A Multifunctional Drawing Device Suited to Electrical Power Transmission and Transformation Construction
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摘要:
输变电工程施工中，线缆架设时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，须作业人员精确确定塔身的锚点来确定牵引方向，方法落后。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。有效解决了输变电缆架设时，钢缆牵引方向单一、安装烦琐、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。
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输变电工程施工中，线缆架设时须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]，须精确确定塔身的锚点以便确定牵引方向，方向落后，安装烦琐，施工难度大。常用的牵引方法主要有[2]：
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。
动滑轮。主要是物品较重时采用。
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。具体如下：
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。
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，须要高空作业人员携带2组滑轮及牵引绳登塔。
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，须要地面安装绞磨，携带不方便。
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，安装烦琐，高空作业人员工作量较大。
定滑轮机械绞磨26次、占比2.4%，主要特点是安装烦琐，不能适应所有场所。
动滑轮机械绞磨5次、占比0.46%，主要特点是安装烦琐，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须要多人配合，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。
对2015—2019年各种绳索牵引方式进行统计。
通过统计显示，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。
1. 设计与论证
1.1 目标与方案
经过充分调查和分析，确定了研究目标。
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。
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。降至地面时仅须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 1所示。
表 1 方案设计表序号 拟选方案 主要特点 1 采用机械绞磨 力矩大，可以将重物轻松牵引至高处 2 使用地挂滑车 可以改变牵引方向，但不能改变牵引力大小 3 利用电动绞盘驱动 利用12 V车载电源驱动直流齿轮电机，可以实现无极调速，将重物牵引至高处 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：
牵引至30 m高处的时间控制在1 min以内。
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。
成本费用最低，总造价不超过3000元，单体设备不超过1500元。
总重量不超过10 kg，组装时间不超过120 s。
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。
1.3.1 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 2所示。
表 2 驱动电机选择对比表备选方案 涡轮蜗杆减速电机 行星减速电机 齿轮减速电机 谐波减速电机 牵引时间/min 第1次 1.3 1 0.9 1.2 第2次 1.3 1.1 0.9 1.2 第3次 1.3 1.5 0.9 1.2 平均 1.3 1.2 0.9 1.2 造价/元 200 1800 260 2800 重量/kg 7 12 5 10 特点 传动比较大，机构紧凑，但涡轮蜗杆啮合传动时，啮合轮齿间的相对滑动速度大 可在高速运转中保持较高精度，体积较小 运转平稳，噪音小，且价格较低，重量轻，扭矩大 由固定内齿刚轮、柔轮和使柔轮发生径向变形的波发生器组成 评价 重量较轻，价格低，但扭矩不够，牵引重物时容易烧毁电机 体积小，造价较高，力矩较小 运转平稳，噪音小，价格较低，质量轻，扭矩大 精度高、承载力高，造价高 结论 不采用 不采用 建议采用 不采用 同时，进行牵引试验，将100 kg重物牵引至15 m高处，记录用时。
1.3.2 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 3所示。
