高壓輸電線路除冰防凍機(jī)器人設(shè)計

謝曉全 張曉龍 梁文凱 楊磊青 高鵬

摘要：為了解決我國西南山區(qū)高壓輸電線路覆冰問題，在總結(jié)和分析國內(nèi)外現(xiàn)有除冰技術(shù)基礎(chǔ)上，以強力除冰、有效防冰為目標(biāo)，提出“除冰為主，除防結(jié)合”的新型除冰、防冰理念。應(yīng)用模塊化設(shè)計，對機(jī)器人整體架構(gòu)、本體機(jī)構(gòu)、除冰機(jī)構(gòu)、防凍噴涂機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計說明，對機(jī)器人關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析。結(jié)果顯示，該除冰方案結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，適用于西南地區(qū)高壓線纜除冰、防冰工作。該機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、簡單高效、實用性強等特點，為輸電線路除冰、防凍提供了一種新思路，具有較好的社會效益和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：輸電線路;冰災(zāi)事故;除冰防凍機(jī)器人

DOI：10.11907/rjdk.192283 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）006-0102-05

0 引言

包括我國在內(nèi)的世界上很多國家都經(jīng)常發(fā)生高壓輸電線路冰災(zāi)事故。2008年初，冰凍事故給中國西南方人民生產(chǎn)生活帶來了深重影響，其中南方電網(wǎng)損失極其嚴(yán)重，中國西南地區(qū)高原山區(qū)高壓輸電線遭受到大量覆冰侵害而造成高壓線塔倒塌、線路短路，供電工作受到了前所未有的挑戰(zhàn)。與此同時，國外包括美國、日本等發(fā)達(dá)國家在內(nèi)的很多國家都受到了冰災(zāi)事故的嚴(yán)重侵害，線路覆冰已成為亟待解決的問題。

高壓線路除冰技術(shù)包括熱力法融冰、機(jī)械法破冰、被動除冰等3類，其中機(jī)械除冰法具有安全性高、無傷亡、不需轉(zhuǎn)移負(fù)荷和停電的特點而被廣泛采用。日本東京技術(shù)大學(xué)Debenest等設(shè)計了一款輸電線路自動巡線機(jī)器人Expliner，該機(jī)器人可實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線操控，在執(zhí)行巡檢任務(wù)時可通過調(diào)節(jié)平衡位置以調(diào)節(jié)重心，保證機(jī)器人行走平穩(wěn)，但該機(jī)器無法完成防凍噴涂工作;中科院沈陽自動化研究所（SIACAS）肖時雨等設(shè)計了四臂巡檢機(jī)器人，該機(jī)器人采用尺蠖爬行的行進(jìn)方式，可以實現(xiàn)越障功能，但該機(jī)器人過于笨重，行走不夠靈活;加拿大魁北克Quebec研究院的Toth等研制了輸電線路巡線裝置Line Scout Mobile Platform，該裝置除具備一定越障能力外，還具有防水、GPS定位和重心調(diào)節(jié)等功能，但沒有加裝防凍噴涂裝置;遼寧理工學(xué)院高露等設(shè)計了一套三臂高壓線除冰裝置，該裝置包括除冰系統(tǒng)、越障系統(tǒng)和行走系統(tǒng)，可通過銑削和敲打?qū)崿F(xiàn)除冰，但該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于維護(hù)。

上述技術(shù)方案都是在覆冰形成以后被動除冰，無法防患于未然，而且這些機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)多采用將行走輪直接掛靠在線纜上的固定方式，無法適應(yīng)我國西南山區(qū)坡多且陡的地理環(huán)境。本文針對我國西南山區(qū)的特殊地形和氣候條件，設(shè)計一款應(yīng)用于高原山區(qū)的輸電線路除冰防凍機(jī)器人。該機(jī)器人除設(shè)有行走機(jī)構(gòu)和除冰機(jī)構(gòu)外還增加了防凍噴涂機(jī)構(gòu)，已可對已除冰電纜進(jìn)行防凍噴涂作業(yè)，有效防止電纜二次結(jié)冰。該機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)采用四輪相對卡緊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以在高地起伏的山區(qū)輸電線路上平穩(wěn)攀爬。此外，該機(jī)器人具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單和易于維護(hù)等優(yōu)點，適合在線纜覆冰地區(qū)推廣使用。

