高級(jí)工程師論文變電設(shè)備專用液壓裝拆裝置研制

　　戶外運(yùn)行的變電一次設(shè)備經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)缺陷，某些情況下需對(duì)其進(jìn)行更換，更換過(guò)程中難免涉及電力設(shè)備的起重工作。本文是一篇高級(jí)工程師論文范文，主要論述了變電設(shè)備專用液壓裝拆裝置研制。

　　摘要：文章介紹了一種變電設(shè)備在不停主變跨線情況下的裝拆方案，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)組合、液壓伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)4個(gè)油缸的同步升降，通過(guò)伺服馬達(dá)與齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

　　關(guān)鍵詞：變電設(shè)備,專用液壓裝拆裝置,液壓伺服系統(tǒng),多級(jí)油缸,導(dǎo)軌滑塊

　　1 概述

　　電力設(shè)備的起重作業(yè)不同于常規(guī)起重作業(yè)，有其自身的特殊性，被吊電力設(shè)備周圍往往存在帶電設(shè)備，在起重作業(yè)中需保證與帶電體之間有《電力安全工作規(guī)程》所規(guī)定的安全距離。傳統(tǒng)的汽車起重設(shè)備、扒桿起重設(shè)備、塔式起重設(shè)備等方法由于所需安全距離比較大，變電站現(xiàn)場(chǎng)難以滿足要求。例如：500kV天一變1號(hào)主變3號(hào)電容器串抗更換工作，因設(shè)備上方為1號(hào)主變壓器220kV跨線，串抗的頂部與1號(hào)主變220kV跨線的凈空距離7080mm，如圖1所示。考慮吊車吊鉤1500mm，吊裝時(shí)吊臂最高點(diǎn)與220kV跨線距離約5580mm，不滿足吊機(jī)作業(yè)安全距離220kV≥6m要求，如果使用傳統(tǒng)吊車作業(yè)方式，需要1號(hào)主變陪停。因此如使用傳統(tǒng)起重方式，為了起重工作能夠安全實(shí)施必須擴(kuò)大停電范圍，而現(xiàn)實(shí)中存在停電難的問(wèn)題，這與保證供電持續(xù)性產(chǎn)生矛盾。同時(shí)，擴(kuò)大停電范圍增加了電力設(shè)備運(yùn)行人員和檢修人員工作量，從而加大了檢修工作的安全隱患。研發(fā)一種能在不停主變的情況下滿足安全作業(yè)距離≥6m的專用裝拆設(shè)備就很有必要。

　　2 專用液壓裝拆裝置方案

　　該液壓裝拆裝置對(duì)應(yīng)的主要目標(biāo)物之一為電抗器，重量為4000～8000kg，直徑范圍為2.4～2.6m，外形為圓柱形，考慮到通用性，該裝拆裝置在3m高度的載重量設(shè)計(jì)為10000kg，在9m高度的設(shè)計(jì)載重量為1000kg。在實(shí)際作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，電抗器頂部上端的主變跨線不能停電作業(yè)，裝拆裝置實(shí)際操作面最高點(diǎn)不超過(guò)電抗器的頂端，將電抗器圓柱形底面作為固定和頂升的作業(yè)面。

　　考慮到裝拆的目標(biāo)物為大噸位重型設(shè)備，作業(yè)空間比較狹窄，所有機(jī)構(gòu)的重量及體積都不能太大，整體移動(dòng)到現(xiàn)場(chǎng)必須動(dòng)用吊機(jī)作業(yè)，實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)不滿足吊機(jī)作業(yè)條件(除非停電作業(yè))，因此該液壓裝拆裝置的頂升系統(tǒng)采用液壓伺服系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，單位面積出力大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。為了將目標(biāo)物下降到比較低的位置，便于更換，裝置下降后的最低高度不超過(guò)0.5m，頂升高度9m，因此采用多級(jí)油缸實(shí)現(xiàn)大幅度的頂升高度，裝置的整體結(jié)構(gòu)組成如圖2所示：

　　2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　變電設(shè)備專用液壓裝拆設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)由水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)、頂升機(jī)構(gòu)、頂端平臺(tái)三部分組成。

