夏文超，魯彩江,高宏力，王 雨

（1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都610031；2.西南交通大學(xué)先進(jìn)驅(qū)動(dòng)節(jié)能技術(shù)教育部工程研究中心，四川 成都610031）

1 引言

目前城鄉(xiāng)結(jié)合部和農(nóng)村配電架空輸電線路70%以上還是裸導(dǎo)線，每當(dāng)刮風(fēng)下雨樹(shù)障致使配電線路頻繁跳閘，尤其是臨近房屋、樹(shù)木、魚(yú)塘等區(qū)域，更是配網(wǎng)跳閘和人員觸電死亡的重災(zāi)區(qū)，嚴(yán)重影響了供電效益，產(chǎn)生了不良的影響。面對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，傳統(tǒng)解決辦法是在停電的情況下，人工懸掛在高壓線路上對(duì)裸露導(dǎo)線進(jìn)行包裹［1-4］。如圖1所示，a是用于絕緣包裹的絕緣皮；b是傳統(tǒng)的人工包裹方法。從圖中可以看出，人工安裝絕緣皮存在安全隱患，工作效率低。

圖1 輸電線絕緣皮的外觀及傳統(tǒng)絕緣改造方法Fig.1 Appearance of Cable Insulation Cover and Traditional Insulation Modification Method

此次研究的目的在于設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)一款架空裸露導(dǎo)線絕緣包裹機(jī)器人，在架空裸露導(dǎo)線通電情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)包裹。國(guó)內(nèi)外近兩年開(kāi)始著手于架空配電線路絕緣化改造項(xiàng)目的研究。2017年，華北電力大學(xué)研制了一款10kV架空線絕緣修復(fù)機(jī)器人，能對(duì)絕緣導(dǎo)線破損處實(shí)施包裹新的絕緣皮、完成線路修復(fù)。但機(jī)器不能完成對(duì)裸露導(dǎo)線的絕緣改造工作［5］；2018年2月，新加坡施普林格天然氣私人有限公司開(kāi)發(fā)了一款高壓輸電絕緣機(jī)器人，通過(guò)橡膠輪驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)將電工膠布包裹在導(dǎo)線上［6］。該機(jī)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但用電工膠布包裹的方法可靠性差，需要人工上線安裝并放置初始位置，不能帶電操作。

為了解決架空裸露導(dǎo)線存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款架空裸露導(dǎo)線絕緣包裹機(jī)器人，機(jī)器人能對(duì)架空裸露導(dǎo)線有效包裹，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行與帶電操作。

2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

絕緣包裹機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2 絕緣包裹機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall Structure of Cable Wrapping Robot

機(jī)器人主體為框架結(jié)構(gòu)，機(jī)架上設(shè)有送料機(jī)構(gòu)及用于機(jī)器人在導(dǎo)線上移動(dòng)的行走機(jī)構(gòu)；機(jī)架底面設(shè)有供線纜進(jìn)入的開(kāi)口；機(jī)架底層的橫梁上固定安裝升降機(jī)構(gòu)，升降機(jī)構(gòu)上安裝有位于行走機(jī)構(gòu)之間、用于將絕緣皮扣合在線纜上的扣合機(jī)構(gòu)；鄰近送料機(jī)構(gòu)的行走機(jī)構(gòu)前輪與扣合機(jī)構(gòu)間的縱梁上安裝有進(jìn)料支撐機(jī)構(gòu)［7］。

2.2 進(jìn)料支撐與行走機(jī)構(gòu)

進(jìn)料支撐機(jī)構(gòu)示意圖，如圖3所示，舵機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)軸連接，夾爪固連在轉(zhuǎn)軸上，通過(guò)齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)兩個(gè)夾爪反向轉(zhuǎn)動(dòng)，舵機(jī)能有效的控制夾爪張合角度。在機(jī)器人上線前，將絕緣皮放置在夾爪卡槽內(nèi)，夾爪的卡槽能卡住絕緣皮起到支撐作用。上線前夾爪張開(kāi)，導(dǎo)線由夾爪空隙進(jìn)入；上線后通過(guò)舵機(jī)帶動(dòng)夾爪閉合使絕緣皮進(jìn)入包裹準(zhǔn)備狀態(tài)。

