移动高压线杆在露天矿山中的设计与应用

2011-02-05程林王超东吕金辉

有色金属（矿山部分） 2011年6期

程林，王超东，吕金辉

（栾川龙宇钼业有限公司，河南洛阳471500）

栾川龙宇钼业有限公司的南泥湖钼（钨）矿区是以钼为主的钼钨特大型矿床。主矿体东西长2 600 m，南北宽1 000～1 500m，最厚处439m，平均厚度128m，为栾川三大钼矿之一［1］。

随着公司的发展，矿山开采工程也在逐渐推进，大型穿孔及铲装设备的用电问题亟待解决。但由于采场台阶变动较快，采场高压供电线路必须随之移动，考虑移动方便和节省人力、财力等现实因素，采场高压用电线路设计为移动线杆供电方式。经过对移动线杆的整体设计、理论校核及线杆选型论证，证实了所设计的高压移动线杆能达到预期的稳定性效果，为后期的高压移动线路架设提供了保障。

1 移动高压线杆的设计

针对南泥湖矿山公司采场的开采状况，开采台阶不断推进，为了实时满足设备作业时的用电需求，高压线路也就必须随之移动。经过大量的分析研究，设计出焊接式的高压移动线杆，主要是由高度12m、外径219mm、壁厚7mm的无缝钢管（带脚蹬），45＃道轨（或工字钢），┕70角钢及少量钢板焊接而成。设计示意图如图1所示：

1.1 移动高压线杆设计高度的技术性分析

矿山目前使用的大型机械设备主要有：北方重汽车股份有限公司生产的TR100工程车、太原重型机械厂生产的WK－10B型电铲、湖南有色重型机器有限公司生产的CS165E型潜孔钻机等。高压电是露天矿山的一个重大危险源［2］，因此，我们在设计移动高压线杆高度时，在遵循经济合理、技术可行的原则下，充分考虑了矿山供电安全问题。其中潜孔钻机在移动时，整个钻机高度小于TR100工程车的高度，故在设计移动线杆高度时主要以TR100工程车和WK－10B型电铲为例进行分析。移动线杆架设的线路包括水平方向的支线和跨越开采台阶的支线。矿山进行开采工作时，工程车需要在水平支线下进行移动，电铲需要在跨越开采台阶的支线下进行移动，具体分析如下：

1.1.1 移动线杆水平架设线路安全性分析

图1 移动高压线杆设计示意图／mmFig.1 Design of mobile high－voltage telegraph pole

TR100工程车目前作为矿山主要运矿设备，整个汽车长10.82m，宽5.15m，高4.575m。工程车是以后穿梭于高压线下的最高车辆，由于安全规程规定：10kV高压线竖直方向安全距离要≥1.5 m［3］，这就要求所架高压线最低高度为6.1m。从热胀冷缩角度考虑，架设线路必须留有一定弧垂，100m线垂度约0.8m左右［4］，故高压线最低高度需要6.9m。从安全角度考虑，我们设计线杆高度为12m，此高度能完全满足技术要求。线杆水平架设线路的情况如图2所示：

图2 水平架设线路示意图Fig.2 Sketch map of level erecting poles

1.1.2 跨越开采台阶架设分支线路的安全性分析

WK－10B型电铲是矿山目前使用的体积最大的设备，它和TR100工程车配套使用，主要用来给TR100工程车装矿，它的高度为13.822m。矿山采场工作台阶宽度为60～80m、工作台阶高度为15 m，电铲在平时工作时沿台阶内侧行走、作业。线杆高度选取12m，线杆高度加上台阶高度形成约25 m的高度空间，此高度空间完全能满足电铲安全穿越高压支线进行作业，图3所示为线杆跨越台阶方向架设线路的情况。

综上分析，在考虑到供电安全的前提下，我们设计移动线杆高度定为12m。

图3 跨越台阶架设线路示意图／mmFig.3 Sketch map of spanning bench construction of poles

1.2 移动高压线杆焊接选材的技术性分析

移动线杆上下直径均为219mm，常用脚爬不能满足这种线杆的攀爬需求，因此焊接了脚蹬以便攀爬作业。底座采用4m见方的道轨焊接而成，外廓尺寸是根据线杆的高度设计的（详细论证见1.3），整体稳定性较好。线杆与底座连接处加焊肋板，并用┕70角钢斜撑杆体。底座四个角处加焊了三角钢板形成三角平台，再将斜撑角钢两头适当弯曲分别焊接于三角平台，这样增大了焊接面积，提高了焊接质量，保证了线杆结构的整体稳定。线杆若处在电线较大转角使用且无法打拉线时，可以给转角杆处加上配重块，使线杆在承受多向力的情况下依然稳固。考虑到线杆的整体效果，可利用底座两边的空间和道轨上下宽度差，放置配重块（材质：灰口铸铁HT20—40）。

