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摘 要：湖北省电力有限公司技术培训中心致力于培养电力技术人才，然而在近期的电力技术培训工作中，发现学院进行绝缘杆作业搭接支接线路引线过程中，部分学员出现下滑及踏空危险情况，进而导致部分学员因此下滑、踏空等遭受防坠器钢丝绳勒伤。因此，如何解决防坠器挂点可否跟随人员一起旋转、避免防坠器钢丝绳影响人员操作就成了亟待解决的问题。为此，本文设计了一套防坠器旋转横担支架作为防坠器的新挂点，以解决上述培训过程中的实际问题。
关键词：防坠器旋转横担支架;绝缘杆作业法;受力;拉力试验
近年来，随着社会经济的迅猛发展，配网不停电作业的需求急剧提升，配网不停电作业人员资质要求逐渐由主业人员向农电工及社会化用工人员放开。第三产业人员登杆基础差又很少接触带电作业，因此带来了配网不停电作业人员在配网不停电作业培训中易产生各种安全隐患的问题[1]。湖北省电力有限公司技术培训中心在10kV配网不停电作业一、二类项目取证班的学员培训过程中，发现在绝缘杆作业法搭接支接线路引线时，由于学员在杆上需进行频繁换位作业，起后备保护用的防坠器钢丝绳妨碍杆上操作，因此许多学员将防坠器钢丝绳拉至腋下后进行搭接或断开支接线路引线作业，当人员出现突然下滑或踏空时，防坠器钢丝绳极易对人员产生伤害。为此，本文设计了一套防坠器旋转横担支架方案，具体阐述如下：
一、防坠器旋转横担支架设计要求与思路
防坠器旋转横担支架在设计时首先要考虑是自身稳定及安全受力问题;其次是要考虑电杆稳定及安全受力问题;第三是要考虑在使用过程中能方便学员在电杆上换位作业时不至于影响到人员的操作，而且转动换位较为灵活;第四是要考虑防坠毁器旋转横担支架在电杆上的安装简便且好自动定位;第五是要考虑人员在下坠时人员的摆动要小，以防止人员撞杆;最后要考虑整个支架的结构简凑及重量轻巧[2]。
在设计防坠毁器旋转横担支架时考虑到在几种钢材型材如工字钢、槽钢、角钢、管材中，在相同重量相同截面相同长度的情况下，管材强度最高且稳定性最好，同时管材中方管便于安装和固定，因此选定一根Q235方管（60mm×60mm×4.8mm）和二根Q235方管（40mm×40mm×3.8mm）作为防坠毁器旋转横担支架的主要材料，采用原电杆线路报箍及由角钢横担加工而成的两根短角钢作为支撑构件，采用十二根原电杆线路长螺杆和两个定制不锈钢平面推力球轴承SS51103作为防坠毁器旋转横担支架旋转构件，采用两个厚度5mm的连板及Φ16mm的螺杆为防坠器挂点。其设计平面图和示意立体图如图1、图2所示：
二、防坠器旋转横担支架强度计算
防坠器旋转横担支架强度计算从以下六个方面来计算：
（1）水平主撑杆的抗拉强度能力;
（2）斜撑杆的抗压强度能力;
（3）斜撑杆的抗压失稳能力;
（4）六根主受力螺杆抗剪强度能力;
（5）下旋转支架座的抗弯强度能力;
（6）电杆抗弯强度能力。
现在水平撑杆选用60mm×60mm×4.8mm的方管制作;斜撑杆选用40mm×40mm×3.8mm的方管制作;螺杆用M16mm的螺杆，其内径为14.35mm;钢材均为Q235镀锌钢材。
整体支架各部分受力如图3、图4、图5所示：
受力计算为：以人重100kg计算，加上5倍动冲击系数，防坠器挂点螺杆处的总重力为G=500kg=5000N;
水平方管两铰接处水平长700mm，上下抱箍铰接旋转中心垂直长度为400mm;
故：水平方管受拉力：
F1=G×700/400=8750N
单根斜撑方管受压力：
F2=G2+F122=10078/2=5039N
螺栓最大剪切力为P=F1=8750N。
各部分强度计算分别为：
（1）水平撑杆许用拉应力[σ]=155MPa。
水平方管拉应力：
σ1=F1/A1=8750N/（60×60-50.4×504）mm2=8.26MPa
