基于有限元分析的配網(wǎng)帶電作業(yè)機器人用J型線夾安裝工具的研制

沈彥波 劉晨 狄美華 趙偉 高天寶 李文華 董巖 趙崇

摘要? 帶電作業(yè)作為一種檢修手段在提升供電可靠性方面的作用日益凸顯，而傳統(tǒng)人工帶電作業(yè)勞動強度大、安全風險高、工作環(huán)境惡劣，屬于高空、高危、高強度作業(yè)。于是，配網(wǎng)帶電作業(yè)機器人應運而生，目的是為了保障作業(yè)人員人身安全、降低作業(yè)人員勞動強度。配網(wǎng)帶電作業(yè)機器人在北京地區(qū)試點應用過程中，出現(xiàn)了末端工具與現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境不匹配的情況，因而研制出一種適配于北京地區(qū)的末端工具直接關(guān)系到機器人現(xiàn)場實際應用的落地?；谟邢拊椒?，本文主要描述目前配網(wǎng)帶電作業(yè)機器人帶電接引項目涉及的J型線夾安裝工具的研制以及實際應用。

關(guān)鍵詞：帶電作業(yè)機器人，有限元分析，J型線夾，末端工具

1 引言

當前，帶電作業(yè)已成為電力設(shè)備檢修、檢測、業(yè)擴、改造的重要手段，在減少停電損失、降低線損、提高可靠性指標、開展在線監(jiān)測和狀態(tài)檢修方面都發(fā)揮了積極作用，并將發(fā)展成為狀態(tài)檢修和主動檢修的主要手段。以往傳統(tǒng)的人工帶電作業(yè)主要存在三種安全風險：高空墜落風險、高壓觸電風險以及誤操作風險。為將作業(yè)人員從危險的作業(yè)環(huán)境中解放出來，降低帶電作業(yè)危險系數(shù)、擴大帶電作業(yè)

范圍、提升智能化作業(yè)水平，配網(wǎng)帶

綜合國內(nèi)外針對末端工具的研究現(xiàn)狀以及現(xiàn)場應用情況，適用于配網(wǎng)帶電作業(yè)機器人的系列化末端工具研究還不足，末端工具的地區(qū)適應性還不夠。

本文針對目前帶電作業(yè)任務量較多的接引項目，基于有限元法，研制出了滿足北京地區(qū)施工質(zhì)量標準的J型線夾安裝工具，并成功應用到了現(xiàn)場，此末端工具的研制成功，在全國范圍推廣應用方面具有重要意義。

2 研制內(nèi)容

電作業(yè)機器人逐步得以推廣應用。而研制出與當?shù)嘏渚W(wǎng)架空線路適配的末端工具是機器人能夠現(xiàn)場應用的一個關(guān)鍵因素。

所謂J型線夾安裝工具，就是應用于配網(wǎng)帶單作業(yè)機器人的，采用機械傳動、傳感器定位、自動化控制等技術(shù)的一種接線工具。工具采用實時通訊控制方式與機器人配套使用，可完成10kV配網(wǎng)架空線路J型線夾自動安裝作業(yè)，實現(xiàn)主導線與引線的可靠連接，安裝的J型線夾如圖1所示。

在J型線夾安裝工具研制過程中，一項重要的內(nèi)容即為該末端工具需滿足作業(yè)扭矩的設(shè)定值，這直接影響J型線夾安裝的是否牢固：過大的扭矩會損傷導線甚至將J型線夾損壞，而扭矩不夠又會使線夾與導線間存在縫隙，導致“虛接”，運行時不斷發(fā)熱甚至燒毀。通過測試線夾導流、電阻等特性參數(shù)，確定J型線夾的扭矩值需達到32牛米，我們找到了滿足這項參數(shù)的J型線夾，對末端工具進行了基于有限元分析的應力仿真，保證末端工具在滿足扭矩的要求下夾緊導線，保證接續(xù)效果。

2.1 建立模型

J型線夾安裝工具的樣品如圖2所示。

應用Ansys Workbench模塊，建立了末端工具、J型線夾、主導線以及待接引流線的等尺寸的三維有限元模型，模擬實際現(xiàn)場的接引情形。

2.2 有限元分析

通過對建立的三維有限元模型進行網(wǎng)格劃分并施加相應的應力荷載，從而滿足扭矩達到32牛米的效果，用來測試了末端工具的表現(xiàn)，如圖4所示。仿真結(jié)果顯示，荷載集中施加于J型線夾，使線夾夾緊。

為了更清楚地分析仿真效果，選取局部進行顯示，如圖5所示，由圖可知，施加的應力全部集中于J型線夾，能夠使擰緊后的J型線夾將夾緊力傳遞到導線上，接續(xù)效果良好。

3 實際應用

基于有限元分析的扭矩測試通過后，首先對J型線夾安裝工具的樣品進行了模擬應用，通過模擬測試的效果，進行末端工具的優(yōu)化，最終進行了現(xiàn)場實際應用。

3.1 模擬應用

模擬應用場景為不帶電的10kV配網(wǎng)架空線路，通過在模擬線路進行多次的應用，有針對性的對末端工具進行了調(diào)整與優(yōu)化，使其更好地適配于北京地區(qū)的線路，確保成功應用到實際現(xiàn)場。

3.2 實際應用

有了前期模擬應用的經(jīng)驗，在2020年7月31日，北京地區(qū)完成了首次實際現(xiàn)場應用配網(wǎng)帶電作業(yè)機器人開展的帶電作業(yè)，這也是在全國范圍內(nèi)首次應用J型線夾安裝工具這一新型末端工具，成功一次性完成三相接引工作。

4 小結(jié)

下一步，通過借鑒研制成功的J型線夾安裝工具，以現(xiàn)場需要為導向，繼續(xù)創(chuàng)新研發(fā)其他種類的末端工具，擴展作業(yè)項目，助力打造適用于北京地區(qū)的多場景、多項目的帶電作業(yè)利器。進而提升公司配網(wǎng)管理水平，支撐智能化運檢規(guī)劃實施，保障作業(yè)人員人身安全、降低勞動強度，為首都電網(wǎng)的安全運行保駕護航。

參考文獻

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