　　2.1.1 水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)。水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用4滾輪支撐，連接滾輪的結(jié)構(gòu)件中孔成U形，這樣方便吊裝目標(biāo)物最大限度降低高度，機(jī)構(gòu)如圖3所示。水平移動(dòng)軌道采用起重機(jī)的專用軌道，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況臨時(shí)搭設(shè)，底部采用枕木進(jìn)行連接，移動(dòng)機(jī)構(gòu)水平移動(dòng)距離為2m。水平移動(dòng)采用液壓低速馬達(dá)帶動(dòng)頂升機(jī)構(gòu)和頂端平臺(tái)在水平面鋪設(shè)的軌道上水平移動(dòng)，動(dòng)力采用低速大扭矩馬達(dá)，既能提供大的水平移動(dòng)力，又能保證水平移動(dòng)整體的穩(wěn)定性。水平的滾輪采用高強(qiáng)度耐磨的球墨鑄鐵實(shí)現(xiàn)。

　　2.1.2 頂升機(jī)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)戶外現(xiàn)場(chǎng)組裝作業(yè)，機(jī)構(gòu)重量要盡量輕，在保證強(qiáng)度的情況下盡量選擇高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，同時(shí)考慮成本即戶外抗腐蝕的因素，選擇7075鋁合金作為主要結(jié)構(gòu)的材料。為了達(dá)到預(yù)定的頂升高度，設(shè)計(jì)多級(jí)液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)9m的頂升，考慮到每級(jí)液壓缸的形成不超過(guò)2m，9m的高度采用5級(jí)液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。頂升機(jī)構(gòu)采用4組多級(jí)液壓缸均布的形式，并將液壓缸之間通過(guò)固定桿進(jìn)行連接，同時(shí)配合液壓多級(jí)缸行程同步控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)4臺(tái)液壓缸的升降同步動(dòng)作。4個(gè)液壓缸分別采用統(tǒng)一的液壓泵站，統(tǒng)一對(duì)4個(gè)液壓缸進(jìn)行供油，在安裝時(shí)只需通過(guò)快速接頭將液壓油管連接即可，結(jié)構(gòu)如圖4所示。液壓缸之間的同步通過(guò)位置信號(hào)檢測(cè)統(tǒng)一傳送給主控制器(也可采取4個(gè)單獨(dú)的液壓系統(tǒng)及單獨(dú)油箱，但成本高，集中控制不易實(shí)現(xiàn))。主控制器根據(jù)測(cè)試的位置信號(hào)，進(jìn)行運(yùn)算、比較，輸出控制信號(hào)到各液壓缸的伺服閥放大器，實(shí)現(xiàn)4個(gè)油缸頂升、下降的位置同步動(dòng)作。為了避免在停電的情況下出現(xiàn)異常，同時(shí)并聯(lián)一套手動(dòng)閥控系統(tǒng)，在停電情況下將頂升機(jī)構(gòu)下降到最低點(diǎn)，防止出現(xiàn)安全事故。

　　2.1.3 頂端平臺(tái)。頂端平臺(tái)通過(guò)安裝各種工裝來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同吊裝物的固定功能，具體結(jié)構(gòu)要根據(jù)實(shí)際吊裝物進(jìn)行分類設(shè)計(jì)，平臺(tái)的基礎(chǔ)架構(gòu)如圖5所示。采用U形凹槽結(jié)構(gòu)，將目標(biāo)物包裹在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，提升目標(biāo)物在頂升下降過(guò)程中的穩(wěn)定性。考慮到不同目標(biāo)物的形狀大小及重心點(diǎn)不一致，頂端平臺(tái)的支撐U型機(jī)構(gòu)在水平面內(nèi)位置可以調(diào)節(jié)，并通過(guò)連桿將兩個(gè)U型支撐架固定在一起，共同組成頂端的平臺(tái)，用于固定吊裝的目標(biāo)物。 　　2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.2.1 液控單元。裝置的頂升、駐留、下降的動(dòng)力采用液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了保證對(duì)每個(gè)液壓缸的行程進(jìn)行可靠控制，對(duì)每個(gè)液壓缸的速度和位置控制采用伺服閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)位置檢測(cè)信號(hào)來(lái)實(shí)時(shí)控制輸入到指定油缸的流量和壓力，保證各液壓缸的上升下降同步。考慮到液壓缸的高位駐留，采用液控單向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓缸負(fù)載停留。專用頂升裝置屬于現(xiàn)場(chǎng)組裝，因此每個(gè)液壓油缸的液壓油管都是現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)快速接頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。液壓系統(tǒng)原理如圖6所示。由于整個(gè)頂升機(jī)構(gòu)加上吊裝物重量很大，要實(shí)現(xiàn)在水平方向移動(dòng)，采用低速液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)頂升機(jī)構(gòu)和吊裝物的水平移動(dòng)。為了避免水平移動(dòng)的控制影響頂升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，水平移動(dòng)的液壓動(dòng)力采用單獨(dú)液壓泵實(shí)現(xiàn)。頂升油缸工作時(shí)需要高壓的液壓油，因此采用額定壓力為31.5MPa的柱塞泵來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了避免出現(xiàn)壓力波動(dòng)，液壓系統(tǒng)壓力設(shè)置了儲(chǔ)能器，有效平衡上升下降過(guò)程中的流量和壓力波動(dòng)，保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