1.3 移动高压线杆稳定性校核

将高压移动线杆简化后进行受力分析，如图4所示。经分析，电线杆所受合力方向是沿着对角线方向偏移的。由于对角线方向底座所能承受的力最小，为了确保受力校核准确性，对电线杆底座沿对角线的方向进行受力计算。

图中基本尺寸是：AB＝12 000mm；DC＝CE＝ 3 459mm；BC＝2 500mm；DB＝BE＝2 391mm；

∠DCB＝44°。

校核基本公式为：∑X＝0，∑Y＝0，

对高压线杆实例形状及放置方式进行分析，竖直方向电线杆直接焊接在道轨上，而道轨直接放置到地面上，所以竖直方向受力平衡，不需要校核。

图4 受力分析图Fig.4 The graph of force analysis

由B点力矩平衡，即∑MB（F）＝0，有：

校核时取FA最大受力情况进行计算。

作用在A点的力由4部分组成，分别是：电缆的拉力Fd，操作员的重量Fr，电线杆重力沿水平方向的分力Fg和所受的风力Fi。

电缆3.8kg／m，取电缆100m计算，则Fd＝ 3 724N，人员重量取75kg，则当有一人在电线杆上操作时，则Fr＝735N。

电线杆在放置到地面之前均需对地面进行平整，假如平整得不够水平，取最大斜度为15°，则电线杆重力沿水平方向的分力为：

Fg＝440×9.8×sin15°＝1 121.12N

风力包括了两部分，对电线杆的作用力Fi1和对电缆Fi2的作用力。计算时取风级为6级，其压强大小为：

其中：ρ＝1.2258kg／m3，c＝0.7，v＝12m／s。

又F＝P×S，则：风力作用在电线杆上的力：Fi1＝256.1N

风力作用在电缆上的力：Fi2＝1 842.9N

校核时按最大受力情况计算，将作用在A点的力均施加在同一方向，如图3所示。此时有：FA＝Fd＋Fr＋Fg＋Fi1＋Fi2＝7 679.12N

代入公式：FA×AB＝2FDCy×DB

则：FDCy＝FA×AB／（2DB）＝19 270.1N

故：FDC＝FDCy／cos44°＝26 790.1N

查得┕70角钢的屈服强度为355MPa［7］。则角钢实际屈服所需要的最小力Fj为：

由于FDC＝26 790.1N＜＜Fj＝239 625N，则高压线杆能满足支撑强度要求。

而且线杆的B端是焊接在道轨上，且还有钢板、肋板的加固，这就更确保了电线杆的稳定性。

综上校核，移动高压线杆的稳定性达标，满足使用条件。

1.4 线杆壁厚取为7mm的技术性分析

对于细长型管截面Fa根据式3［6］进行计算：

式中：Fa是线杆的法向受力，D是线杆的直径，t是线杆的壁厚，Fy是线杆轴向受力。由1.3节可知：Fa1＝7 679.12N，Fy＝19 270.1N，将Fy＝19 270.1N代入以上公式，对Fa1进行校核，有：

由于Fa＝7 729.2N＞Fa1＝7 679.12N，即就是当线杆承受最大轴向力的情况下，所能承受的最大法向力比理想中加载的最大的法向力还要大。事实上加载的这些力不可能同时存在，实际中线杆所承受的力比校核时加载的力要小的多。

查得线杆所用无缝刚管的屈服强度是355 MPa，由此可以算出线杆的屈服力Fm是：

故线杆材料的屈服强度满足要求，且线杆厚度选取的恰到好处，达到了技术上可行、经济上合理的要求。因此线杆厚度取为7mm具有明显的技术优越性，比较合理。

1.5 移动高压线杆在矿山采场的试验情况

2010年11月26日，在龙宇钼业南泥湖露天矿山东采区进行移动线杆现场试验。

首先，使用推土机对设计的移动高压线杆进行了移动试验。试验内容包括：在小于10%的坡面上移动、在矿石阻挡下移动、小角度旋转等。试验结果表明，高压移动线杆的强度和稳定性均达到了设计效果，并且线杆移动方便、灵活、移动效率高，能够适用于矿山复杂的地理环境，为后期高压移动线路架设打下了坚实的基础。

其次，对设计的移动线杆进行工业试验，即从2011年1月利用移动线杆架设的高压移动线路投入矿山现场使用至今。使用结果表明：移动线杆设计的高度、选择的材质、以及设计的结构能够完全满足矿山的供电需求，稳定性好、机动性高、安全性高，能够适应矿山在采装作业中的供电需求，为矿山以后生产能力的提高奠定了基础。矿山供电网络使用移动线杆前后比较情况如表1所示。