發布時間：2022-02-25所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：回顧了國內外高壓輸電線路除冰機器人的研究現狀。針對不同除冰機器人的結構特點，設計了沖擊式、銑削式和碾切式三種除冰機構;給出除冰機構切削力、功率等關鍵參數的理論計算結果，并設計了相應的除冰實驗，驗證了除冰機構設計的有效性。 關鍵詞：除冰機器人;除冰
摘要：回顧了國內外高壓輸電線路除冰機器人的研究現狀。針對不同除冰機器人的結構特點，設計了沖擊式、銑削式和碾切式三種除冰機構;給出除冰機構切削力、功率等關鍵參數的理論計算結果，并設計了相應的除冰實驗，驗證了除冰機構設計的有效性。
關鍵詞：除冰機器人;除冰機構;沖擊除冰機構;銑削除冰機構;碾切除冰機構
0 引言
嚴重的輸電線路覆冰會導致桿塔傾斜、倒塌、斷線及絕緣子閃絡，由此引起的線路跳閘、供電中斷等事故將給工農業生產和人們生活造成嚴重影響。研究有效的線路抗冰融冰技術，最大限度地避免和防止冰災對輸電線路造成的危害，已成為國內外電力工業一個有待解決的重要課題。
目前，國內外主要采用外力敲打法、大電流熱融法實施除冰，然而，受技術、能耗、成本及安全性等因素的限制，現有除冰方法具有較大局限性[1]。隨著機器人技術的發展，采用機器人進行輸電線路 除 冰 已 成 為 可 能。與 傳 統 除 冰 方 法 相 比，采 用機器人除冰具有無人員傷亡、無需停電和轉移負載等優點，無除冰作業時，機器還可作巡線，其發展前景廣闊。當前，國內外除冰機器人研究尚處于起步階段，各項關鍵技術還未建立統一的標準。
1 國內外研究現狀
目前機器人在輸電線路上主要應用為線路巡檢[2-4]，巡 線 機 器 人 的 研 究 始 于 20 世 紀 80 年 代末，日本、加拿大、美國等發達國家先后開展了巡線機器人 的 研 究 工 作[5-8]。90年 代 末，國 內 的 一些研究機構陸續開展了巡線機器人的研究工作[9-11]，并取得了一定的研究成果。
與巡線機器人相比較，國內外對除冰 機 器 人的研究鮮有報道，較早出現的輸電線路除冰機器人裝置有加拿大魁北克水電研究院于2000年開始研制的 LineROVer遙控小車[12]。該遙控小車起初用于清除電力傳輸線地線上的積冰，后逐漸發展為用于線路巡檢、維護等多用途移動平臺，通過安裝不同的工作頭可完成架空線視覺、紅外檢查、壓接頭狀態評估、導線清污和線路除冰(圖1)等不同作業任務，其缺點在于無越障能力，只能在兩線塔之間作業。通過技術的不斷 改 進[13-16]，該研究組于2006年研制出結構更為復雜、功能更加完備，具 備 越 障 功 能 的 LineScout輸 電 線 巡 檢 機器人(圖 2)，但 該 巡 檢 機 器 人 不 具 備 除 冰 功 能。在國內，山東電力研究院與加拿大魁北克水電研究院進行合 作，對 LineROVer小車在能源動力、遠 程 通 信 與 控 制、防水性能等方面 做了技術改進[17]，完善了機 構 的 性 能，但 仍 不 具 備 越 障 能 力(圖3)。湖 南 大 學 在 國 家 科 技 支 撐 計 劃 資 助 下，聯合國防科學技術大學、武漢大學和山東大學等多家單位，研制開發了單體除冰機器人(圖4)和可越障除冰的兩臂除冰機器人(圖5)、三 臂 除 冰機器人(圖6)，積累了一定的研發經驗。
由于除冰機器人工作在惡劣環境中，故 在 結構、功能、動力、通信等方面都有特殊的 要 求。其中，除冰機構是除冰機器人區別于巡線機器人的重要特征，研制高效無損傷除冰機構對推進除冰機器人研究具有重要意義。
2 除冰機構設計
除冰機構在保證不損傷輸電線的同 時，應 盡可能實現快速、長時間、遠距離的在線除冰。湖南大學項目組根據研制的除冰機器人結構特點，分別 設 計 了 相 應 的 沖 擊 式、銑削式和碾切式除冰機構。
2.1 沖擊式除冰機構
2.1.1 機構描述
如圖7所示，沖擊式除冰機構安裝于機器人前端，輸電導線從除冰機構中心孔穿過。刀具由五片均勻分布并固定在支撐圓盤上的破冰鋼刀以及與之 相 連 的 出 力 機 構 組 成。冰 刀 端 口 呈 尖 錐形，開口沿輸電線指向機器人前進方向。冰刀支撐圓盤與一個方形滑塊相連，滑塊末端裝有拉簧掛板，一對水平安裝的橫向拉緊彈簧對稱安裝于滑塊兩側位置。彈簧的一端固定在機體上，一端與拉簧掛板相連。除冰電機帶動凸輪運動實現彈簧的拉伸，在彈簧力作用下帶動破冰刀沿輸電導線方向高速往復沖擊除冰。
2.1.2 設計計算
覆 冰 的 主 要 力 學 性 能 為：環 境 溫 度 t=-10℃時，覆冰的平均密度ρ=850kg/m3左右，抗壓強度σc=3.09MPa，抗剪強度στ=0.45MPa。
單個冰刀除冰分析剖視圖如圖8所示。冰刀的刃寬 度 B =0.1mm，刃 與 電 線 平 面 的 夾 角 為25°。