1 除冰防凍機(jī)器人總體方案

目前，國內(nèi)外沒有方案成熟的除冰防凍機(jī)器人，大多數(shù)方案都只重視機(jī)械除冰，而忽略了除冰完成后對線纜的防凍保護(hù)問題。針對此問題，本文設(shè)計了一種高壓線路除冰防凍機(jī)器人。該方案既可以滿足對覆冰線路的除冰工作，又可以對已除冰線纜進(jìn)行防凍噴涂作業(yè)，能有效避免輸電線路二次結(jié)冰。機(jī)器人采用模塊化設(shè)計，組成模塊包括主體行走機(jī)構(gòu)、除冰機(jī)構(gòu)、防凍噴涂機(jī)構(gòu)、水箱等。機(jī)器人采用SolidWorks進(jìn)行三維建模，如圖1所示。

1.1 主體行走機(jī)構(gòu)設(shè)計

國內(nèi)外主體行走機(jī)構(gòu)常采用兩種方式：步進(jìn)式和滾輪式。對于不作越障要求的巡線機(jī)器人，采用輪式滾行式比較普遍，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、行走速度快、制造成本低。結(jié)合西南地區(qū)山多坡陡的特點，采用輪式行走機(jī)構(gòu)比較合理。

如圖2所示，主體行走裝置主要包括驅(qū)動電機(jī)、渦輪、蝸桿、傳動齒輪、行走輪等。行走機(jī)構(gòu)由驅(qū)動電機(jī)提供動力，經(jīng)渦輪、蝸桿、傳動齒輪將動力傳遞給行走輪，以實現(xiàn)行走機(jī)構(gòu)的前進(jìn)后退。對比分析國內(nèi)外現(xiàn)有輪式行走機(jī)構(gòu)，以兩輪掛式行走機(jī)構(gòu)居多，三輪、四輪，甚至多輪行走機(jī)構(gòu)也都有出現(xiàn)，考慮到機(jī)器人能夠滿足在西南山區(qū)輸電線路上行走的穩(wěn)定性，最終選擇四輪輪式行走機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)上下各兩個行走輪，可牢牢卡緊在輸電線路上，保證了在西南山區(qū)爬坡作業(yè)時的穩(wěn)定性。由于輪子直接與高壓線纜接觸，因此行走輪應(yīng)選擇絕緣材料，考慮到線纜上有覆冰，輪子容易打滑，應(yīng)選擇摩擦力較大的材料并在滾輪中間開槽。驅(qū)動電機(jī)選擇安裝在行走機(jī)構(gòu)的下方，使整個機(jī)器重心更加穩(wěn)定，不易遇風(fēng)搖擺。

1.2 除冰機(jī)構(gòu)設(shè)計

在經(jīng)過一系列探索對比之后，最終設(shè)計了一個以雙銑刀和雙楔形塊組合的除冰方案，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。除冰裝置主要由兩個除冰電機(jī)、兩個除冰楔形塊、一個除冰機(jī)構(gòu)底座、一個楔形塊固定面板、兩個固定螺栓以及若干連接螺釘組成。