圖3 進(jìn)料支撐機(jī)構(gòu)Fig.3 Feeding Support Mechanism

機(jī)器人在線上的行走由行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，如圖4所示，兩個(gè)行走輪各由一個(gè)無(wú)刷直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)安裝在縱梁上，電機(jī)輸出軸與轉(zhuǎn)軸孔通過(guò)緊固螺釘相連，轉(zhuǎn)軸另一端安裝在軸承上。行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、傳動(dòng)平穩(wěn)、維護(hù)更換方便。行走輪采用V型輪式結(jié)構(gòu)。V型輪能夠適應(yīng)一定范圍內(nèi)的不同線徑，采用PVC材料并做表面粗糙處理以增大V型輪與線路之間的摩擦，在遇到線路爬坡情況下可以避免打滑現(xiàn)象［8-10］。

圖4 行走機(jī)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Walking Mechanism

2.3 進(jìn)料機(jī)構(gòu)

絕緣層自然狀態(tài)下是彎曲的，必須壓平方便進(jìn)料，輪子夾緊絕緣層依靠靜摩擦力實(shí)現(xiàn)連續(xù)的送料。進(jìn)料機(jī)構(gòu)及工作時(shí)的截面示意圖，如圖5所示，電機(jī)輸出的動(dòng)力通過(guò)同步帶傳輸?shù)街鲃?dòng)送料輪，主動(dòng)送料輪與從動(dòng)送料輪通過(guò)齒輪進(jìn)行傳動(dòng)。從動(dòng)送料輪設(shè)計(jì)成帶擋邊的圓柱體，擋邊之間的距離等于絕緣層內(nèi)圓周長(zhǎng)，即等于絕緣層壓平狀態(tài)下兩邊的距離，從而絕緣層的左右位置被固定；主動(dòng)輪的寬度等于絕緣層壓平狀態(tài)卡扣處突起間的距離，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的配合進(jìn)一步消除了絕緣層的偏移的可能［11］。

圖5 進(jìn)料機(jī)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Feeding Mechanism

2.4 升降與扣合機(jī)構(gòu)

升降機(jī)構(gòu)由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)安裝在機(jī)器的前后兩端，扣合機(jī)構(gòu)的中心位于兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)中心位置，通過(guò)絲杠將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)扣合機(jī)構(gòu)升降。在機(jī)器人上線包裹之前，升降臺(tái)處在底端，為機(jī)器人的上線留出空隙，當(dāng)機(jī)器人被送上電線后抬升升降臺(tái)使其與夾爪中的絕緣皮同高，使得絕緣皮能夠進(jìn)入其中實(shí)現(xiàn)包裹。

開(kāi)口狀態(tài)的絕緣皮通過(guò)扣合器機(jī)構(gòu)后變?yōu)榭酆蠣顟B(tài)，其上的夾緊輪左右兩排對(duì)稱分布且反向轉(zhuǎn)動(dòng)，各對(duì)夾緊輪從入口處至出口處間距一次依次減小，擠壓絕緣皮扣合并輔助絕緣皮移動(dòng)；傳動(dòng)采用同步帶的方式，其傳動(dòng)平穩(wěn)，有一定的緩沖和吸振能力，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便［12］。夾緊輪凹槽與絕緣皮形狀適配，保證夾緊過(guò)程絕緣皮不會(huì)從扣合器上脫落且能正確扣合。

圖6 扣合機(jī)構(gòu)及扣合原理示意圖Fig.6 Fastening Mechanism and Principle Diagram of Fastening

