一種架空輸電線路自鎖型物料輸送裝置的構(gòu)型與分析

吳正樹, 方剛, 何鵬

（1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司南寧局，南寧 510000；2.深圳市新南潤電力科技有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

我國架空輸電線路里程長[1]，輸電鐵塔高度隨著電壓等級(jí)提升也越來越高。目前輸電鐵塔及線路檢修仍然以人力登塔巡檢為主，檢修人員要攜帶必要的檢修工器具攀爬鐵塔，體力消耗大、工作效率低[2]。目前自重較大的物料的高空運(yùn)輸主要以人力運(yùn)輸和為主，已經(jīng)廣泛研究應(yīng)用的線路巡線機(jī)器人也因造價(jià)高、自重較大的特點(diǎn)在使用中受到限制，如何快速安全地完成物料的運(yùn)輸任務(wù)是一項(xiàng)亟需解決的現(xiàn)實(shí)問題[3-4]。

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研及文獻(xiàn)檢索，目前應(yīng)用的幾種結(jié)構(gòu)形式的高空物料傳輸裝置主要有如下不足[5-7]：1）吸附式，存在吸附力不可靠的安全隱患；2）齒輪傳動(dòng)式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大；3）滑軌式，自鎖器在剛性導(dǎo)軌上的順暢性和安全性不足。

基于安全無小事，其事關(guān)國家、集體及個(gè)人利益的人本理念[8]，本文提出了一種具備雙重自鎖特點(diǎn)、掛-拆便利的設(shè)計(jì)方案。該裝置借助無人機(jī)輔助掛接，利用裝置重心調(diào)整使線-機(jī)分離，擺臂的限位結(jié)合夾座的抱緊實(shí)現(xiàn)雙重自鎖，具有很高的安全系數(shù)，在物理樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)良好。

1 整體構(gòu)型設(shè)計(jì)與分析

高空傳遞裝置整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由機(jī)架、防脫擺臂、夾座、解鎖圓環(huán)等組成部分。裝置工作時(shí)需要無人機(jī)攜帶掛接控制繩繞過高空輸電導(dǎo)線，隨即地面作業(yè)人員通過拽拉掛接控制繩端部使導(dǎo)線滑入常開的左、右夾座之間并抱緊導(dǎo)線，受裝置重心位置調(diào)整，防脫上、下擺臂繞軸同步旋轉(zhuǎn)后鎖住高壓導(dǎo)線。

圖1 物料傳遞裝置的整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

正常工作時(shí)防脫擺臂從上、下兩個(gè)方向限制導(dǎo)線與裝置間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，在裝置及其負(fù)載作用下，導(dǎo)線與夾座接觸臂的作用力會(huì)使通過輪齒嚙合的左右夾座抱緊導(dǎo)線，并且負(fù)載越大時(shí)抱緊力越顯著，因此該裝置具備雙重自鎖的功能，能較好地滿足高空作業(yè)的裝置安全系數(shù)高的技術(shù)要求。

2 掛-拆動(dòng)作過程拆解

掛接與拆卸是本裝置正常工作的基本動(dòng)作，必須依照規(guī)定的動(dòng)作流程才能保證設(shè)備的正常使用。

1）掛接動(dòng)作過程（如圖2）。

圖2 設(shè)備掛接流程圖

掛接動(dòng)作過程如下。

步驟一：無人機(jī)牽引掛接控制繩越過高壓導(dǎo)線，隨后無人機(jī)釋放牽引繩落至地面。

步驟二：操作人員拽拉掛接控制繩，由于掛接控制繩與裝置連接端的特殊角度，上、下擺臂受裝置重心影響自動(dòng)打開，其張開角度恰好與導(dǎo)線吻合，此時(shí)裝置處于待掛入導(dǎo)線的狀態(tài)。

步驟三：裝置受地面作業(yè)人員拽拉，瞬間掛入架空輸電線路導(dǎo)線，此時(shí)上、下擺臂因裝置的重心調(diào)整而改變角度，導(dǎo)線位于兩者之間且處于閉合鎖止?fàn)顟B(tài)，同時(shí)裝置的重心移動(dòng)至導(dǎo)線與滑輪中心連線上。