2.2 銑削除冰機構
2.2.1 機構描述
兩臂式除冰機器人采用圖9所示除 冰 機 構。為了適應機器人的越障除冰動作以及機器人的越障動作，除冰裝置上設計了兩個相互垂直的移動副，使得除冰裝置可實現相對于機器人的整體升降以及兩個銑刀之間的開合運動。
直流伺服電機安裝在固定的 U 形軸內，其輸出軸與接盤連接，接盤與冰刀連接。這一嵌裝式結構使得電機整體實現了密封。當兩個除冰刀電機正反向旋轉時，通過接盤帶動兩冰刀作正反向旋轉，從而可實現高效率無損傷除冰作業。
2.2.2 設計計算
初步估計 除 冰 速 度 為 150m/h，即 除 冰 速 度v=2.5m/min，按照線路導線為 LGJ400/50進行計算，導 線 直 徑 為 27.63mm;導 線 覆 冰 厚 度 為35mm，則導線覆冰后形成冰柱(中 心 含 導 線)的直徑為98mm。除冰分析示意圖如圖10所示。
2.3 碾切除冰機構
2.3.1 機構描述
三臂除冰機器人采用的是切削除冰機構(圖11)，該除冰機構由薄餅電機驅動組合切削刀切削覆冰。組合切削刀由6片切削刀片、4個墊片與2個防切削板組成，除具有切冰的功能以外，還具有防止切削高壓電線的功能，即當上半部分冰被切除以后，兩邊對稱的保護板會卡在高壓電線上，保護切削刀不破壞電線。組合切削刀由薄餅電機驅動，質量僅為0.7kg。
2.3.2 設計計
算初步選擇銑刀 直 徑 為 D=150mm，厚 度h=4mm，銑 刀 齒 數 為 Z=60，每 齒 的 齒 面 寬 度 為0.2mm。除冰速度為1m/min，刀具(齒數為60)的轉速為60r/min，除冰分析示意圖見圖12。
3 實驗分析
計算結果為除冰電機選型提供了理 論 依 據。為進一步驗證除冰機構設計的合理性，設計了簡單有效的除冰測試實驗。
3.1 沖擊式除冰實驗
沖擊式除冰機構的設計較為成熟。文獻[18]對研制的 LineROVer機器人進行了輸電線除冰測試(圖1)，采用的除冰裝置結構與本文設計的沖擊式除冰機構相類似，測試結果表明該結構除冰效果良好。
3.2 銑削式除冰實驗
圖13 銑削式除冰實驗為了驗證銑削除冰機構的除冰性能，在 實 驗室進行模擬線路除冰實驗。實驗中在輸電線周圍附上直徑110mm 的 圓 柱 形 冰 柱，然 后 將 兩 臂 除冰機器人懸掛在輸電線未覆冰的一段上(圖13)。除冰實驗前，前臂和后臂的壓緊輪上移壓緊，除冰刀以450r/min速度旋轉并合攏至限位，開啟機器人行走電機使其以3m/min速度行走。行走過程中，除冰刀逐漸切削鋼管上的覆冰，切 屑 四 周 飛濺，并伴有較大冰塊破裂跌落，除冰效果顯著。
3.3 碾切式除冰實驗
在充分考慮實際覆冰的基礎上，采用一臺簡易鉆銑床(圖14)，功率基本與除冰裝置功率相似，利用彈簧秤測量其除冰力數值。銑刀安裝在機床主軸上，直 徑 為 85mm，厚 度 為 3mm，轉 速 為 320r/min，切削 深 度 不 小 于30mm，切 削 速 度 不 小 于6.4m/min，實 驗 樣 件 采 用 直 徑 為 80mm，長 度 為150mm 的冰塊。實驗時，迅速取出冰塊夾持在臺鉗上，用彈簧秤打動臺鉗實現切削進給運動，并測量拉力，此拉力可近似為切削冰塊所需切向力。
經反復測試，初 步 確 定 冰 塊 切 削 力 矩 在6～11N·m 之間，電 機 功 率 在100～120W 之 間，轉速為200～300r/min。將單個銑刀的切削力矩實驗結果與理論計算值相比較，兩者數值基本相符，從而驗證了計算與理論分析的一致性。
由于真實輸電線覆冰環境難以取得，因 此 上述測試過程均在實驗室環境完成。目前課題組正在加快輸電線路模擬覆冰實驗室建設，該實驗環境全 部 設 備 采 用 1∶1 比 例 模 擬 現 場 環 境 (圖15)，根 據 實 際 作 業 需 求，考 慮 不 同 線 路 類 型、坡道、障礙、電壓等級等復雜情況以及可以實現在局部小環境下模擬現實中低溫、冰凍災害環境，為后續機器人調試提供一個真實的現場環境。
4 結束語
輸電線路除冰機器人是電力特種機器人研究領域的最新研究課題之一，研制無損傷高效除冰機構，是 除 冰 機 器 人 高 效 穩 定 運 行 的 重 要 保 障。本文設 計 了 除 冰 機 器 人 的 重 要 機 構———除 冰 機構，并給出了除冰電機功率的相關計算，實驗表明除冰機構除冰效果良好。由于除冰機器人是一個復雜的系統，故除冰機構在改進以及和其他模塊的配合中還有很多工作需要開展。隨著機器人技術的發展和機器人各項性能的不斷完善，相信除冰機器人發展的前景是非常廣闊的。——論文作者：魏書寧 王耀南 印 峰 楊易旻
參考文獻：
[1] 黃強，王家紅，歐名勇.2005年湖南電網冰災事故分析及其應對措施[J].電網技術，2005，29(24)：16-19.
