电缆提升就位装置在隧道电缆施工中的应用

电缆提升就位装置在隧道电缆施工中的应用

张强  孙晓盼  黄文艺  王兴冯昕忠

（河南送变电建设有限公司，河南郑州，450051）

摘要：隧道电缆是承载输电电缆的重要组成部分，隧道电缆施工的安全开展和运行，对于保障电缆输电效率和运作性来说，具有重要的意义。另外来看，隧道电缆通过敷设系统敷设到隧道之后，还需要将该电缆抬高放到指定的隧道内支架上，如果该项工作完全由纯人工完成，不仅需要耗费较多的人工，增加用工成本，且效率较低，增加时间成本，急需设计改进一款电缆提升就位装置来代替人工手抬来完成该项工作，他们在某种程度上，能够推动隧道电缆施工迈向专业化和自动化，通过这种形式，能够提升电缆通道的自动化运检水平，能够提升智能运维效率、创建多场景式生产平台，最终在这种情境下，能够推动隧道电缆施工技术的不断的发展。

关键词：隧道电缆；提升装置；

引言

电缆隧道是电力传输的主要通道。一般情况下，整条隧道的电缆长度较长，且重量较重，隧道电缆通过敷设系统敷设到隧道之后，还需要将该电缆抬高放到指定的隧道内支架上，工作量繁重。电缆支架单层高度在40-50cm之间，电缆上架还是以人抬肩扛的传统办法一层一层抬高到指定位置，特别是3层支架以上的，需要投入大量人力；这种传统的电缆上架方式安全隐患很大，对人员体力要求较高且容易伤人，同时容易使得电缆外护套受伤，根据以往经验，高压电缆外护套绝缘不合格有70%以上是上架原因造成的；目前亟需研制一种高压电缆敷设后上架的装置设备，代替大量人力投入，减少人员及电缆设备的风险。

一、电缆提升就位装置概述

电缆提升就位装置是隧道电缆敷设的重要设备，随着科学技术进步和隧道电缆敷设现代化要求的不断提高，人们对提升机工作特性的认识进一步深化，体设备及拖动控制系统也逐步趋于完善，各种新技术、新工艺逐步应用于隧道提升设备中。特别是模拟技术、微电子技术、微电脑技术在提升控制中的应用已成为必然的发展方向。

电缆提升就位装置可以实现对电缆的提升、牵引、下降、侧向移动、轴向旋转等功能，通过该装置的侧向移动功能，可以将提升到合适高度的电缆送至隧道内的支架上，该电缆提升就位装置在手拉葫的基础上增加设计了电动提升装置，减少人力投入，提高施工安全性及机械化水平。

电缆提升就位装置通过多关节多自由度运动，实现电缆的托举与放置；经过科学的计算，选择装置中电机、水平移动机构等，保证该电缆提升装置的动作精准；通过就位装置上安装的电机、水平移动装置等机构，实现高压电缆上升过程中不断向就位电缆支架方向移动，最终实现就位；满足电网大规模建设需求；逐步实现了电缆线路施工由施工劳动密集型向装备密集型转变，提高了电力电缆施工工艺水平。

电缆提升就位装置的主要功能是将敷设完成的电缆抬高放置到指定的隧道支架上。电缆提升就位装置的主要由以下几部分构成：移动脚轮、支撑杆、提升电机、支撑横梁、旋转轴、平移机构；其中移动脚轮主要是方便该电缆提升就位装置自身移动到合适的工位；支撑杆是杆机构的主要承载部件，与其直接连接的是旋转轴，可使支撑轴绕着支撑杆360°水平旋转，增加工作过程中机构的调整自由度；提升电机是该机构的主要执行部件，实现对电缆的提升；平移机构可实现提升电机沿着支撑横梁的在水平方向自由滑动，增加工作过程中机构的调整自由度；针对该设备体积小、重量轻、侧向力大等特点，进而可能发生倾覆的风险隐患，在该装置上设计倾角检测功能，对可能发生倾覆提前预警。