2）拆卸動(dòng)作過程（如圖3）。

圖3 設(shè)備拆卸流程圖

拆卸動(dòng)作過程如下。

步驟一：作業(yè)完畢后,操作人員再牽引傳遞繩尾部設(shè)置繩結(jié)，繩結(jié)能通過滑輪輪槽且尺寸大于解鎖圓環(huán)孔。在拽拉力作用下解鎖圓環(huán)脫離圓形強(qiáng)磁鐵，此時(shí)拆除控制繩與牽引傳遞繩并為一條繩。

步驟二：在拽拉力作用下擺臂旋轉(zhuǎn),隨后上、下擺臂打開并解鎖，上擺臂以及夾座瞬間從導(dǎo)線上表面滑脫。

步驟三：地面作業(yè)人員同步“拉”牽引傳遞繩和“放”掛接控制繩，可將裝置從高空緩慢降落至地面。

3 自鎖型物料輸送裝置的性能分析

3.1 夾座與輸電導(dǎo)線鎖緊摩擦力的計(jì)算

夾座與導(dǎo)線接觸面受力分析如圖4所示。本研究截取微量單位弧長的接觸段dl為分離體，對(duì)應(yīng)的包角為dφ，微弧兩端的拉力為T、T+dT，導(dǎo)線作用在微弧段dl 上的正壓力dN為：

圖4 接觸力受力分析

單位弧長上的壓力為

夾座與導(dǎo)線的接觸段為圓弧面，圓弧面比壓分布如圖5所示。

圖5 接觸面比壓分布圖

從圖5中可以看出，弧底的比壓最大，兩側(cè)上緣最小，比壓按正弦分布，即

設(shè)p2為微量長度導(dǎo)線對(duì)接觸弧面產(chǎn)生的壓力，p2與比壓成正比，在接觸面中也按正弦分布：

p1和p2是同一個(gè)微量長度導(dǎo)線在接觸弧面上某點(diǎn)的同一個(gè)壓力，p1是在接觸弧圓周正面上表述，p2是在與接觸弧圓周正面呈90°方向的剖面上表述，因此有:

根據(jù)式（3）和式（5）可得

如圖4（b）所示，在接觸弧面某截面上的微量摩擦力應(yīng)等于單位長度的比壓乘以摩擦因數(shù)：

單位長度接觸弧面的摩擦力為

式中，μ為摩擦因數(shù)。

接觸弧面圓周上的摩擦力的分布如圖4（a）所示：

將式（7）和式（9）代入式（11）整理得

接觸弧面的摩擦力F是面上各點(diǎn)摩擦力的總和，是分布在包角α范圍內(nèi)的。在一定的條件下，該摩擦力有一極限值，若弧面兩端的拉力差過大且超過了這一極限值時(shí)，導(dǎo)線將在弧面上打滑導(dǎo)致設(shè)備滑移。

3.2 拆卸時(shí)傾翻解鎖能力的分析

由于設(shè)備在遠(yuǎn)程操作下進(jìn)行作業(yè)，缺乏人為直接干預(yù)的可行性，因此解鎖拆卸的便捷性至關(guān)重要，本裝置主要利用設(shè)備的偏載實(shí)現(xiàn)解鎖，解鎖狀態(tài)的受力分析如圖6所示。

圖6 解鎖受力分析簡圖

圖7 相關(guān)參數(shù)與分析方法

設(shè)備拆卸時(shí)導(dǎo)線與掛鉤主體間的水平滑移和繞導(dǎo)線旋轉(zhuǎn)兩個(gè)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)解鎖。水平滑移使掛鉤主體的開口逐漸滑向?qū)Ь€，當(dāng)F拉sin α＞Fcos γ，導(dǎo)線靠近掛鉤主體開口；F拉sin α≤Fcos γ，導(dǎo)線相對(duì)掛鉤主體相對(duì)靜止或者滑向內(nèi)側(cè)。

以O(shè)1為支點(diǎn)的合力矩為

以O(shè)2為支點(diǎn)的合力矩為

由于MO1（FR）≠M(fèi)O2（FR），因此掛鉤主體和擺臂間存在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)上、下擺臂間的開口與掛鉤主體的開口對(duì)齊時(shí)，配合掛鉤主體的滑移動(dòng)作便可使高壓導(dǎo)線滑出，完成裝置的解鎖。

4 輸送裝置關(guān)鍵部件的敏感性仿真分析

4.1 夾緊力對(duì)夾座尺度的敏感性分析與優(yōu)化

左、右夾座是保證物料不沿導(dǎo)線滑移的關(guān)鍵部件，其中夾座與導(dǎo)線間的法向力是提供彼此間摩擦力的關(guān)鍵基礎(chǔ)力。本文利用Creo軟件分析設(shè)備在負(fù)重100 kg條件下與該力相關(guān)性較強(qiáng)的敏感性尺寸，隨后優(yōu)化使夾緊力優(yōu)于目標(biāo)設(shè)計(jì)值。

