高压输电线上除冰机器人的系统设计
发布时间：2022-02-26
摘要：针对我国南方地区雪灾中输电线路的破坏情况，提出并设计了一种新型高压输电线除冰机器人，并在机器人的结构设计、行走规划、除冰方式和控制系统等方面做了较详细的设计说明。该机器人具有结构简单、行走稳定、除冰效率高和能耗小等优点。能够较好地完成高压输电线上的除冰任务，有较好的应用前景。
关键词：除冰机器人，高压输电线路;设计
O 引言
2008年1月我国南方数省输电线路遭遇历史上罕见的冰雪灾害。长时间持续的高强度、大范围低温雨雪冰冻天气，导致湖南、江西、浙江、安徽、湖北等地的电网发生倒塔、断线、舞动、覆冰闪络等多种灾害。由于温度、湿度和风速与覆冰形成的最佳气象条件吻合，南方各省的输电线路大范围严重覆冰。加之冰冻天气持续时间长、强度大，导线和铁塔上的覆冰表现为生成一发展一保持一消融～再保持一再发展的循环过程，冰厚不断增加。雪灾造成国家电网公司直接财产损失达104.5亿元，灾后电网恢复重建和改造需要投入资金390亿元。由此可见，如何破除输电线路覆冰成为一个亟待解决的很有实际意义的课题。
为了达到除冰效率高、能耗小、安全性强、成本低、操作简便、适应力强的目的，本文从机械除冰的角度出发，设计了一种输电线路除冰机器人。
l除冰机器人的结构设计
除冰机器人的结构见图1。该设计采用压轮推进方式，机体上的两个固定压轮A、B骑挂在输电线上保持机体的平衡，机体的重心位于输电线下方，这样机体不会在行进过程中出现倒转。两个动压轮C、D分别与两个固定压轮配合，当推动动压轮时，动压轮向上抬升，与固定压轮配合从上下夹紧输电线，依靠压轮与输电线的摩擦获得前进的动力。该设计的动力分为两个分支，即发动机的动力输出至两部分：一部分直接传至除冰机构，供刀具除冰使用;另一部分传至小发电机，小发电机发电给动力电池组充电，动力电池组给带动动压轮的行走电机(直流有刷)供电。机体前部的除冰机构呈圆柱形，分为上下两个。工作时圆柱形除冰机构旋转，在推进过程中将覆冰切削成粉末而将冰破除。
图2为除冰机器人的动力传动线路框图，进一步说明了机器人的动力传输方式。
2除冰机器人的行走规划
如图3所示，除冰机器人悬挂到输电线上后，机器人的两个固定压轮骑挂在输电线上以保持机器人的稳定。启动刀具的开合机构对好刀具(刀具的安全间隙在上线前已由调整装置调整好)，将压轮扳手拉上(亦可遥控控制)，将动压轮压上，用弹簧装置保持两对压轮与输电线的弹性压紧，压轮边缘为齿状设计，可保证压轮在薄冰层上的足够摩擦。发动时，动力电池带动发动机的电磁启动器，发动机启动后，发动机输出轴将动力传输给除冰机构和小发电机，小发电机给动 力电池充电，为行走电机提供能源。压轮的驱动力就来源于行走电机，电机通过减速传动将动力传输给两个动压轮，机器人在压轮与输电线的摩擦力的推动下前行破冰。
3机器人的除冰方式
机器人的除冰方式主要涉及两个问题，一是除冰刀具的外形设计，二是刀具的运转与机器人的运行之间如何协调配合。
圆柱形除冰刀具的外形如图4所示，圆柱形刀具能够和高压输电线较好地贴合，而且刀身的弧形设计又能避免刀具对电线本身造成切削伤害，这种刀具配合高速旋转的发动机，能达到较好的除冰效果。
该圆柱形刀具位于机器人前部，其动力由主传动轴通过带传动提供，根据转速的不同要求，可提供减速齿轮组(发动机输出通常在7 000 r/rain，可根据试验的效果获取最佳的刀具转速，预计在4 000 r/min～ 6 000 r/min)。刀具的刀片上有凹槽，两副刀具相配合可包络输电线，并留有安全间隙，以保护输电线不被破坏。
4除冰机器人的控制系统
除冰机器人控制方式为半自主控制。遥控器采用 6通道，分别控制除冰刀具开合、发动机(启动器)的启停、发动机离合器开合、压轮扳手推拉、自救系统的启停等。具体说明见表1。控制系统主要由89C51/52或是ATMEI，64/128为主控制芯片加无线接收模块组成。控制芯片及其外围电路负责对无线接收模块的信号进行转换、解析来驱动执行机构执行相应的运动，并完成机器人本身运动的逻辑控制。机器人在限位开关响应后的制动和换档控制程序流程见图5。
5结论
本文从机械式除冰的角度出发，以提高电力设备灾后抢修的机械化水平为目的，设计了一种新型高压输电线除冰机器人。该机器人在结构设计和控制系统两方面都比较容易实现，为高压输电线上作业的自动化和智能化提供了一个良好的平台。——论文作者：王 超， 魏世民，廖启征
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