由于σ1=8.26MPa<[σ]=155MPa，故水平方管抗拉强度满足要求。
（2）斜撑杆许用压应力[σ]=155MPa。
斜撑方管受压应力：
σ2=F2/A2=5039N/（40×40-32.4×32.4）mm2=9.16MPa
由于σ2=9.16MPa<[σ]=155MPa，故斜撑方管抗压强度满足要求。
（3）失稳计算：斜撑杆受压易失稳，根据方管失稳压力公式计算。
单根斜撑最大压力：
FMax=ηEI/L2
=9.8×201×109×（40×403-32.4×32.43）×10-6/（12×806.22）
=368225.6N
由于FMax=368225.6N>5039N，故斜撑方管失稳强度满足要求。
（4）螺杆受剪强度计算。
水平撑杆根部（电杆铰接处）的螺杆受剪力最大，最大剪力为P=8750N;
水平撑杆根部螺杆许用剪切强度为：
[τ]=0.6×155MPa=93MPa
水平撑杆根部螺杆最大工作剪切应力：
τ=P/A螺杆=8750N/（3.14×7.1752）=54.2MPa
由于τ=54.2MPa<[τ]=93MPa，故受剪應力最大的螺杆剪强度满足要求。 （5）下旋转支架座抗彎强度计算：（由方管60mm×60mm×4.8mm制作）。
最大弯矩（在下旋转支架座中部）：
Mmax=F2×（30+5+20）=2771450（N·mm）
下旋转支架座的抗弯截面系数：
Wz=（604-50.44）/（6×60）=18076.63（mm3）
抗弯工作应力：
σ弯=Mmax1/Wz=277145/18076.63=1533MPa<[σ]=155MPa
故下旋转支架座抗弯强度满足要求。
（6）电杆受弯强度计算。
电杆因水平撑杆和斜撑杆的作用而受弯，弯曲最大力矩发生在与下旋转支架座相连接的抱箍中心水平截面处，最大弯矩为：
Mmax2=F1×400=8750×400=3500000（N·mm）=3.5KN·m
电杆采用Φ190mm×15H的钢筋混凝土电杆，查表知此型号的电杆最大允许弯矩为[Mmax]=33.69KN·m。
考虑到此电杆线路为单回路，且风载荷很小，档距不到15m，且由人员上杆坠落时防坠器对电杆产生的弯矩Mmax=35KN·m远远小于电杆最大允许弯矩[Mmax]=3369KN·m，故电杆受弯强度满足要求。
三、防坠器旋转横担支架拉力试验
（一）防坠器旋转横担支架静拉力试验及作业人员工位操作实验
通过在防坠器旋转横担支架挂板处静态悬挂500kg沙包24小时后，卸掉沙包，测量电杆无变形、无裂纹，测量支架各构件无变形、无裂纹，支架在悬挂负荷时可在水平方向180°自由旋转，静旋转阻力由固定螺母的松紧度及不锈钢推力球轴承阻力共同决定。杆上作业人员在杆上作业时能自由换位，且不影响人员进行杆上作业[3]。
（二）防坠器旋转横担支架冲击试验
通过在防坠器旋转横担支架挂板处悬挂100kg沙包作三次拉力冲击实验，卸掉沙包，测量电杆无变形、无裂纹，测量支架各构件无变形、无裂纹，支架在悬挂负荷时可在水平方向180°自由旋转，动旋转阻力由固定螺母的松紧度及不锈钢推力球轴承阻力及人员重量共同决定。且沙包自由坠下时无明显大幅摆动，极大程度保障了杆上作业人员突然下坠时不碰杆。
四、几种方案比较
上述防坠器旋转横担支架第一个方案的最大优点是采用了三角形支架，结构稳定;上下两旋转部分同一轴心线旋转，保证了上下两部分的同步旋转;上下两轴承采用较为简单的平面推力球轴承，两轴承不受弯力和剪切力，轴承采用不锈钢推力球轴承，因此轴承好维护;缺点是结构较为笨重，安装较为烦琐，旋转角度只有180°左右。
第二方案示意图如图6：