該除冰方案工作原理：除冰機(jī)構(gòu)通過底座與除冰機(jī)器人本體連接在一起，與本體行走輪固定在同一條直線上，由于該除冰機(jī)構(gòu)是開放式設(shè)計，可使除冰機(jī)器人在上線下線時非常方便地從側(cè)邊空隙卡人，工作時通過控制啟動除冰電機(jī)，除冰電機(jī)帶動除冰刀高速旋轉(zhuǎn)，對高壓輸電線兩側(cè)的覆冰進(jìn)行銑削式破除，而緊跟其后的兩個楔形塊在行走機(jī)構(gòu)的推動作用下，實現(xiàn)對垂直方向覆冰的刮鏟破除，完成立體式高效除冰。該除冰機(jī)構(gòu)可以通過調(diào)節(jié)兩電機(jī)之間的距離調(diào)整銑刀與電纜覆冰的距離，并且通過調(diào)節(jié)上楔形塊的間隙調(diào)整兩個除冰楔形塊相對于電纜之間的距離，在保證不損壞輸電線的前提下實現(xiàn)對不同直徑輸電線路的高速有效除冰。

1.3 防凍噴涂機(jī)構(gòu)設(shè)計

防冰指在輸電線覆冰前采取措施，使冰雪在輸電線上不能堆積，將總的覆冰載荷控制在輸電線可承受范圍內(nèi)。常用防冰方法有臨界法電流防冰、微波防冰、防冰涂料技術(shù)等。其中，防水涂料技術(shù)能有效降低冰與導(dǎo)線之間的粘附力，故選擇在線纜上噴涂防凍涂料的方案較為合適。選擇ZS-611防冰雪涂料，該涂料具備很好的憎水性，憎水角可達(dá)150°之上，滾動角小于8°，適用于多種方法涂裝，能在常溫下固化，涂層在30um以下，就能防冰雪附著，并具備抗腐蝕、耐磨損、防老化、表面自潔等功能。

防凍噴涂模塊如圖4所示，主要由水箱、水箱支架、水泵、噴嘴、藥劑回收箱和回收箱支架組成。由于行走機(jī)構(gòu)對輸電線路的安裝采用嵌入夾緊方法，因此噴頭機(jī)構(gòu)設(shè)計為部分開口，以便于輸電線路能裝進(jìn)噴頭弧形部分。噴涂機(jī)構(gòu)工作在架空輸電線上，藥劑大量灑落不可避免，這不但會浪費藥劑，還會污染壞境，故在噴頭部分設(shè)計一個藥劑回收箱，用以回收灑落出來的藥劑。噴頭部分固定于液體回收箱上部，液體回收箱固定在回收支架上，通過M6的螺釘將回收支架固定安裝在主體行走機(jī)構(gòu)上，水箱固定在支架上，水箱支架再經(jīng)M6螺釘固定在主體行走機(jī)構(gòu)下方，水箱、水泵和回收箱之間用水管相連。防凍噴涂機(jī)構(gòu)工作原理：水泵將水箱內(nèi)的防冰雪涂料輸送給兩個噴嘴，噴嘴將防冰雪涂料均勻噴涂在輸電線路上，灑落的涂料被回收箱收集，經(jīng)過回流管道流回水箱。

1.4 控制系統(tǒng)設(shè)計

該方案采用半自動控制方式，遙控器采用5通道，分別控制銑刀啟停、行走電機(jī)啟停、噴涂水泵開關(guān)、四輪夾緊機(jī)構(gòu)開合以及自救系統(tǒng)啟停。詳細(xì)說明如表l所示。

方案主要以89C51/52或ATMEL64/128為基本控制芯片，外加無線接收芯片為輔助模塊。主控芯片和其輔助電路將無線接收芯片的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、解析，以便控制電機(jī)、水泵等機(jī)構(gòu)作出相應(yīng)動作，從而完成對除冰防凍機(jī)器人的邏輯控制。機(jī)器人控制流程如圖5所示。

2 關(guān)鍵零部件有限元分析

本文利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對除冰機(jī)器人的關(guān)鍵零部件進(jìn)行受力變形有限元分析，并對結(jié)構(gòu)中存在的不足進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2.1 行走輪有限元分析

