轻量型工器具在技改抢建工程中的绩效分析

【摘要】轻量型工器具拥有降低运输成本、提升工作效率、便于施工展开等优势，在技改抢建工程中综合效益突出。应通过优化结构、优选轻量材料和优选加工方法等方法积极推进工器具轻量化，使工器具实现减重优化、提高性能的目的。

【关键词】工器具；轻量型；绩效；成本

当前，国家大力推进特高压电网建设。特高压线路具有塔高、导线张力大、金具和绝缘子重量大等特点，相应的作业工具也重量大。同时，工器具总量繁多，仅在特高压线路带电作业中就有金属工具、绝缘工具、个人防护工具、检测工具、辅助安全工具五大类，种类众多。这对推动工器具轻量化改革，配备轻量型工器具，来提升作业工具开发管理水平提出了新的要求。

一、工器具轻量化的经济效益分析

工器具轻量化是指根据施工实际需要和工器具的特点，综合运用新材料、新工艺，并通过对工器具性能进行分析测试，在满足作业性能、安全要求和成本经济等要求的基础上，以降低工程成本、提升工作效率、减少能源消耗、便于施工展开等为最终目的，来开展的优化活动。

选用轻量型工器具，在技改抢建工程中，会对工程成本带来如下影响：

一是开展改型设计、更换轻量型器具会产生部分费用。改型设计工器具，必然需要投入一定的人力物力，实验过程中需要消耗相关耗材，花费一定设计费用，产生了部分成本。但研究表明即使在大件工程机械的成本构成中，设计费用往往也只占总成本的5%，但是能影响60―70%的成本构成。同时，更换轻量型工器具需要投入一笔新的购置费用，并可能提前报废原有工器具，产生一定的折旧成本空耗。

二是选用轻量型工器具会降低运输、使用成本和人工成本。轻量型工器具与原工器具相比，最大的优势就是重量减轻。重量减轻对工程成本特别是抢建技改工程的成本影响较大。电网建设工程具有建设直线距离长等特点，工器具的运输成本在工程总成本中占比较高。而抢建工程中对工程建设时间进度要求高，要求人、材料、机械快速到位，运输成本在施工总成本中占比更高。这种情况之下，多使用轻量型工器具，能在单位时间、单位台班车辆运输更多的工器具，降低车辆运输成本。同时，对人工搬运的消耗也减少，单人可携带工器具数量增多，施工效率增加，降低了工程的人工成本。

三是工器具轻量化具有综合成本优势。根据工程建设实际成本构成分析，工器具轻量化具有综合成本优势。仅以选用轻质材料代替钢材为例来开展分析，选用加厚的铝合金材质零部件可以实现与与钢材质零部件强度相当，满足施工需要。但同强度的质量铝合金材质零部件重量只有钢材质零部件重量的1/2，尽管铝合金价格比钢材价格贵2倍左右，但结合零部件的全寿命使用周期中来开展成本核算的话，铝合金材质的增效效益远超增加份额，综合成本优势显著。

二、工器具轻量化改造的方法

结合材料科学相关知识，工器具轻量化一般包括优化结构、优选轻量材料和优选加工方法三大类。

（一）优化工器具结构

一是开展零部件功能分析，减去冗余零部件或零部件中的冗余部分。随着电网施工技术的发展进步，在特高压线路施工中，部分原用于较低电压等级线路施工的工器具中有部分零部件已成冗余，可结合抢建技改工程实际需要，减去冗余零部件，降低作业工器具的重量。

二是优化Y构组合。结构优化设计是降低工器具重量的一种有效途径。CAE仿真优化法是在轻量化设计中得到广泛使用，它是指借助理论计算、有限元分析、数值优化、多目标优化等数学建模方法，在满足工器具安全、强度、刚度和疲劳度等约束条件的基础上，通过改变某些允许改变的设计变量，使工器具的综合性能达到最优的拓朴优化方法。在进行工器具优化设计时，应对需要使用该工器具的各种工况进行建模、分网、加载、求解和后处理，合理分别不同部件的减重目标，对应力集中的零部件进行结构优化，在结构上进行相应调整，必要时可去除该部分，以实现在满足约束条件前提下重量这一参数上的总体结构最优。