这一方案同样采用了三角形支架，结构稳定;上下两旋转部分同一轴心线旋转，保证了上下两部分的同步旋转;上下两轴承采用较为简单的平面推力球轴承，两轴承不受弯力和剪切力，轴承采用不锈钢推力球轴承，因此轴承好维护，同时下支结构进行的简化，省去了一根斜撑和一个下旋转支架座，大大增加的防坠器旋转横担支架的旋转角度，更利于人员的换位;缺点是下撑杆受力较大，需用较大的型材制作，下撑杆的左右两边的角度及长度尺寸配合要准确，增加的制作的难度。
第三方案示意如图7：
这一方案采用的悬臂梁的设计，结构相对薄弱，因此抱箍部分应采用加强型的异型抱箍，即抱箍的尺寸加厚加宽，且抱箍右耳长一些，在抱箍右耳上用两个螺杆固定角钢支架（用来安装旋转螺杆和水平撑杆），因此抱箍需单独用Q235或以上的钢板加工制作后热镀锌处理。水平撑杆既受拉也受弯，因此长度尺寸减小且型号加大;水平撑杆的左端旋转轴采用Φ18mm及以上的高强度T型螺纹螺杆制作。由于旋转部位受到弯矩作用，故在旋转轴两端的轴承受力较大，且受冲击力，故应采用加大型号的优质不锈钢平面球轴承。此方案结构简单，受力方式较差，且对电杆的弯曲挤压较不易计算，加工成本较高。
五、结语
在10kV配网不停电作业长期的实践培训教学过程中，大部分学员登杆技能较薄弱，如何处理好学员安全地进行杆上作业且不影响学员的杆上换位操作，一直是悬而未决的问题。通过对防坠器挂点支架的设计、制作、实验、应用四个方面的探索，并根据培训中心电杆结构合理地设计了防坠器旋转横担支架，解决了“学员将防坠器钢丝绳拉至腋下后进行搭接或断开支接线路引线作业，当人员出现突然下滑或踏空时，防坠器钢丝绳极易对人员产生伤害”的问题，进一步保障了学员在10kV配网不停电作业简单项目取证实训中的安全，让学员达到了安全取证又不至降低将来在生产过程中的具体操作能力的目的。
参考文献：
[1]李丹.高强度砼电杆的受力计算与选型[J].安徽电力，2011（2）：4749.
[2]杨瑞景，吴卫华，王斌，等.水泥电杆上作业防坠落装置的研制与应用[J].电力安全技术，2014，16（012）：5860.
[3]陈桂阳，刘丙财，谭波，等.关于深圳电网杆塔防坠落设置方案的探讨分析[J].电子测试，2014（05）：154158.
作者简介：杨方明（1969— ），男，汉族，湖北武汉人，本科，副高级，高级实习指导教师，现任湖北省电力有限公司技术培训中心输配电培训部培训师，研究方向：10kV配网不停电作业。
关键词：防坠器旋转横担支架;绝缘杆作业法;受力;拉力试验
近年来，随着社会经济的迅猛发展，配网不停电作业的需求急剧提升，配网不停电作业人员资质要求逐渐由主业人员向农电工及社会化用工人员放开。第三产业人员登杆基础差又很少接触带电作业，因此带来了配网不停电作业人员在配网不停电作业培训中易产生各种安全隐患的问题[1]。湖北省电力有限公司技术培训中心在10kV配网不停电作业一、二类项目取证班的学员培训过程中，发现在绝缘杆作业法搭接支接线路引线时，由于学员在杆上需进行频繁换位作业，起后备保护用的防坠器钢丝绳妨碍杆上操作，因此许多学员将防坠器钢丝绳拉至腋下后进行搭接或断开支接线路引线作业，当人员出现突然下滑或踏空时，防坠器钢丝绳极易对人员产生伤害。为此，本文设计了一套防坠器旋转横担支架方案，具体阐述如下：
一、防坠器旋转横担支架设计要求与思路
防坠器旋转横担支架在设计时首先要考虑是自身稳定及安全受力问题;其次是要考虑电杆稳定及安全受力问题;第三是要考虑在使用过程中能方便学员在电杆上换位作业时不至于影响到人员的操作，而且转动换位较为灵活;第四是要考虑防坠毁器旋转横担支架在电杆上的安装简便且好自动定位;第五是要考虑人员在下坠时人员的摆动要小，以防止人员撞杆;最后要考虑整个支架的结构简凑及重量轻巧[2]。
