觸面間安裝有橡膠墊片4，起緩沖和保護管母的作用。

3.3 管母液壓預拱組

機械裝置含有5組管母液壓預拱組，均勻布在機架上，完成管母預拱變形工作。其中C號預拱組固定在機架上，在預拱時只完成直線伸縮動作，兩側A、B、D、E號液壓缸鉸接在機架上，在完成直線伸縮動作的同時還可調整角度，使缸體軸線方向與管母變形后的徑向一致。

管母液壓預拱組結構如圖7所示，管母卡具1安裝在液壓缸伸縮桿件的端部，作為液壓缸與管母間的連接介質；線位移傳感器2通過支架3連接液壓缸4，用于預拱時管母預拱量的實時測量，并傳送給控制系統(tǒng)，用于管母預拱曲線的實時顯示；液壓缸4與液壓缸連接件5通過螺栓連接，連接件5與固接在機架上的固定接耳7通過聯接銷軸10鉸接，銷軸與連接件5為過盈配合，與固定接耳為間隙配合，銷軸通過聯軸器9與電機減速器組8連接，在其驅動下，可使液壓缸旋轉以適應配合管母預拱曲線，同時在銷軸上安裝有角位移傳感器6，可實時獲得旋轉角度并傳送給控制系統(tǒng)，用于管母預拱曲線的實時顯示。

1-管母卡具；2-線位移傳感器；3-位移傳感器支架；4-液壓缸；5-液壓缸連接件；6-角位移傳感器；7-固定接耳；8-電機減速器組；9-聯軸器；10-聯接銷軸

4 結語

本文在研究管母性能的基礎上，獲得了其在自重下的最大撓度值ωx=1/2，確定了液壓缸的最大位移量和管母在預拱時的預拱力F，以及液壓泵的動力參數，設計了一種大跨度管母預拱裝置，可實現大跨度管母的自動化預拱，提高了作業(yè)效率和作業(yè)精度，為大跨度管母預拱設備的開發(fā)奠定了一定基礎，促進了大跨度管母預拱的自動化和智能化發(fā)展。