對(duì)上述尺寸進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 夾緊力敏感因素分析曲線

由圖8可知，上述3因素對(duì)夾緊力均有顯著的影響，其中以夾臂角影響最為顯著，力臂一和力臂二的敏感性強(qiáng)但區(qū)間較窄。

經(jīng)分析，當(dāng)前設(shè)計(jì)尺度下夾座與導(dǎo)線間的作用力為121.5 N，略低于設(shè)計(jì)最低要求200 N，為避免設(shè)備工作時(shí)滑移所帶來的不確定安全因素，結(jié)合敏感分析提出如下優(yōu)化方案：

設(shè)計(jì)目標(biāo)：夾緊力200≤F且趨近于最大值。

設(shè)計(jì)約束：10≤l1＜20，保證前緣可靠觸碰導(dǎo)線；20≤l2＜40，保證下緣位于導(dǎo)線中心下方，可靠抱緊導(dǎo)線；F≥200 N，保證設(shè)備工作時(shí)不滑移。

采用MDS優(yōu)化方法進(jìn)行迭代，優(yōu)化迭代曲線及優(yōu)化前后的尺度參數(shù)對(duì)比如圖9和表1所示。

表1 敏感參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比

圖9 夾緊力優(yōu)化迭代曲線

優(yōu)化后夾緊力提升了76.8%，效果顯著，說明調(diào)整敏感參數(shù)為提升夾緊力提供了良好的優(yōu)化途徑。

4.2 掛鉤主體承載能力關(guān)鍵參數(shù)敏感性分析

掛鉤主體是主要的承力部件，材料為高強(qiáng)鋁合金6061，由于其為懸臂結(jié)構(gòu)且承受偏載，因此對(duì)其強(qiáng)度提出了更高的要求。假定設(shè)備承重100 kg，忽略裝置的自重，將載荷添加于掛鉤主體的下方連接孔中，靜力學(xué)分析后結(jié)構(gòu)如圖10（a）所示，最大應(yīng)力為81.5 MPa。

圖10 掛鉤主體的靜態(tài)應(yīng)力分析

為進(jìn)一步優(yōu)化掛鉤主體的幾何尺寸并使其具備更強(qiáng)的承載能力，嘗試尋找影響其性能的顯著參數(shù)，結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 安裝孔尺度參數(shù)-最大應(yīng)力敏感分析

圖12 擺臂入口尺度參數(shù)-最大應(yīng)力敏感分析

由圖11可知，安裝孔寬度較小時(shí)對(duì)掛鉤主體承載影響不明顯，大于38 mm時(shí)則顯著增強(qiáng)；安裝孔長度則在37～42 mm間時(shí)影響顯著，其他區(qū)間不敏感，但總體而言，長度尺寸的敏感度要強(qiáng)于寬度尺寸。由圖12可知，下擺口寬度＞78 mm時(shí)對(duì)應(yīng)力影響度顯著增加；下擺口長度則在28～34 mm間影響顯著，其他區(qū)間的影響較為平緩。

上述分析說明，應(yīng)該慎重設(shè)計(jì)掛鉤主體的開孔尺寸，以免壁厚過小從而降低承載能力。

5 結(jié)論

1）通過對(duì)裝置的構(gòu)型特征進(jìn)行分析，表明本機(jī)構(gòu)自鎖可靠，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)，掛、拆方便，對(duì)高空運(yùn)輸具有良好的適應(yīng)性。

2）通過計(jì)算可知，導(dǎo)線與夾座接觸力的大小與彼此間的摩擦因數(shù)、接觸面的弧長（包角）及夾緊力呈正相關(guān)；解鎖拉力是導(dǎo)線先對(duì)掛鉤主體滑移和擺臂與導(dǎo)線相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)解鎖的關(guān)鍵。

3）仿真分析表明，夾座的尺寸對(duì)夾緊力的影響顯著，優(yōu)化后夾緊力提升76.8%；設(shè)計(jì)掛鉤主體缺口時(shí)要關(guān)注缺口尺寸對(duì)其承載能力的影響，避免壁厚過薄，尤其是下擺口的長和寬尺寸。