二、电缆提升就位装置技术研究

  提升机已有很长的发展历史，但我国提升设备的设计制造，是从解放之后才开始的。1953年抚顺重型机械厂制造了我国第一台缠绕式双卷筒提升机。1958年洛阳矿山机械厂制造了我国第一台DJ2×4多绳摩擦式提升机，1971年该厂又新设计、制造了JK型新系列单绳缠绕式提升机，与老产品相比，采用了一些新技术、新结构，从而使提升能力平均提高25%，并且通用化程度较高。目前，已经能批量生产JKM型多绳摩擦式提升机，并已经形成了多绳摩擦式提升机的新系列。

我国提升机制造业发展迅速，从无到有，从测绘仿制到独立设计制造，从单机制造发展到系列生产，系列品种大体齐全。产品结构亦接近国外先进水平。近年来，国内外个别院校和部分厂家在提升机的动态特性问题上进行了大量的研究，主要包括两个方面：一方面是对侧重于对提升系统的钢丝绳进行动态分析。国内对提升钢丝绳的动态特性研究始于20世纪八十年代初。如潘英应用刚体力学方法对钢丝绳的变形、张力及振动进行仿真。任国君等利用分布参数模型研究了多绳摩擦提升机安全制动时钢丝绳的动张力，并通过与瑞利集中质量法、现场直接实测结果的比较，证明用其方法计算得到的钢丝绳最大动张力比用瑞利集中质量法更接近实测结果。1998年，孟宪举建立了提升系统钢丝绳的分布质量模型，研究了钢丝绳的动态载荷特性，为多绳提升机的安全设计，提供非常载荷校核强度的可能性。

2008年，李占芳等人又提出了从建立钢丝绳的粘弹性振动模型出发，推导出了提升容器纵向振动模型，并由分析提出了通过选择合理的提升机控制方式，才能提高钢丝绳的使用寿命。

另一方面是对提升系统整体的动态特性进行的研究。相对于国外来说，国内在提升钢丝绳提升过程中的动态特性研究方面起步相对较晚。安徽理工大学的汲方林对缠绕式矿山提升机动态设计进行了初探，对系统的弹性力学计算和对提升钢丝绳的动态安全系数进行了设计，为提升机的设计提供了参考。1993年，苏晓辉建立了提升机系统安全制动特性的有限元分析模型，提出对轴系部件的刚性简化对钢丝绳的动载响应具有一定的合理性，并认为钢丝绳的模态构成提升系统的低阶模态，是组成提升系统安全制动振动响应的主要模态。

三、电缆提升就位装置理论和实践依据

实践证明，系统的动态特性研究的正确与否，除了与动力学模型的、 振动微分方程的正确性及计算假定与实际系统的误差有关之外，很大程度上取决于计算参数的正确性与精度。当然，各参数如果能用实验的方法一一测定，得到的数据无疑是精确可靠的，但工程实际中往往不具备所有的实验条件，并且逐个参数实验不仅耗费太多时间，而且研究成本也会大大增加。各项研究表明，前人在大量实验基础上得出的经验计算公式已完全能满足工程计算，得到的数据误差与实际相比是很小的。

振动微分方程的激励力中包括与动力装置的机械特性相关的输入激励。研究表明，构造符合电动机起动特性的输入激励，可以得到更符实的系统动态特性。动力装置的机械特性是指原动机的力参数和运动参数之间的函数关系。一般情况下，电动机的机械特性是以M =f(ω) 的函数形式表示的，其中M—电动机驱动力矩，ω—电动机角速度。此时，在求解振动微分方程组时，解耦方程组变得异常困难。将M =f(ω)变换成时间的函数， 再带入方程组中，即M =f(t)的表示形式更为方便，因此，电动机的输入激励的时间函数求解是动载响应研究的关键之一。三相绕线式异步电动机转子绕线中的启动电阻，在开始启动时，启动电阻全部接入，机构按预备档运行，但此时仅仅是为了消除传动机构间隙，机构并未起动。随着启动过程的进行，启动电阻应逐段切除，力矩按图示阶梯曲线变化，启动完毕时，启动电阻全部被切除，电动机在额定转速下运行。