[2] 張運楚，梁自澤，譚民.架空電力線路巡線機器人的研究綜述[J].機器人，2004，26(5)：467-472.
[3] 王魯單，王洪 光，房 立 金，等.輸電線路巡檢機器人越障控制研究[J].中 國 機 械 工 程，2007，18(22)：2652-2655.
[4] ToussaintK，PouliotN，MontambaultS.Trans-missionLineMaintenanceRobotsCapableofCross-ingObstacles：State-of-the-artReview andChallengesahead[J].Journalof Field Robotics，2009，26(5)：477-499.
[5] SawadaJ，KusumotoK，MaikawaY，etal.A Mo-bile RobotforInspectionofPower TransmissionLines[J].IEEE Transactionson PowerDelivery，2002，6(1)：309-315.
[6] EliotT.RobotsandExamineLiveLinesinSeverCondition[J].ElectricalWorld，1989，5：71-72.
[7] KobayashiH，Nakamura H，ShimadaT.AnIn-spectionRobotforFeederCables-basicStructureandControl[C]//InternationalConferenceonIndus-tralElectronics，ControlandInstrumentation.Ko-be，Japan：IEEE，1991：992-995.
[8] PeungsungwalS，PungsiriB，ChamnongthaiK，etal.AutonomousRobotforaPowerTransmissionLineInspection[C]//The2001IEEEInternationalSymposium on Circuits and Systems. Sydney：IEEE，2001：121-124.
[9] 王魯單，王洪 光，房 立 金，等.一種輸電線路巡檢機器人控制系統的設計與實現[J].機器人，2007，29(1)：7-11.
[10] 周風余，吳愛國，李貽斌，等.高壓架空輸電線路自動巡線機器人的研制[J].電力系統自動化，2004，28(23)：89-91.
[11] 吳功平，肖曉暉，郭應龍，等.架空高壓輸電線自動爬行機器人 的 研 制[J].中 國 機 械 工 程，2006，17(3)：237-240.
[12] MontambaultS，PouliotN.OntheEconomicandStrategicImpactofRoboticsAppliedtoTransmis-sionLine Maintenance[C]//The7thInternationalConferenceonLive Maintenance.Bucharest，Ro-mania：2004：1-8.
[13] MontambaultS，PouliotN.LineScoutTechnolo-gy：DevelopmentofanInspectionRobotCapableofClearing Obstacles While OperatingonaLiveLine[C]//The11thInternationalConferenceonTransmissionandDistributionConstruction，Op-erationandLive-lineMaintenance.Albuquerque，NM：IEEE，2007：15-19.
[14] PouliotN，MontambaultS.GeometricDesignoftheLineScout，a Teleoperated RobotforPowerLineInspectionandMaintenance[C]//IEEEInter-nationalConferenceonRoboticsandAutomation.Pasadena，USA：IEEE，2008：3970-3977.
[15] MontambaultS，PouliotN.DesignandValidationofa MobileRobotforPowerLineInspectionandMaintenance[C]//The6thInternationalConfer-enceon Fieldand Service Robotics.Chamonix，France：Springer，2008：495-504
SCISSCIAHCI