表 3 动力电源选择对比表备选方案 铅酸蓄电池 镍镉电池 镍氢蓄电池 锂离子电池 电压等级 多为车载电池12 V 多为2 V、6 V、12 V 多为12 V及以下 12 V和24 V 重量/kg 10 3 4 5 参数 充电时间/h ≥8 h 3~5 5~6 快充3~6 h 使用寿命/次 500~900 800~1200 900~1500 1200~2000 比能量(W· h/kg) 40 120 140 150 充放电效率/% 80 95 96 97 维护 方便 方便 烦琐 方便 特点 可靠性好、价格低 可快速充电，寿命较长 可快速充电，寿命较长 重量轻、储能大、无污染、无记忆效应、寿命长 评价 比能量低，体积大，续航里程较短，寿命短，成本高 价格昂贵，约为铅酸蓄电池的4~5倍 性能优越，价格为铅酸蓄电池的4~5倍 无污染、快，维护方便 结论 不采用 不采用 不采用 采用 1.3.3 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≤30 A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2种，如表 4所示。
表 4 电机调速器选择对比表备选方案 有线调速 无线遥控 转动方式 无法在手柄上进行正反转操作，实现重物上、下运动 可以实现加减速控制、远程正反转控制，以及制动锁死 特点 只能在杆塔下部操作，无法满足安全规程中在坠落半径内禁止停留的要求 无线调控在固定好重物时可以离开坠落半径实现远距离操控，符合安全规程要求 评价 造价较低，稳定性较高，但无法远程控制速度，安装烦琐 可以远程实现正反转，远程无极调速，远程锁死，安全性高，造价较低 结论 不采用 建议采用 1.3.4 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2种方式。从机械强度、安全性及稳固性等方面综合评估，如表 5所示。
表 5 固定方式选择对比表备选方案 卡具端子 线夹 拉力试验 12次安全性试验，能够承受向上2.5 kN的重力，承受率100% 安全性试验 10次固定试验，全方位晃动杆塔上均未出现脱落现象，脱落率0% 评价 卡具端子能够适应不同杆径水泥杆，适合不同的工作环境 线夹的大小可调，可以适应不同电压等级和不同型号的铁塔 结论 适用于水泥杆 适用于铁塔主材 1.3.5 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。
2.2 制定计划
根据5W1H原则，制定研制计划表，如表 6所示。
表 6 研制实施计划表序号 内容 目标 措施 1 确定电机型号 起吊重量超过100 kg时，电机不会发热起吊较轻物品时，转速可达30 r/min起吊时主轴承不发生变形 通过计算确定电机功率及额定电压、小和最大起吊速度 2 选定锂离子电池组 放电时间≥10 h重量＜10 kg输出电压为24 V电池组专用盒子安放 通过计算，确定电池组容量为24 V、400 Ah专用铁盒承装，并配有携带把手 3 确定控制器 供电电压为12~30 V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 根据电压及正反转要求确定控制器型号 4 选择主体材料 强度高，重量轻造价适中稳定性达到100% 拉力满足要求稳定性满足要求 5 加工杆塔连接工具 固定卡具端子与不同塔杆100% 接触有防止滑跑措施，各方位晃动不脱落 现场实测，确定卡环尺寸固定卡环两侧装设外伸卡头利用合金材料制作不同规格的线夹 6 确定螺栓尺寸及安装位置 螺栓承力＞10 kN扭矩满足要求螺栓安装位置正确率100% 用力矩扳手验证螺栓扭矩试验螺栓承载力确定安装位置 7 选择电线接头及延长线 电线接头接触稳定，便于安装，可重复插拔选用4 mm2纯铜线缆 选用防水航空插头插座选择EC5连接延长硅胶线 8 组装调试 安装时间≤2 min转动无卡涩现场能正常使用 组装前对加工材料磨光、喷漆对各部位尺寸再校核 2.3 设计制作
2.3.1 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。
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。
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。
2.3.2 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。
2.3.3 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（脉冲宽度调制波）频率为21 kHz，电位器阻值为100 kΩ。
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。
2.3.4 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150~230 mm，螺栓直径16 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。
2.3.5 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。
2.3.6 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10 kN，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。
2.3.7 电线接头
电线接头及延长线选用10号、4 mm2纯铜线缆，可通过最大瞬时电流为30 A。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。
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、1.2、1.3、1.3、1.2、1.2、1.3、1.2、1.3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10 kg，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。
3.3.1 静荷重试验[8]
耐加120 kg重力持续5 min，未发生变形及受损。
3.3.2 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