上升起动工况时，电动机力矩为：

   并定义       （3-1）

  （3-2）

其中为提升重物折算至电动机轴上的负载转矩，,Q为重物的重量，R为卷筒的半径，i为机构的传动比。

由上述分析可知，为了精确分析提升系统的动载响应，应根据具体的运转情况，选用电动机相应机械特性的输入激励的时间函数，以保证能够得到比较符实的动载响应特性曲线。

使用公式法或者实验法对转动惯量和当量转动惯量进行分析，最终选型确定出合适的电机，形成一套运行平稳、使用方便的电缆提升就位装置。

四、电缆提升就位装置的实施方案

   （1）电缆提升就位装置工作原理

控制提升电机，将电机挂钩下降到合适的高度，用专用绳索将电缆栓到挂钩上，控制提升电机，将电缆提升到合适的高度；通过平移机构，将电缆放到指定的电缆架上，解开绳索，重复进行上述动作，直至完成该项工作。

（2）关键技术及验证

通过理论计算、选型确定的提升装置，在实际工程应用过程中，能够稳定、持续的正常工作，在载荷方面具备一定的通用性，可以适用在不同的工况条件。在不同的工况下，通过控制器，电缆提升就位装置的执行机构都能够实现精准控制，且具备长期的可靠性。

（3）电缆提升就位装置的创新点

电缆提升就位装置可以实现对电缆的提升、牵引、下降、侧向移动、轴向旋转等功能，具备多自由度功能；有经过科学计算、选型的机构系统，且经过了实践验证；具备先进的控制系统。

五、电缆提升就位装置在隧道电缆施工中有效性

（1）电缆敷设过程，将电缆安装到指定的电缆支架上，该项工作从完全由纯人工完成，到手工拉葫，再到多自由度电动电缆提升就位装置，实现电缆的高效率安装。

（2）在设计原理上，更加科学、先进，且设计成本不高。

（3）进一步提高电缆施工效率，满足电网大规模建设需求；逐步实现了电缆线路施工由施工劳动密集型向装备密集型转变，提高了电力电缆施工工艺水平。

（4）电缆提升就位装置改变了电缆上架人抬肩扛的传统方式，提高了电缆上架的效率，节省大量的人力成本和高额的施工成本，同时提升施工的安全性，保证了人身安全。

（5）电缆提升就位装置的使用，节省了长期的、持续的人力成本投入。实现了电动、自动化的上架系统，可以提升电缆上架效率，降低事故发生率，避免灾害事件的扩大化，使用电动上架装置代替传统人抬肩扛方法，避免了安全事故造成的经济损失和人员伤害。稳定可靠、部署电缆提升就位装置改可大大提高隧道电缆施工管理的效率，是作为国家重要能源基础设施的电力系统的稳定可靠的电动化设施。

六、结语

本文在研究中，通过分析了传统电缆上架方式，隧道电缆施工中存在的问题以及电缆提升就位装置在隧道电缆施工中的应用状况，在这当中，通过对电缆提升就位装置先进性、稳定性的特点的分析，从而设计出了对电缆的提升、牵引、下降、侧向移动、轴向旋转等功能，并且在其基础上增加了先进的控制系统。之后通过对电缆提升就位装置在实际结构的分析和把握，能够较好的隧道内部使用电缆提升就位装置的效率性和可行性，在这种系统模式的指引下，可以进一步提高电缆施工效率，满足电网大规模建设需求；有效提高了隧道电缆施工的工艺水平，这对于隧道电缆施工安全有效的提升来说具有十分重要的意义。

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