“雙臂式電力搶險工程車設(shè)計”項目課題組，王康寧，胡耀文

(1.重慶電力高等?？茖W(xué)校，重慶 400053；2.歐姆〈重慶〉電子技術(shù)有限公司，重慶 400039；3.中廣核核電運(yùn)營有限公司，廣東 深圳 518028)

1 行業(yè)現(xiàn)狀

電力行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性支柱行業(yè)，也是工業(yè)發(fā)展的命脈，行業(yè)自身維護(hù)水平的高低直接關(guān)系到電力供應(yīng)的安全可靠性。以環(huán)境污染、自然冰災(zāi)對電力工業(yè)造成的影響為例，據(jù)統(tǒng)計，自1971年以來，因環(huán)境污染，全國35～500 kV輸電線路共發(fā)生污穢閃絡(luò)5 481次，跳閘366條次，跳閘線路44條，造成120座66 kV變電所、12座220 kV變電站全停。每年冬季受寒潮影響，變電站絕緣子冰閃、輸配電線路的覆冰厚度超過自身覆冰厚度的設(shè)防條件，會造成線路弧垂增大引起相間短路、導(dǎo)線對地絕緣能力降低、導(dǎo)線從壓接管內(nèi)抽出、塔基沉降或爆裂、桿塔傾覆或折斷。由此可見，電力行業(yè)的安全可靠供電是一項長期而艱巨的重要任務(wù)。

目前，行業(yè)廣泛使用的防污閃方案主要有防閃增爬裙、RTV防污閃涂裝、人工停電清掃、飛機(jī)噴射純水清掃等。其中，防污閃增爬裙、飛機(jī)噴射純水清掃等方案生產(chǎn)成本高；人工停電清掃方案存在作業(yè)勞動強(qiáng)度大、效率低、電能計量損失等不足；RTV防污閃涂裝方案存在絕緣周期短等缺點。

冬季時，行業(yè)廣泛使用的電纜除冰方案主要是采用人工停電高空除冰法后，逐漸嘗試使用電纜降壓融冰法、動力機(jī)械小車鏟冰法等。其中，人工高空除冰方案存在作業(yè)勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、電能計量的損失；電纜降壓融冰方案熱損大，作業(yè)成本高，且降壓輸電容易加速輸配電線路的提前老化，線路負(fù)載因電壓嚴(yán)重下降容易造成整個電網(wǎng)的癱瘓；動力機(jī)械小車鏟冰方案現(xiàn)場高空掛車專業(yè)難度大，同檔距線路因結(jié)冰厚度不一致，容易造成鏟冰塞車現(xiàn)象。

電纜頭的現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，一直是困擾行業(yè)的一大難題，雖然各企業(yè)都不同程度地引進(jìn)了一些專用設(shè)備，但這些裝置基本都形同虛設(shè)，要么是只注重噱頭，沒有真正的應(yīng)用價值，要么是不符合國情，未與行業(yè)生產(chǎn)實際相接軌。據(jù)調(diào)查，行業(yè)目前的真實現(xiàn)狀是，大部分企業(yè)在電纜頭的作業(yè)過程中，仍然沿用原始手工作坊的老套辦法，由于受個人技術(shù)水平的影響，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，生產(chǎn)效率低，勞動強(qiáng)度大。

針對上述行業(yè)存在的問題，項目組對雙臂式電力搶險工程車項目進(jìn)行了一些有益的探索，解決了行業(yè)的某些弊端，提供了一套行之有效的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)的選擇，填補(bǔ)了行業(yè)在該領(lǐng)域作業(yè)的技術(shù)空白。