三是通过优化设计减小零部件外形尺寸。比如通过折叠化设计、压缩化设计等改进，虽不能直接降低工器具质量，但便于工器具运输，一定程度上达到了工器具轻量化改造的目的。

（二）优选轻量材料

新材料的研究和应用是实现工器具轻量化的最有效途径。近年来，在生产实践中，高强钢、超高强钢、铝、镁等合金新材料在各行各业中得到了广泛的应用，特别是在汽车工业、飞行器制造工业、建筑工业等已经大量通过

选用新材料来降低重量。如由碳纤维、玻璃纤维等复合材料制成的工程塑料，它所制成的受力结构件，拉伸强度相当于钢的35倍，稳定性、疲劳度、耐腐蚀性也都优于钢，但同样尺寸的工程塑料重量仅为钢铁的三分之一到四分之一，具有优良的轻量化性能，在结构件、功能件设计中得到广泛的应用。

在电网施工作业工器具改良中，应广泛参考当前已经得到广泛应用的成功案例，大胆试用高强钢、合金、工程塑料等新材料，根据施工实际需要和相关操作规范要求，选用最优的材料来设计工器具，采用性能更优、成本更低和质量更轻的零部件代替原有零部件，使工器具实现减重优化、提高性能的目的。

（三）优选加工方法

不同加工工艺、加工方法也会导致工器具的重量会发生变化。例如根据轻量化的要求来考量，同等性能的焊件比铸件重量要轻，更加适宜于应用在工器具轻量化改造中。在具体的工器具轻量化设计中，应综合运用上述三种方法，以期最大限度提升轻量化效果。

三、在抢建技改工程中选用轻量型工器具需要注意的事项

轻量型工器具拥有降低运输成本、提升工作效率、便于施工展开等优势，在技改抢建工程中综合效益突出，应在送电线路施工项目中积极推广应用轻量型工器具。但与此同时，选用轻量型工器具必须注意以下事项：

第一，选用轻量型工器具必须满足工器具的基本性能需要，符合电网建设施工规范的要求。每一项工器具在电网建设施工作业中都有其独特的功能，部分工器具对其刚性、张力、承载力、绝缘性、使用寿命等有明确的要求，在进行轻量化改造设计中，不能因为单纯追求减重而影响其他性能，诱发安全风险和质量事故。正确的设计轻量型工器具应该是基于对工器具结构进行科学分析，对选用材质进行充分比对，在安全、成本、质量等方面进行综合对比分析后，经过实践验证后再定型推广。因此，轻量型工器具选型工作必须由充分熟悉现行到工器具并熟知送电线路施工规范的中高级施工管理人员完成。

第二，选用轻量型工器具必须与工器具生产、采购、分发、保管等工作做到协同推进，提升企业整体物资管理水平，才能够真正发挥轻量型工器具的比较效益优势。工器具的生产和采购环节应该严格保证质量，特别是轻量型工器具较多涉及到使用新材料、新工艺，应加强对材料工艺稳定性的控制，确保工器具质量过关。工器具分发和保管工作应做到科学有序，应参照施工定额和以往施工实际消耗情况的大数据进行科学管理，在物资申领调派运输分发过程中应提高信息化水平，借助信息化手段来提高物资管理效率，以高效的物资管理来保障轻量型工器具真正在抢建技改工程中发挥出综合优势。

参考文献

[1]石生智，特高压输电线路带电作业工器具及作业方法研究，华北电力大学硕士学位论文，2013年度。

[2]章崇任，工程机械轻量化方法综述，工业设计，2015（2）

[3]林炎炎，轻量化技术在工程机械研发中的应用，工程机械，2013（11）