2.5 爬坡分析

絕緣包裹機(jī)器人線上行走時(shí)，行走輪與導(dǎo)線并不直接接觸，行走輪壓在絕緣皮上，絕緣皮包裹了裸露導(dǎo)線。為了使機(jī)器人上、下坡時(shí)有足夠的牽引力和制動(dòng)力，在線上行走不打滑，行走輪和絕緣皮之間要有足夠的摩擦。機(jī)器人的重力作用使得兩個(gè)行走輪之間的導(dǎo)線近似一條直線。機(jī)器人設(shè)計(jì)最大爬坡角度為15°，機(jī)器人行走受力分析圖，如圖7所示。

圖7 機(jī)器人行走受力分析簡(jiǎn)圖Fig.7 Robot Walking Force Analysis Diagram

由圖7可知

整理得

當(dāng)導(dǎo)線傾角θ=15°時(shí)，

由上述分析可知，絕緣皮與絕緣包裹機(jī)器人行走輪之間的動(dòng)摩擦因數(shù)大于0.27時(shí)，機(jī)器人上、下坡時(shí)有足夠的牽引力和制動(dòng)力。

2.6 工作流程

絕緣包裹機(jī)器人的工作流程大體分為三個(gè)階段：包裹準(zhǔn)備階段、包裹階段、包裹結(jié)束階段。準(zhǔn)備階段需要各個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到初始位置，將絕緣皮經(jīng)機(jī)架頂部的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)引入送料機(jī)構(gòu)，經(jīng)行走機(jī)構(gòu)后卡入進(jìn)料支撐機(jī)構(gòu)內(nèi)；工人使用絕緣支撐桿支撐包裹機(jī)器人完成機(jī)器人的上線、下線。包裹機(jī)器人詳細(xì)工作流程圖，如圖8所示。

圖8 機(jī)器人工作流程圖Fig.8 Robot Flow

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)樣機(jī)制作與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，總結(jié)絕緣包裹機(jī)器人的主要技術(shù)指標(biāo)，如表1所示。

表1 技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical Index

針對(duì)包裹機(jī)器人的包裹效率和爬坡能力，在模擬線路和實(shí)際線路上做了大量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用雙輪驅(qū)動(dòng)方式為機(jī)器人提供了足夠的驅(qū)動(dòng)力，行走輪與絕緣皮動(dòng)摩擦系數(shù)為0.48大于0.27，最大爬坡角度超過(guò)設(shè)計(jì)要求最大角度15°；驅(qū)動(dòng)輪采用V型結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)不同的線徑；絕緣皮能夠與扣合機(jī)構(gòu)適配實(shí)現(xiàn)為裸導(dǎo)線包裹的功能；各機(jī)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間保持一定的線性關(guān)系實(shí)現(xiàn)機(jī)器人以5m/min的速度包裹；機(jī)器人整機(jī)的重心配在下方懸掛的填料盒中，有效避免了機(jī)器人在遇到大風(fēng)情況下傾覆脫線的發(fā)生。

實(shí)驗(yàn)表明，機(jī)器人運(yùn)行正常，具備較好的包裹能力。為機(jī)器人樣機(jī)、驗(yàn)測(cè)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，如圖9（a～d）所示。

圖9 機(jī)器人實(shí)物、實(shí)驗(yàn)測(cè)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Real Robot、Experimental Test and Results

4 結(jié)論

本研究提出一款配電線路絕緣包裹機(jī)器人，用于覆蓋裸露導(dǎo)線。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，與現(xiàn)有的電力機(jī)器人相比更具有應(yīng)用價(jià)值。機(jī)器人具有以下功能：（1）實(shí)現(xiàn)包裹裸露導(dǎo)線；（2）包裹故障的絕緣導(dǎo)線，如熔化的電線和腐蝕。實(shí)驗(yàn)表明，所開(kāi)發(fā)的機(jī)器人系統(tǒng)是一款有效的配電線路絕緣包裹裝置。本文的主要貢獻(xiàn)在于：（1）設(shè)計(jì)了一個(gè)用于架空配電線路絕緣包裹的輪式移動(dòng)機(jī)器人；（2）提出了一種架空導(dǎo)線包裹的新思路；（3）開(kāi)發(fā)了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的工作樣機(jī)。