陳 宇 周臘吾 丁 婧 翁小川 尹 恒 邵敬平史曉蓉 陳 宇

(1. 湖北華電西塞山發(fā)電有限公司 黃石 435001；2. 長沙理工大學電氣與信息工程學院 長沙 410000；3. 國網(wǎng)湖北省電力有限公司鄂州市鄂城區(qū)供電公司 鄂州 436000；4. 湖北華電武昌熱電有限公司 武漢 435000；5. 國網(wǎng)浙江青田縣供電有限公司 麗水 323900；6. 亞太衛(wèi)星控股有限公司 中國香港 999077)

1 引言

工業(yè)的飛速增長進一步造成氣候惡劣變化，大氣中污穢混合物嚴重威脅著高壓輸電線路的絕緣子安全穩(wěn)定運行[1-2]。污閃跳閘一直是影響電力系統(tǒng)安全輸電的問題之一[3]，絕緣子在其中通常起著重要作用，它的質(zhì)量好壞影響到整個系統(tǒng)的可靠運行[4-5]。一旦發(fā)生污閃事故，則波及面大、持續(xù)時間長[6]，并且經(jīng)濟損失十分巨大[7]，嚴重情況下，會發(fā)生電力人身安全事故[8]。污閃跳閘已經(jīng)成為影響電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟穩(wěn)定運行的主要因素之一[9]。隨著科技的發(fā)展，高壓絕緣子清掃裝置研制智能化的程度越來越高，國內(nèi)外涌現(xiàn)出了大量的研究成果[10]。自 20世紀70年代起，法國電力公司(Electricite De France，EDF)對63～400 kV輸電網(wǎng)絡(luò)的機器人維護可行性進行了研究[11]；日本工程師Nakashima等[12]針對自動機器人技術(shù)在線路維修工作中的應用進行了研究，根據(jù)絕緣子的形狀和尺寸的大小，在絕緣子周圍安裝管道和噴孔，通過對水進行加壓流入管道和噴孔實現(xiàn)對絕緣子的水沖洗。Murali等[13]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高模型復雜性和增強學習(Reinforcement learning，RL)算法的無模型性為許多機器人應用程序提供了一個理想的組合，對機器人操作提供了便利。文獻[14]對機器人軌跡規(guī)劃的動態(tài)規(guī)劃方法進行了研究。德國某公司[15]設(shè)計出了一款靈活性較好的高壓水沖洗裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)在線路停電的條件下對絕緣子進行沖洗。文獻[16]采用絕緣子帶電清掃機器人清掃絕緣子，可以有效地清除絕緣子表面的污穢，防止污閃事故的發(fā)生。文獻[17]針對500 kV超高壓交流輸電線路懸垂絕緣子串的環(huán)境特點和雙傘裙瓷質(zhì)盤形懸式絕緣子帶電清掃任務需求，提出了一種新型懸垂絕緣子帶電清掃機器人機構(gòu)。文獻[18]介紹一種便攜式室外專用絕緣子串灰塵清掃器，該清掃器能夠根據(jù)被擦洗設(shè)備形狀快速完成擦洗任務，自由快速切換近距擦洗和遠距擦洗兩種模式而無需改變操作人員所在位置，擦洗角度任意可調(diào)，而且能夠在停電狀態(tài)下水洗擦掉頑固污漬，有效解決了高壓設(shè)備絕緣子清掃問題?，F(xiàn)階段，“爬、掃、涂”的方式被廣泛地運用在我國電力設(shè)備外絕緣維護中[19]。為解決我國電力設(shè)備外絕緣維護“爬、掃、涂”方式的缺點，本文對變電站支柱式絕緣子清掃系統(tǒng)進行了設(shè)計與研究。

2 絕緣子清掃系統(tǒng)設(shè)計

2.1 絕緣子清掃系統(tǒng)的組成

絕緣子帶電清掃裝置平面示意圖如圖1所示，其中，圖1a為絕緣子清掃裝置的左視圖，圖1b為絕緣子清掃裝置的主視圖，絕緣子帶電清掃裝置由以下幾部分組成：空壓風系統(tǒng)、移動操作系統(tǒng)和清掃系統(tǒng)。

空壓風系統(tǒng)如圖2所示，包括空壓機、空氣過濾器、電磁閥和油霧器?？諝膺^濾器的作用是對空壓機輸送的空壓風進行干燥處理；電磁閥的作用是調(diào)節(jié)空壓風的氣壓從而實現(xiàn)對氣動馬達轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)；油霧器作用是對空壓風進行潤滑處理保證氣動馬達的快速轉(zhuǎn)動。