除冰機(jī)器人在高壓輸電線上行走時，4個行走輪夾緊電纜線同時轉(zhuǎn)動，假設(shè)行走輪和電纜線之間不發(fā)生滑動摩擦，忽略齒輪傳動效率，4個行走輪的轉(zhuǎn)矩一樣，但在實際運動中，離電機(jī)最近的那個輪受力最大，只要此輪能滿足設(shè)計要求，其它輪均能滿足要求。

行走輪采用45鋼材料。45鋼密度為7.8x 10³kg/m³，泊松比為0.3，彈性模量為2.1x 10¹¹pa，先輸人材料各參數(shù)，再導(dǎo)人零件，進(jìn)入模型界面后，對行走輪進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小尺寸默認(rèn)，對行走輪進(jìn)行約束，施加作用力，該行走輪受到的力主要是電機(jī)輸出的扭矩，對行走輪進(jìn)行有限元分析，得到行走輪的形變和應(yīng)力圖。如圖6所示，最大形變量為0.0014mm，最大應(yīng)力為9.65Mp。對比材料彈性模量參數(shù)及實際工作情況，分析結(jié)果表明，行走輪能滿足強度要求。

2.2 除冰機(jī)構(gòu)楔形塊有限元分析

除冰機(jī)構(gòu)楔形塊的材料采用45鋼，對該零件的主要受力部位（楔形塊）的刀頭施加大小為500N的力，運用ANSYS對除冰機(jī)構(gòu)楔形塊進(jìn)行分析，具體情況如圖7所示。

通過形變圖可以看出，該除冰機(jī)構(gòu)楔形塊的最大應(yīng)變?yōu)?.57911mm，小于0.8mm，因此在形變方面，此方案可行。從應(yīng)力圖中發(fā)現(xiàn)，除冰機(jī)構(gòu)楔形塊受到的最大應(yīng)力僅為6245.4MPa，小于其材料45鋼的屈服強度，因此該零件符合設(shè)計要求，可以承受預(yù)想的最大受力情況，方案可行。

2.3 水箱支架有限元分析

分析水箱支架受力情況，需要先算出支架所要承受水箱重量以及水箱放滿液體時的重量。水箱重量為水箱體積乘以水箱密度，通過Solidworks水箱模型可得出水箱體積，在選材時，選擇PC塑料水箱，查詢PC塑料水箱參數(shù)可知該PC塑料味玻纖增強25%，密度1.39g/cm³。1.39g/cm³為1390g/mm³，輸入質(zhì)量屬性，得出水箱自身重量為97.89克，水箱裝滿防凍劑后，根據(jù)防凍劑密度1.25g/cm³，得出防凍劑質(zhì)量為：

m=pV=1.25x440=550g （1）

水箱支架共計承重1197.89g，重量為：

G=mg=1197.89x10^-3x9.8=11.74N （2）

水箱體評估如圖8所示。

對水箱支架進(jìn)行有限元分析，如圖9所示，得出水箱支架最大形變量為0.004mm，最大應(yīng)力0.361MPa，都沒達(dá)到45鋼的最大許用應(yīng)力和形變屈服極限，因此水箱支架滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)語

本文在分析國內(nèi)外現(xiàn)有除冰技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了一種“除冰為主，除防結(jié)合”的新型除冰防冰理念，對機(jī)器人整體架構(gòu)、本體機(jī)構(gòu)、除冰機(jī)構(gòu)、防冰噴涂機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計說明。對機(jī)器人關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析，結(jié)果顯示各關(guān)鍵零部件滿足強度設(shè)計要求。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，適用于西南地區(qū)高壓輸電線路的除冰、防冰工作。但還存在一些問題需要解決，比如整機(jī)防水問題和如何增加續(xù)航時間問題。目前，正在對除冰防凍機(jī)器人作進(jìn)一步改進(jìn)，以便機(jī)器人能夠適應(yīng)更復(fù)雜的工作環(huán)境。已除冰線纜防凍噴涂保護(hù)問題將成為除冰機(jī)器人研究的新方向。