　　2.2.2 電控單元。該液壓裝拆裝置的目標(biāo)物是變電設(shè)備，起重重量大，頂升高度高，同時(shí)是在高壓的環(huán)境下進(jìn)行操作，不易采用遙控或自動(dòng)方式，因此該裝置采用手動(dòng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。主控制器采用可靠性高、抗干擾強(qiáng)的工控機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，配以數(shù)據(jù)采集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓油缸的行程和壓力數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換給主控制器，主控制器根據(jù)采集到行程和壓力信號(hào)，經(jīng)過(guò)換算然后通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換板發(fā)送控制信號(hào)到液壓系統(tǒng)，控制伺服閥和相應(yīng)的電磁閥，以控制液壓缸的升降及速度。為了保證控制的精度，數(shù)據(jù)采集卡采用高精度的數(shù)據(jù)采集卡，同時(shí)加裝濾波電路，保證數(shù)據(jù)采集的可靠及高精度。控制方式采用比較成熟的PID控制算法，可靠實(shí)現(xiàn)頂升液壓缸的同步上升、駐留、下降動(dòng)作。

　　2.3 受力分析

　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求將第一級(jí)的液壓缸直徑設(shè)計(jì)為125mm，液壓系統(tǒng)最高工作壓力為21MPa。

　　2.3.1 頂升高度為3m的情況下，承壓油缸主要是第一級(jí)油缸，單個(gè)油缸頂升能力為：

　　大于實(shí)際需求的10T頂升力，4個(gè)油缸在理想工作情況下均分10T壓力，單獨(dú)油缸頂升力在2.5T左右，因此該系統(tǒng)3m頂升力滿足要求。

　　2.3.2 頂升9m高度的情況下，承壓油缸主要是第五級(jí)油缸，油缸直徑為40mm，該油缸頂升力為：

　　大于實(shí)際需求的1T頂升力，4個(gè)油缸在理想工作情況下均分1T壓力，單獨(dú)油缸頂升力在0.25T左右，因此該系統(tǒng)9m頂升力滿足要求。

　　2.3.3 目標(biāo)吊裝物重量為10000kg情況下，考慮到機(jī)構(gòu)的重量，設(shè)計(jì)為12T，水平移動(dòng)是在鋼軌上滾動(dòng)進(jìn)行，摩擦系數(shù)選為0.07，滾動(dòng)輪的直徑為150mm。

　　水平移動(dòng)克服摩擦力=12000×9.8×0.078232N

　　單個(gè)馬達(dá)輸出的扭矩為=

　　該輸出扭矩屬于大扭矩馬達(dá)，因此采用徑向柱塞馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)，DMQ-500/40型，轉(zhuǎn)速范圍為3～150r/min，滿足系統(tǒng)的要求。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　在2015年10月試制一臺(tái)樣機(jī)，并到試驗(yàn)基地進(jìn)行了負(fù)重測(cè)試。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況，由于目標(biāo)物重量大，在頂升過(guò)程中由于各油缸特性不一致，不可能完全一致地伸出和縮回，控制系統(tǒng)采用PID方式進(jìn)行控制，在低速情況下運(yùn)行比較平穩(wěn)，基本達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。該裝置的研制為變電設(shè)備采用底部頂升進(jìn)行裝拆提供了新的作業(yè)手段，增加了在不停主變的情況進(jìn)行作業(yè)的可能，為電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行提供保障，有非常現(xiàn)實(shí)的意義。

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　　高級(jí)工程師論文發(fā)表期刊推薦《陜西電力》（月刊）創(chuàng)刊于1973年，由陜西省電力公司主辦。是國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行的全國(guó)性科技刊物，包括火力發(fā)電、水力發(fā)電、供電與配電、電網(wǎng)、電站設(shè)計(jì)與生產(chǎn)、建設(shè)、科研開發(fā)等多項(xiàng)領(lǐng)域。作為西北五省（區(qū)）電力行業(yè)科技信息交流主渠道和帶頭期刊，受到各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的重視和廣大科技工作者的歡迎，充分體現(xiàn)西北電力生產(chǎn)建設(shè)的技術(shù)水平，是外部了解西北電網(wǎng)的窗口，是廣大電力行業(yè)工作人員進(jìn)行學(xué)術(shù)、科技成果和經(jīng)驗(yàn)交流的舞臺(tái)。