移動操作系統(tǒng)包括移動底座、機械臂和彈性固定卡。如圖3所示，彈性固定卡的作用是固定氣管。

清掃系統(tǒng)包括收塵管路、收塵罩、帶通孔弧形結(jié)構(gòu)、氣動馬達、通氣管路、彈性墊塊和防靜電毛刷。

2.2 絕緣子清掃系統(tǒng)工作原理

絕緣子清掃系統(tǒng)的工作原理如圖4所示，當控制器將機械臂末端的防靜電清掃刷頭送達至待清掃的絕緣子，起動空風系統(tǒng)驅(qū)動氣動馬達的旋轉(zhuǎn)，防靜電清掃刷頭和氣動馬達同軸旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對絕緣子的清掃。通過起動收塵風機將清掃過程中的灰塵收集到收塵室，防止清掃過程中產(chǎn)生的灰塵對絕緣子造成二次污染。

3 絕緣子清掃系統(tǒng)仿真分析

對絕緣子清掃系統(tǒng)模型進行運動學及力學仿真分析，首先使用Matlab仿真軟件對機械臂的運動軌跡進行仿真，判斷其和實際工作軌跡逆解的完成是否滿足條件。接著依據(jù)絕緣子清掃系統(tǒng)的設(shè)計指標要求，對連接小車與機械臂之間的圓形安裝底座在ANSYS和Hypermesh軟件下建模仿真，判斷所受到的應力是否達到相關(guān)技術(shù)指標，避免絕緣子清掃機械臂在工作的過程中，因設(shè)計未達到要求而發(fā)生小車主體結(jié)構(gòu)的損壞，引發(fā)事故。

3.1 實際工作軌跡求逆解

由于 220 kV變電站支柱式絕緣子的裙邊有五片，因此用Matlab編寫代碼時，等效的機械臂要運動五次。清掃絕緣子一面的空間軌跡如圖5所示。圖5中點1為機械臂末端的原點姿態(tài)位置，點2為進入工作的起始位置，點3為第一次的工作位置，點4為下一步起始位置，點5是工作結(jié)束點。

以清掃絕緣子的一面結(jié)合圖5來描述機械臂末端的軌跡：由點1到點2，由點2進到點3，由點3退到點2，再由點2下移到點4，下面的類似(先進后退再下移)直至退到點5，最后由點5回到點1，這就是單面清掃的軌跡。完整的(雙面)清掃軌跡如圖6所示。其中，從第一面換到第二面的時候增加一個換面遠點以保障安全。在工作空間的完整的清洗軌跡的坐標變化趨勢如圖7所示。

使用 Matlab編寫代碼求得機械臂逆解與機械臂工具箱自帶逆解算法進行逆解得到了相同的逆解結(jié)果，逆解結(jié)果(六個關(guān)節(jié)的角度值)如圖 8所示，單位為弧度，證明了編寫代碼進行求逆解的正確性，可以進行工業(yè)生產(chǎn)。

3.2 絕緣子清掃系統(tǒng)的應力分析

依據(jù)絕緣子清掃系統(tǒng)的設(shè)計指標要求，在ANSYS和 Hypermesh軟件下對連接小車與機械臂之間的圓形安裝底座建模仿真，判斷所受到的應力是否達到相關(guān)技術(shù)指標，避免絕緣子清掃機械臂在工作的過程中，因設(shè)計未達到要求而發(fā)生小車主體結(jié)構(gòu)的損壞而引發(fā)事故。

絕緣子清掃機械臂的底部支架采用材質(zhì)為直徑/厚度小于16 mm的Q235的結(jié)構(gòu)鋼，這種材質(zhì)屈服極限為235 MPa，即承受的最大應力為235 MPa，因此要求整個機械臂對底部支架的最大應力不超過235 MPa，才符合技術(shù)指標。

機械臂工作過程中會對安裝底座產(chǎn)生特定方向的力和力矩，通過對安裝底座進行應力分析，判斷所受到的應力是否達到相關(guān)技術(shù)指標。圖9為機械臂所產(chǎn)生的力和力矩以及方向。

表1為機械臂對其安裝底座的負荷數(shù)據(jù)，表1的數(shù)據(jù)包含了機械臂的自重和有效負載；列明了正常情況下的載荷和最大載荷，為了確保安全，按照最大載荷數(shù)據(jù)進行計算。

表1 機械臂作用在底部支架上的載荷

將水平方向的最大作用力23 500 N、豎直方向的最大力40 500 N平均分配到圓盤上。力矩的施加首先須建立剛性節(jié)點，再創(chuàng)建最大轉(zhuǎn)矩(45 500 N·m)和最大傾斜轉(zhuǎn)矩(84 500 N·m)。分別在支架不伸長和伸至最長狀態(tài)下進行求解，得到結(jié)果如圖 10、11所示，并將結(jié)果整理見表2。