在设计防坠毁器旋转横担支架时考虑到在几种钢材型材如工字钢、槽钢、角钢、管材中，在相同重量相同截面相同长度的情况下，管材强度最高且稳定性最好，同时管材中方管便于安装和固定，因此选定一根Q235方管（60mm×60mm×4.8mm）和二根Q235方管（40mm×40mm×3.8mm）作为防坠毁器旋转横担支架的主要材料，采用原电杆线路报箍及由角钢横担加工而成的两根短角钢作为支撑构件，采用十二根原电杆线路长螺杆和两个定制不锈钢平面推力球轴承SS51103作为防坠毁器旋转横担支架旋转构件，采用两个厚度5mm的连板及Φ16mm的螺杆为防坠器挂点。其设计平面图和示意立体图如图1、图2所示：
二、防坠器旋转横担支架强度计算
防坠器旋转横担支架强度计算从以下六个方面来计算：
（1）水平主撑杆的抗拉强度能力;
（2）斜撑杆的抗压强度能力;
（3）斜撑杆的抗压失稳能力;
（4）六根主受力螺杆抗剪强度能力;
（5）下旋转支架座的抗弯强度能力;
（6）电杆抗弯强度能力。
现在水平撑杆选用60mm×60mm×4.8mm的方管制作;斜撑杆选用40mm×40mm×3.8mm的方管制作;螺杆用M16mm的螺杆，其内径为14.35mm;钢材均为Q235镀锌钢材。
整体支架各部分受力如图3、图4、图5所示：
受力计算为：以人重100kg计算，加上5倍动冲击系数，防坠器挂点螺杆处的总重力为G=500kg=5000N;
水平方管两铰接处水平长700mm，上下抱箍铰接旋转中心垂直长度为400mm;
故：水平方管受拉力：
F1=G×700/400=8750N
单根斜撑方管受压力：
F2=G2+F122=10078/2=5039N
螺栓最大剪切力为P=F1=8750N。
各部分强度计算分别为：
（1）水平撑杆许用拉应力[σ]=155MPa。
水平方管拉应力：
σ1=F1/A1=8750N/（60×60-50.4×504）mm2=8.26MPa
由于σ1=8.26MPa<[σ]=155MPa，故水平方管抗拉强度满足要求。
（2）斜撑杆许用压应力[σ]=155MPa。
斜撑方管受压应力：
σ2=F2/A2=5039N/（40×40-32.4×32.4）mm2=9.16MPa
由于σ2=9.16MPa<[σ]=155MPa，故斜撑方管抗压强度满足要求。
（3）失稳计算：斜撑杆受压易失稳，根据方管失稳压力公式计算。
单根斜撑最大压力：
FMax=ηEI/L2
=9.8×201×109×（40×403-32.4×32.43）×10-6/（12×806.22）
=368225.6N
由于FMax=368225.6N>5039N，故斜撑方管失稳强度满足要求。
（4）螺杆受剪强度计算。
水平撑杆根部（电杆铰接处）的螺杆受剪力最大，最大剪力为P=8750N;
水平撑杆根部螺杆许用剪切强度为：
[τ]=0.6×155MPa=93MPa
水平撑杆根部螺杆最大工作剪切应力：
τ=P/A螺杆=8750N/（3.14×7.1752）=54.2MPa
由于τ=54.2MPa<[τ]=93MPa，故受剪應力最大的螺杆剪强度满足要求。 （5）下旋转支架座抗彎强度计算：（由方管60mm×60mm×4.8mm制作）。
最大弯矩（在下旋转支架座中部）：
Mmax=F2×（30+5+20）=2771450（N·mm）
下旋转支架座的抗弯截面系数：
Wz=（604-50.44）/（6×60）=18076.63（mm3）
抗弯工作应力：
σ弯=Mmax1/Wz=277145/18076.63=1533MPa<[σ]=155MPa
故下旋转支架座抗弯强度满足要求。
（6）电杆受弯强度计算。
电杆因水平撑杆和斜撑杆的作用而受弯，弯曲最大力矩发生在与下旋转支架座相连接的抱箍中心水平截面处，最大弯矩为：
Mmax2=F1×400=8750×400=3500000（N·mm）=3.5KN·m
电杆采用Φ190mm×15H的钢筋混凝土电杆，查表知此型号的电杆最大允许弯矩为[Mmax]=33.69KN·m。
考虑到此电杆线路为单回路，且风载荷很小，档距不到15m，且由人员上杆坠落时防坠器对电杆产生的弯矩Mmax=35KN·m远远小于电杆最大允许弯矩[Mmax]=3369KN·m，故电杆受弯强度满足要求。
