摘要：张力机是进行架空输电线路张力架线施工的关键设备之一，现役常用的张力放线张力机都是液压控制方式，现有的张力机大都存在一些不足如“溜线”和“窜动跑线”现象。本文针对现有的张力机升级改造方案进行综述，开展针对张力机的关键操控部分进行升级研究、提出解决方案并完成技术实现，可提高现有张力机的技术性能、降低故障率、提升作业的安全性与施工质量。
关键词：张力机；安全性；可靠性
引言
电力工业作为经济建设和人民生活的支柱产业正经历一个飞速发展的过程智能化、自动化、系列化、通用化成为施工装备新的发展趋势，研发更先进、更实用的架线施工装备是加快输电线路施工进度关键。
从上个世纪70年代末起，我国在电网建设中开始引进牵引、张力设备，经过30多年的发展，从对引进设备的消化吸收到自主研制，我国牵张设备的生产能力已日趋成熟。
从总体上看，国外牵张设备产品的设计较合理、技术性能稳定、故障率较低、油耗较小，国内的牵张设备厂家通过对引进国外牵张设备的消化吸收与自主创新，已经不断的缩小技术水平上的差距。
目前，国内牵张设备随着国家电网公司施工装备机械化水平的不断推进而日趋成熟，机器的发展从分散阀块到集成阀块、从传统仪表到集成仪表、从纯手动控制到采用电控。然而，现阶段的施工方所持有的张力机大多为手调液控方式，机器的安全性、操控性、可靠性等方面并不尽人意。现有的张力机大都存在一些不足：
（1）张力轮处于“受拉”且受较大负载时，容易出现 “溜线”的现象；
（2）张力轮处于制动并受较大负载时，人工操作松开刹车的时刻，易出现“窜动跑线”现象；
（3）张力机液压控制系统的稳定性在作业现场的表现堪忧，成为非正常“跑线”事故的一大因素；
（4）张力机作业控制受施工人员经验及技能影响较大，易造成施工事故或设备损坏；
（5）张力机缺乏状态自检及整机信息化手段，设备检修完全依靠人工，易产生漏检项，且作业与维护数据也无法有效保存。
针对以上问题，本文开展针对张力机的关键操控部分进行升级研究、提出解决方案并完成技术实现，提高现有张力机的技术性能、降低故障率、提升作业的安全性与施工质量。
1 智能化张力机的研究现状综述
随着行业的发展，现有的张力机已经不能满足实际的要求，因此，对张力机进行升级改造是一项迫切且重要的课题。
陈笑梅等[1]以原来的液压控制张力机为载体，整机结构和工作原理不变，对其进行了一个智能化控制的改造，将原来的液、电结合控制系统变为以微处理器为控制核心的电子智能控制显示的电气系统。组成设备的机械、液压和电气三大部分，机械部分不变，液压传动部分不变，液压控制和显示部分变为电气控制和显示方式，电气部分作了较大的改动。
侯建明等[2]研究的张力机智能控制系统硬件部分由上位机和下位机、无线视频监控系统等组成，通过Profibus总线连接传输数据，最长可达到50m的控制距离，可实现远程操作的设计目标。在其智能控制系统中主要应用了总线远程控制技术和控制程序中的故障自诊断及处理功能。
刘建锋等[3]对张力机多机联控系统进行了研究，通过一个控制柜实现一个人操作多台机器，并具有恒张力放线功能，解决了多人操作存在配合上的偏差、设备不同步的问题，防止了导线展放过程中出现误操作，提高了输电线路架设的质量和安全性，降低了工人劳动强度和人工成本。
李林峰等[4]研究了适用于碳纤维导线展放的张力机，可以减小导线的弯曲度，避免导线承受较大的集中应力，保证碳纤维复合导线的展放质量。
2 张力机智能升级主要技术难点
2.1 张力机在张力放线过程中的功能多样性与作业工况的复杂性
在张力放线过程中，张力机除了提供张力施加的功能，还提供了制动、反牵等配合施工工艺的多种能力。
由于张力机处于不同负载下的多种状态切换，其复杂性给控制系统的升级及验证带来一定难度。系统升级需充分考虑机器的每一个状态，确保逻辑完备、功能完整。
2.2 机的配置、技术水平的多样性与阶梯性
不同数据源的多期数据+勘测设计数据+施工数据，形成了海量数据，大数据量的处理和分析也是一个难点。不同数据源的多期地形地貌数据、勘测设计、施工数据，绝对数据量非常大。
本项目针对的对象并非仅仅是某个具体品牌、型号的张力机，而是需要让技术研究与研制成果可普适与大部分现役张力机。
因此，需汇总并统计现有张力机的各种机型，针对主流张力机的操控原理设计出具有很高适应性、配置灵活的电液控制系统。
3 张力机智能升级方案
3.1 张力机总体升级方案
张力机智能化控制就是使设备的各种控制都可以实现智能自动化，所有工作参数及状态都可以通过显示屏自动显示；设备出现故障可即时显示并自动处于保护状态以避免引发事故：另外还可记录工作时间及使用过程中出现过的故障情况以利于保养维修。
整机采用PLC微处理器控制，实现张力机液压系统控制电子化、智能化。保证张力机达到如下技术性能：
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图 1 智能控制框架图
（1）发动机、液压系统实现整体数字控制；实现发动机功率与负载相匹配，使发动机始终处于一种良好的工作状态，保证发动机不超载。
（2）对张力实现智能控制；张力机可实现恒张力控制从而避免由于牵引速度变化或滑轮摩阻产生张力波动使导线在展放时发生忽高忽低的现象。
（3）对系统安全实现全面监控和保障；设备出现各种故障时可自动采取措施，停机并报警。
（4）对整机运行状态显示，重要参数设定，所有设备运行参数都可实现实时显示。故障情况实现实时显示和记录，并有工作时间记录功能。张力机智能控制框架如图1所示。