2 雙臂式電力搶險工程車項目介紹

2.1 設(shè)備組成及主要功能

雙臂式電力搶險工程車的基本構(gòu)造見圖1至圖3。該設(shè)備主要由特種車部件(件1)、1#伸縮臂組件(件2)、2#伸縮臂組件(件15)、系列智能式絕緣子清洗機(jī)械手組件(件10)、系列智能式電纜除冰機(jī)械手組件(件11)、儲存式施工平臺組件(件13)及一站式電纜頭快速施工裝置構(gòu)成(處于絕緣區(qū)的所有零部件采用高分子復(fù)合材料)，見圖1。

圖1 雙臂式電力搶險工程車待工狀態(tài)平面圖

其中，1#伸縮臂組件(件2)的頂端(見圖2)，通過快接方式聯(lián)結(jié)系列智能式絕緣子清洗機(jī)械手組件(件10)或系列智能式電纜除冰機(jī)械手組件(件11)，可分別用于帶電絕緣子的清洗或帶電電纜的除冰作業(yè)。該兩部分的作業(yè)通過設(shè)置工作參數(shù)，由無線遙控完成作業(yè)。

圖2 雙臂式電力搶險工程車伸縮臂Ⅰ、Ⅱ工況狀態(tài)平面圖

儲存式施工平臺組件(件13)，通過2#伸縮臂組件(件15)的末端聯(lián)結(jié)，將其升舉至高位作業(yè)區(qū)，可實現(xiàn)2人高空作業(yè)，儲存式施工平臺組件(件13)同時也可進(jìn)行高、低位電力設(shè)施的轉(zhuǎn)運(yùn)(見圖3)。

儲存式施工平臺組件(件13)內(nèi)設(shè)置一站式電纜頭快速施工裝置。通過對外置觸摸屏的現(xiàn)場操作，可使該裝置的主干自動伸出平臺，并通過該裝置的快裝結(jié)構(gòu)，可完成對各功能部件的接插裝配待用(見圖1、圖3)。

圖3 雙臂式電力搶險工程車伸縮臂Ⅱ工況狀態(tài)平面圖

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

雙臂式電力搶險工程車技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 雙臂式電力搶險工程車技術(shù)參數(shù)一覽表

3 雙臂式電力搶險工程車主要部件描述

3.1 手握智能式帶電絕緣子清洗機(jī)械手

3.1.1 清洗機(jī)械手結(jié)構(gòu)

圖4中，直線伸縮缸(件2-13)的端頭，通過過渡螺母套(件10-44)、內(nèi)六角圓柱頭螺釘(件10-45)及O型密封圈(件10-46)的聯(lián)結(jié)，為手握智能式帶電絕緣子清洗機(jī)械手部件提供了一個用于現(xiàn)場動力接口的快裝接頭。

為了使裝置能夠適應(yīng)多種規(guī)格絕緣子的清洗，在機(jī)械手的總成中設(shè)置有快速更換結(jié)構(gòu)。從圖4中的A向視圖(快裝接頭結(jié)構(gòu)斷面)可知，套裝的導(dǎo)向軸(件10-1)和絲桿(件10-9)上的機(jī)械手快裝接頭(件10-49)的結(jié)構(gòu)兩側(cè)設(shè)置有燕尾槽，其外部設(shè)置有左右對稱的快裝楔型鎖緊機(jī)構(gòu)(件10-48)；在機(jī)械手關(guān)節(jié)(件10-8)的內(nèi)側(cè)設(shè)置有與機(jī)械手快裝接頭(件10-49)具有裝配關(guān)系的燕尾軌，當(dāng)需要更換系列機(jī)械手時，只需將機(jī)械手快裝接頭(件10-49)插入機(jī)械手關(guān)節(jié)(件10-8)的燕尾槽內(nèi)，旋緊快裝楔型扳手鎖緊機(jī)構(gòu)(件10-48)的手柄，即實現(xiàn)系列機(jī)械手的快速換接。其中，快速換接結(jié)構(gòu)中的燕尾槽與燕尾軌的裝配關(guān)系用于限制二者在Y軸和Z軸兩個方向上的自由度；快裝楔型鎖緊機(jī)構(gòu)(件10-48)用于限制二者在X軸方向上的自由度。這樣就抑制了機(jī)械手換接部位在三維空間內(nèi)所有自由度，為機(jī)械手對絕緣子的精準(zhǔn)清洗提供了可靠的保障。