仿真結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，機械臂的底部支架液壓腿在不伸長和伸至最長的狀態(tài)下，底部支架受到的最大應力均在支架承受范圍內(nèi)，符合技術(shù)指標，滿足設(shè)計要求，本文中夾具所承受的重量小于 300 kg。所以滿足此款底座設(shè)計要求，可以實現(xiàn)多方面的用途。

表2 機械臂應力分析結(jié)果表

4 絕緣子清掃機械臂的軟硬件與控制

4.1 工業(yè)機械臂編程與仿真工具

“工業(yè)機械臂編程與仿真工具”是用來編寫機械臂具體動作的程序，可以實現(xiàn)坐標點獲取、機器指令編程、程序文件上傳和下載，各種加工程序上傳到控制服務器后實現(xiàn)機械臂的指令編程。同時，該軟件還可以虛擬仿真運行所編寫的程序動作。在計算機上安裝好該程序，編程與仿真工具初主面如圖 12所示。在這個界面中可以看到有五個區(qū)域組成。① 程序名稱及版本號；② 機械臂位置關(guān)系及坐標點顯示，機械臂動作虛擬運行；③ 坐標接收及坐標點定義；④ 指令編程區(qū)；⑤ 機器指令控制按鈕。區(qū)域②是 3D虛擬仿真畫面區(qū)。單獨取一個控制器通電后放在計算機旁邊，用網(wǎng)線將計算機和控制器連接后，將編寫動作程序下載到控制器，即可虛擬運行該程序。該運行方式突破了常規(guī)調(diào)試方法的弊端，因為在初次編寫動作程序時，很可能出現(xiàn)動作不合理(比如伸太高或太遠會撞到周圍的東西或者寫錯程序?qū)е聶C械臂運動到未知位置進而傷到人)，在虛擬3D動畫中可以及時發(fā)現(xiàn)程序的錯誤，不會造成事故的發(fā)生。區(qū)域③左下角的區(qū)域是一個定義坐標點的窗口，相當于一個變量的賦值聲明，例如P0點指的就是機械臂的原始位置點，也叫原點。后面的6個數(shù)據(jù)代表的是機械臂腕部法蘭盤中心(PCT點)點坐標系在機械臂坐標系下的位置X、Y、Z與姿態(tài)a3、a4、a5。在示教時可以在任何一點停下保存該點并命名，保存的點就會在這個窗口出現(xiàn)。在編程時可以直接調(diào)用該點，比如執(zhí)行LineMove(P0)，無論機械臂在哪個位置，都會直線運動到P0點。區(qū)域⑤是快捷按鈕區(qū)，包括上傳下載、模擬執(zhí)行。

4.2 波形測試

一次機械臂某個軸極限測試時的波形如圖 13所示，控制器讓該關(guān)節(jié)來回運動，但速度逐漸提高，圖13中的波動曲線是電動機轉(zhuǎn)速，可見當7 715 ms時，電動機突然停止，此時電動機已經(jīng)遠遠超過額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，因此伺服報警停機。

正常運行某動作局部放大圖如圖14所示，波動的曲線為電流，較為平緩的曲線是平均負載?？煽吹綊侀_電流反方向為負數(shù)的情況(可以把電流值取絕對值)，電流和平均負載的趨勢完全一樣，負載最大的時候，電流也最大，電流最小的時候，負載也最小，電流為零時，負載也為零，不難看出兩者之間是一個正比例關(guān)系。這就印證了伺服器會估算負載大小，并隨時調(diào)整轉(zhuǎn)矩去匹配負載。調(diào)整扭矩的方法就是實時改變電流大小。因為電流和轉(zhuǎn)矩基本成正比，所以可以看到電流和負載也成比例。

5 結(jié)論

(1) 使用 Matlab編寫代碼求得機械臂的逆解與機械臂工具箱帶的逆解算法進行逆解得到了相同的逆解結(jié)果(六個關(guān)節(jié)的角度值)。證明了編寫代碼進行求逆解的正確性，可以進行工業(yè)生產(chǎn)。

(2) 應力分析仿真結(jié)果數(shù)據(jù)顯示機械臂的底部支架液壓腿在不伸長和伸最長的狀態(tài)下，底部支架受到的最大應力均在支架承受范圍內(nèi)，符合技術(shù)指標，滿足設(shè)計要求。

(3) 通過“工業(yè)機械臂編程與仿真工具”在虛擬 3D動畫中實現(xiàn)了機械臂的模型操作，可以及時發(fā)現(xiàn)程序的問題，避免事故的發(fā)生。

(4) 通過波形測試，可以得出伺服器會估算負載大小，并隨時調(diào)整轉(zhuǎn)矩去匹配負載。通過實時改變電流大小，來實現(xiàn)調(diào)整扭矩。因為電流和扭矩基本成正比關(guān)系，所以可以看到電流和負載也成比例。