新型便携式杆上工作绳收放装置的研制

1概述

1.1选题背景和意义

在配电线路作业过程中,日常的线路检修、维护以及施工都需要在电杆上进行操作,经常需要上下传递工器具以及材料(传递距离为10～15m）。传统的传递方式是使用人力将工作绳进行收放以达到上下传递的目的。

在用人力起吊物体过程中,当出现体力不支或其他情况时,存在物体坠落风险。由于工作绳缺少制动装置,无法防止高空坠物危害的发生,作业人员手掌与绳索摩擦过大,容易造成手掌擦伤,作业风险较大。

1.2目前现状

目前,由于现阶段对配电线路网架改造工作的逐步实施,且日常对架空线路的维护检修工作日益增加,需要在杆上完成的工作越来越多,如表1所示。

由表1可知,每年需要在杆上完成的操作比较频繁。根据对配电运维班成员进行的一系列调查发现,在整个杆上作业过程中,通过人力用工作绳将工器具及材料上下传递的过程费时费力费人工。同时,在《珠海金湾供电局南水供电所配电运行区域内部风险评估表》中,包含了高空坠物风险,需要针对该风险提出相应的措施,如表2所示。

登杆前及作业过程如图1所示。登杆前,工作绳还会发生缠绕问题,起吊重物时,工作绳在空中摇晃且相互缠绕,使作业难度增大。

现选取了8个杆上作业项目,统计了每个项目完成所需要的平均时长、物体重量和向上提升物体所需要的力的大小。当不考虑空气阻力等因素时,所需要的人力大小等于物体的重力,重力系数取g=9.8N/kg,根据重力公式G=mg,结果如表3所示。

从表3可以看出,在这8个项目中,工作时长均在10min以上,对于杆上工作人员来说是很容易力竭的,且物体重量均在5kg以上,所需要的力至少要49N,对于用人力进行上下传递的方式来说是很费力的。

经统计可知,玻璃耐张绝缘子物体重量是最重的,达15kg,向上提升需要147N的力。很明显,更换玻璃耐张绝缘子是最费力的项目。

1.3本文研究内容

综合以上分析和论述,对于基层供电所而言,非常有必要通过一定手段,解决杆上作业提升物体时费时费力费人工的问题,同时还应规避高空坠物的风险。

针对以上问题,决定研制一款杆上工作绳收放装置,该收放装置整体为一个带绳盘绕盒的装置,该装置主要由齿轮组、转动手柄、棘爪等部分组成,通过转动手柄进行上下调节,且具有制动功能。

2新型便携式杆上工作绳收放装置介绍

2.1装置结构

新型便携式杆上工作绳收放装置结构如图2所示,实物如图3所示。

该装置为一种应用于配电网杆上作业的便携式工作绳收放装置,设有一个带转动手柄的工作绳盘绕盒,盒体中安装有相互啮合的第一齿轮以及第二齿轮,盒体侧面设置有用于驱动第一齿轮转动的摇柄机构,第二齿轮结构上设置有绕线盘,绕线盘上缠绕有工作绳,同时装置内设自锁棘爪,具有制动功能。

通过悬挂结构将收放装置安装在电线杆的铁环上,摇动摇柄机构,从而带动与第一齿轮组啮合的第二齿轮组上的绕线盘旋转,实现杆上作业的物体上下传递。通过第一齿轮与第二齿轮之间的齿轮变比,加上第一齿轮靠近摇柄机构一端,减少了第一齿轮与摇柄机构之间的力矩,实现"双重"省力。

2.2装置部件细化设计

在省力的同时,为提升作业过程的安全可靠性,对内部齿轮结构进行了细化设计。装置内壁上设置有用于防止第一齿轮逆向转动的棘爪。棘爪具有失速制动保险功能和防反转功能,在提升物体出现意外的情况下,防止第一齿轮反向旋转,同时避免出现不可控现象,规避高空坠物风险。齿轮结构示意图如图4所示。

利用棘爪实现制动功能,通过调节棘爪实现变向,结构简单,制作方便,稳固程度好,棘爪与齿轮的紧密程度较好。

3新型便携式杆上工作绳收放装置尺寸的确定

3.1绳盘面积的确定

首先进行受力分析,采用齿轮啮合方式,设计起吊的最大重物为15kg,假设工作绳与转盘无相对滑动,则大齿轮轴所受的力与工作绳的拉力相等,即147N。根据此设计思路,大齿轮半径为5cm,小齿轮半径为1.5cm,根据半径比可知小齿轮受力为44.1N。取差速器安全系数为3,齿轮模数为5,又因为大小齿轮半径比为10:3,可得绳盘直径为13cm,面积为42.25mcm2。3.2转动手柄长度的确定

已知大小齿轮半径比为10:3,当最大负荷输出为15kg(即147N）时,根据小齿轮半径r=1.5cm计算,可将转动手柄的长度设定为16cm,同时设计使工作绳和转动手柄间有一定的距离,可有效防止在转动摇杆时发生缠绕和夹手等情况。

4新型便携式杆上工作绳收放装置的应用试验

4.1实际作业试验

根据选取的杆上作业项目,进行现场实际作业试验,试验过程如图5所示。

图5实际作业试验现场

该试验过程非常顺利,省力效果明显,现场操作人员非常轻松地完成了项目试验。

4.2制动性能试验

针对装置具备的防坠落制动功能,进行了现场制动性能试验,试验过程如图6所示。

图6制动性能试验现场

该试验过程非常顺利,装置有制动功能,安全可靠,还可实现静止以及防反转功能,可以随意调节物体高度。

5新型便携式杆上工作绳收放装置的实用效果检查

该装置使用齿轮啮合的方式设计,以小齿轮带动大齿轮的方式,采用杠杆原理,通过齿轮变比,达到省力的目的。受力图如图7所示,在齿轮转动过程中,两个齿轮啮合面上传递的是力,按照牛顿第三定律,主动齿轮对从动齿轮啮合面的圆周力与从动齿轮对主动齿轮啮合面上的圆周反作用力大小相等,方向相反,作用在两个物体上。

根据选定的试验对象玻璃耐张绝缘子,物重为15kg,假设大齿轮轴所受的力与工作绳的拉力相等,即147N,根据上述已知大小齿轮半径比为

式中,F1为大齿轮受力,N:F2为小齿轮受力,N,代入可得F2=44.1N。又根据杠杆原理公式F2×R2=Fb×Lb,式中,F2为小齿轮受力,N:R2为小齿轮半径,cm:Fb为作业所需要的力,N:Lb为手柄长度,cm,代入可得44.1×1.5=Fb×16,即Fb≈4.134N。

实用效果检查过程如图8所示,过程非常顺利,经统计,作业过程所需力的大小为4.134N,只需原来力的2.8%,省力效果明显,具体数据如表4所示。

6结语

本文研制的新型便携式工作绳收放装置,通过齿轮啮合的工作方式,工作人员的省力效果明显,作业人员能轻松地上下传递物体:通过棘爪结构的设置,可以实现失速制动保险功能和防反转功能,大大降低了现场工作人员的安全风险。

本文研制的新型便携式工作绳收放装置成品已在笔者所在供电所得到试运用,并在珠海金湾供电局获得推广,其有效性和实用性超出了预期,其可行性亦得到了有效验证。