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≈ 1500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= 30000元，其中，工作时间按50天/年计算，人工成本按照每人300元/天计算[10]。
4. 结束语
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、安装烦琐、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。
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表 1 方案设计表
序号 拟选方案 主要特点 1 采用机械绞磨 力矩大，可以将重物轻松牵引至高处 2 使用地挂滑车 可以改变牵引方向，但不能改变牵引力大小 3 利用电动绞盘驱动 利用12 V车载电源驱动直流齿轮电机，可以实现无极调速，将重物牵引至高处 
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表 2 驱动电机选择对比表
备选方案 涡轮蜗杆减速电机 行星减速电机 齿轮减速电机 谐波减速电机 牵引时间/min 第1次 1.3 1 0.9 1.2 第2次 1.3 1.1 0.9 1.2 第3次 1.3 1.5 0.9 1.2 平均 1.3 1.2 0.9 1.2 造价/元 200 1800 260 2800 重量/kg 7 12 5 10 特点 传动比较大，机构紧凑，但涡轮蜗杆啮合传动时，啮合轮齿间的相对滑动速度大 可在高速运转中保持较高精度，体积较小 运转平稳，噪音小，且价格较低，重量轻，扭矩大 由固定内齿刚轮、柔轮和使柔轮发生径向变形的波发生器组成 评价 重量较轻，价格低，但扭矩不够，牵引重物时容易烧毁电机 体积小，造价较高，力矩较小 运转平稳，噪音小，价格较低，质量轻，扭矩大 精度高、承载力高，造价高 结论 不采用 不采用 建议采用 不采用
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表 3 动力电源选择对比表
备选方案 铅酸蓄电池 镍镉电池 镍氢蓄电池 锂离子电池 电压等级 多为车载电池12 V 多为2 V、6 V、12 V 多为12 V及以下 12 V和24 V 重量/kg 10 3 4 5 参数 充电时间/h ≥8 h 3~5 5~6 快充3~6 h 使用寿命/次 500~900 800~1200 900~1500 1200~2000 比能量(W· h/kg) 40 120 140 150 充放电效率/% 80 95 96 97 维护 方便 方便 烦琐 方便 特点 可靠性好、价格低 可快速充电，寿命较长 可快速充电，寿命较长 重量轻、储能大、无污染、无记忆效应、寿命长 评价 比能量低，体积大，续航里程较短，寿命短，成本高 价格昂贵，约为铅酸蓄电池的4~5倍 性能优越，价格为铅酸蓄电池的4~5倍 无污染、快，维护方便 结论 不采用 不采用 不采用 采用
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表 4 电机调速器选择对比表
备选方案 有线调速 无线遥控 转动方式 无法在手柄上进行正反转操作，实现重物上、下运动 可以实现加减速控制、远程正反转控制，以及制动锁死 特点 只能在杆塔下部操作，无法满足安全规程中在坠落半径内禁止停留的要求 无线调控在固定好重物时可以离开坠落半径实现远距离操控，符合安全规程要求 评价 造价较低，稳定性较高，但无法远程控制速度，安装烦琐 可以远程实现正反转，远程无极调速，远程锁死，安全性高，造价较低 结论 不采用 建议采用
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表 5 固定方式选择对比表
备选方案 卡具端子 线夹 拉力试验 12次安全性试验，能够承受向上2.5 kN的重力，承受率100% 安全性试验 10次固定试验，全方位晃动杆塔上均未出现脱落现象，脱落率0% 评价 卡具端子能够适应不同杆径水泥杆，适合不同的工作环境 线夹的大小可调，可以适应不同电压等级和不同型号的铁塔 结论 适用于水泥杆 适用于铁塔主材
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表 6 研制实施计划表
序号 内容 目标 措施 1 确定电机型号 起吊重量超过100 kg时，电机不会发热起吊较轻物品时，转速可达30 r/min起吊时主轴承不发生变形 通过计算确定电机功率及额定电压、小和最大起吊速度 2 选定锂离子电池组 放电时间≥10 h重量＜10 kg输出电压为24 V电池组专用盒子安放 通过计算，确定电池组容量为24 V、400 Ah专用铁盒承装，并配有携带把手 3 确定控制器 供电电压为12~30 V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 根据电压及正反转要求确定控制器型号 4 选择主体材料 强度高，重量轻造价适中稳定性达到100% 拉力满足要求稳定性满足要求 5 加工杆塔连接工具 固定卡具端子与不同塔杆100% 接触有防止滑跑措施，各方位晃动不脱落 现场实测，确定卡环尺寸固定卡环两侧装设外伸卡头利用合金材料制作不同规格的线夹 6 确定螺栓尺寸及安装位置 螺栓承力＞10 kN扭矩满足要求螺栓安装位置正确率100% 用力矩扳手验证螺栓扭矩试验螺栓承载力确定安装位置 7 选择电线接头及延长线 电线接头接触稳定，便于安装，可重复插拔选用4 mm2纯铜线缆 选用防水航空插头插座选择EC5连接延长硅胶线 8 组装调试 安装时间≤2 min转动无卡涩现场能正常使用 组装前对加工材料磨光、喷漆对各部位尺寸再校核
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