3.2 发动机的油门控制与标定的电子化控制技术
（1）对目前主流张力机发动机油门拉线式控制进行电子化标定，实现发动机的电子化控制，便于与其他控制单元的集中控制；
（2）研究电子化标定信号的类型以及传输方式，处理方式，标定的电子信号装置的安装方式等，实现与主流张力机的配合安装；
（3）电控油门与其他油门（有机械式、机械液压式、机械气动式等）相比具有发动机速度反馈、自动调节供油量、运行平稳、效率高、结构紧凑、操作方便等优点，在现代工程机械中的应用越来越普遍
（4）发动机油门拉杆位置的变化是由执行机构位移变化引起的，因此，发动机油门拉杆位置的变化实际上就是执行机构位移的变化。系统控制发动机油门位置完全可以通过控制执行机构移动位移来实现。这是系统设计的基本思路。
（5）控制器根据位移传感器检测的执行机构位移反馈信号和外部控制信号，输出驱动信号驱动执行机构动作，执行机构拉动油门拉杆，油门拉杆位置发生变化，进而引起发动机转速的变化，这样就完成对发动机油门位置的控制。速度传感器用来监测当前发动机转速。
（6）系统主要包括控制器、直线电机、油门旋钮、继电器、转速传感器、24V直流开关电源等器件。电子油门外形如图2所示。
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图2 电子油门的外形设计
3.3液压系统的电液控制模块设计
根据输变电线路施工对牵引机功能的特殊要求，对张力机电液系统进行专业设计，进行液压系统模拟仿真测试。
设计液压系统采用闭式系统、开式系统相结合的方式，冲击较小，变量控制方便且污染小，系统中设置有用来冷却的热交换装置，确保闭式系统、开式系统均能在稳定的、适宜的系统温度下工作，确保液压系统工作可靠，延长液压元件的使用寿命。
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图3 主控阀组的三维结构图
对液压系统进行特殊设计，保证在任何情况下满足泵、马达、减速器的壳体压力需要，杜绝泵、马达、减速器的轴封由于壳体压力过高而损坏。
液压系统采用“液压伺服”控制系统，实现预调功能，液压系统中设置一预调阀，当系统压力达到该阀的预设值，“液压伺服”控制系统，会控制变量泵的斜盘摆角变小（排量减小），直至泵的输出流量与系统的泄漏量相平衡，保持当前负载，此时泵的消耗功率很小仅为液压系统泄漏损失的功率。
液压系统采用采用集成插装阀块技术，插装阀为进口产品，插装型式使液压阀安装在一个集成阀块上，简化了液压回路，减少了液压胶管连接数量，增强了系统抗污染能力，提高了使用性能，且维护非常方便。主控阀组的三维结构图如图3所示。
3.4 远程数据通讯装置设计研究
目前张力机架线施工存在零星设备管理盲区、设备动态达不到及时掌握、设备状态不能及时诊断分析维护以及设备能耗等不到准确控制等问题。
远程数据通讯、监控系统利用本地计算机通过网络系统，对设备和产品的性能状态进行异地远程的全天候监测、预测和评估，并按需制定维护计划，以防止它们因故障而失效，完成对分散设备的状态监控及设备的诊断维护等功能，力争实现设备高质运行，实现对设备的全生命周期管理。
主要功能设计如下：
（1）位置分布：地图上显示所有设备位置及状态；显示每台设备的具体信息；
（2）实施数据：在所有通讯、监控终端显示设备当前运行的各种参数；
（3）运行曲线：展示设备参数最近某段时间的曲线和参数；
（4）报警提示：设备出现故障时可及时通过短消息向维护人员通报；
（5）统计分析：系统具备显示、存储、查询、控制、分析、报表等功能。
（6）车载集总型信息系统的研制与应用
开发集总型的数据记录与作业信息汇总功能，进行作业过程的力、速度等关键数据的在线记录并可离线导出到个人电脑；可通过信息显示终端主动提醒进行维护、保养。
（7）远程数据通讯系统的应用
利用移动互联网的成熟技术，给机器配备远程数据通讯装置；让机器运转的状态实时传递到监控人员电脑，便于及时俘获警报状态，并对机器的安全可靠性水平进行实时评估、监控。远程数据通讯模块PCB板如图4所示。
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图4 远程数据通讯模块PCB板的设计
4 结语
本文对现有的张力机的升级改造进行综述，发现相关方案没有真正达到张力机的智能化升级。对张力机的关键操控部分进行升级研究、提出解决方案并完成技术实现，成果可提高现有张力机的技术性能、降低故障率、提升作业的安全性与施工质量，可充分利用现有设备资源，新增较小的成本投入，在短期内迅速提高张力架线的高效性与安全性。
参考文献：
[1]陈笑梅，王小霞.智能化张力机的研究与应用[J].电气传动自动化，2018，40（2）：16-20.
[2]侯建明，孟昭清.张力机智能控制系统研究与工程应用[J].电力建设，2013，34（10）：118-123.
[3]刘建锋，翟飞.张力机多机联控系统研究[J].机电信息，2015，（33）：171-173.
[4]李林峰，刘建锋，高晓莉，马守锋.适用于碳纤维导线展放 的张力机研究[J].山东工业技术，2019：216.
论文作者:洪巧章1,赖余斌1,徐郁峰2
论文发表刊物:《电力设备》2019年第21期
论文发表时间:2020/3/16
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