三、防坠器旋转横担支架拉力试验
（一）防坠器旋转横担支架静拉力试验及作业人员工位操作实验
通过在防坠器旋转横担支架挂板处静态悬挂500kg沙包24小时后，卸掉沙包，测量电杆无变形、无裂纹，测量支架各构件无变形、无裂纹，支架在悬挂负荷时可在水平方向180°自由旋转，静旋转阻力由固定螺母的松紧度及不锈钢推力球轴承阻力共同决定。杆上作业人员在杆上作业时能自由换位，且不影响人员进行杆上作业[3]。
（二）防坠器旋转横担支架冲击试验
通过在防坠器旋转横担支架挂板处悬挂100kg沙包作三次拉力冲击实验，卸掉沙包，测量电杆无变形、无裂纹，测量支架各构件无变形、无裂纹，支架在悬挂负荷时可在水平方向180°自由旋转，动旋转阻力由固定螺母的松紧度及不锈钢推力球轴承阻力及人员重量共同决定。且沙包自由坠下时无明显大幅摆动，极大程度保障了杆上作业人员突然下坠时不碰杆。
四、几种方案比较
上述防坠器旋转横担支架第一个方案的最大优点是采用了三角形支架，结构稳定;上下两旋转部分同一轴心线旋转，保证了上下两部分的同步旋转;上下两轴承采用较为简单的平面推力球轴承，两轴承不受弯力和剪切力，轴承采用不锈钢推力球轴承，因此轴承好维护;缺点是结构较为笨重，安装较为烦琐，旋转角度只有180°左右。
第二方案示意图如图6：
这一方案同样采用了三角形支架，结构稳定;上下两旋转部分同一轴心线旋转，保证了上下两部分的同步旋转;上下两轴承采用较为简单的平面推力球轴承，两轴承不受弯力和剪切力，轴承采用不锈钢推力球轴承，因此轴承好维护，同时下支结构进行的简化，省去了一根斜撑和一个下旋转支架座，大大增加的防坠器旋转横担支架的旋转角度，更利于人员的换位;缺点是下撑杆受力较大，需用较大的型材制作，下撑杆的左右两边的角度及长度尺寸配合要准确，增加的制作的难度。
第三方案示意如图7：
这一方案采用的悬臂梁的设计，结构相对薄弱，因此抱箍部分应采用加强型的异型抱箍，即抱箍的尺寸加厚加宽，且抱箍右耳长一些，在抱箍右耳上用两个螺杆固定角钢支架（用来安装旋转螺杆和水平撑杆），因此抱箍需单独用Q235或以上的钢板加工制作后热镀锌处理。水平撑杆既受拉也受弯，因此长度尺寸减小且型号加大;水平撑杆的左端旋转轴采用Φ18mm及以上的高强度T型螺纹螺杆制作。由于旋转部位受到弯矩作用，故在旋转轴两端的轴承受力较大，且受冲击力，故应采用加大型号的优质不锈钢平面球轴承。此方案结构简单，受力方式较差，且对电杆的弯曲挤压较不易计算，加工成本较高。
五、结语
在10kV配网不停电作业长期的实践培训教学过程中，大部分学员登杆技能较薄弱，如何处理好学员安全地进行杆上作业且不影响学员的杆上换位操作，一直是悬而未决的问题。通过对防坠器挂点支架的设计、制作、实验、应用四个方面的探索，并根据培训中心电杆结构合理地设计了防坠器旋转横担支架，解决了“学员将防坠器钢丝绳拉至腋下后进行搭接或断开支接线路引线作业，当人员出现突然下滑或踏空时，防坠器钢丝绳极易对人员产生伤害”的问题，进一步保障了学员在10kV配网不停电作业简单项目取证实训中的安全，让学员达到了安全取证又不至降低将来在生产过程中的具体操作能力的目的。
参考文献：
[1]李丹.高强度砼电杆的受力计算与选型[J].安徽电力，2011（2）：4749.
[2]杨瑞景，吴卫华，王斌，等.水泥电杆上作业防坠落装置的研制与应用[J].电力安全技术，2014，16（012）：5860.
[3]陈桂阳，刘丙财，谭波，等.关于深圳电网杆塔防坠落设置方案的探讨分析[J].电子测试，2014（05）：154158.
作者简介：杨方明（1969— ），男，汉族，湖北武汉人，本科，副高级，高级实习指导教师，现任湖北省电力有限公司技术培训中心输配电培训部培训师，研究方向：10kV配网不停电作业。