圖4 手握智能式帶電絕緣子清洗機(jī)械手結(jié)構(gòu)平面圖

3.1.2 清洗機(jī)械手工作原理

首先，機(jī)械手在清洗程序的驅(qū)動下，由2組構(gòu)成捕捉角為90°的復(fù)合式超聲波測距組件(件10-25)對絕緣子軸線實施第一次捕捉定位。然后，由設(shè)置在機(jī)械手握掌里的構(gòu)成捕捉角為180°的復(fù)合式雷達(dá)發(fā)射-接收器組件(件10-23)，在定位軸組件(件10-31)的輔助下，對絕緣子軸線實施第二次捕捉定位，使其定格在清洗機(jī)械手的清洗軸線上等待清洗。

當(dāng)絕緣子經(jīng)兩次捕捉定位后，分別由6組單向旋轉(zhuǎn)氣缸(件10-24)帶動6組毛刷(件10-29)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，雙向旋轉(zhuǎn)缸(件10-4)帶動的擺動小齒輪(件10-16)和扇形齒輪(件10-20)產(chǎn)生的往復(fù)80°的擺動運(yùn)動，雙向旋轉(zhuǎn)缸(件10-47)帶動的絲桿螺母機(jī)構(gòu)(件10-9/件10-7)提供線性運(yùn)動，三者運(yùn)動合而為一，并在噴淋管部件(件10-28)噴灑帶電清洗劑的配合下，完成對絕緣子在徑向和軸向方向上軌跡重疊的無死角清洗，從而保證了機(jī)械手對絕緣子清洗過程的可靠性。

3.2 手握智能式帶電線路除冰機(jī)械手

3.2.1 除冰機(jī)械手結(jié)構(gòu)

在圖5中，由于手握智能式帶電除冰機(jī)械手與圖4中的手握智能式帶電絕緣子清洗機(jī)械手共用圖1中的1#伸縮臂組件(件2)，二者有相同的聯(lián)結(jié)方式，因此，不再贅述直線伸縮缸(件2-13)及快裝楔型鎖緊機(jī)構(gòu)(件10-48)與手握智能式帶電除冰機(jī)械手的現(xiàn)場快裝結(jié)構(gòu)。

除冰機(jī)構(gòu)主要由雙軸式雙向旋轉(zhuǎn)缸(件11-1)、萬向節(jié)組件(件11-9至件11-12構(gòu)成)、伸縮式連桿組件(由件11-12至件11-22構(gòu)成)、前連桿(件11-3)、曲柄鉸支組件(件11-2至件11-3、件11-6至件11-8、件11-31至件11-32、件11-34至件11-35、件11-39、件11-42構(gòu)成)、曲柄連桿組件(件11-36至件11-38、件11-40至件11-41構(gòu)成)、錘頭(件11-24)、錘頭座(件11-26)、線性軌道組件(件11-23、件11-25等構(gòu)成)構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)為對稱布置的雙向曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。

3.2.2 除冰機(jī)械手工作原理

由于手握智能式帶電除冰機(jī)械手需要對除冰線路進(jìn)行捕捉，對象定位過程及其他的輔助運(yùn)動與手握智能式帶電絕緣子清洗機(jī)械手的過程等同，故在此不再贅述。

首先，機(jī)械手在除冰程序的驅(qū)動下，雙軸式雙向旋轉(zhuǎn)缸(件11-1)輸出的雙向扭矩，通過萬向節(jié)組件(件11-9至件11-12構(gòu)成)、伸縮式連桿組件(由件11-14至件11-22構(gòu)成)、前連桿(件11-3)、萬向節(jié)組件(件11-9至件11-12構(gòu)成)，經(jīng)曲柄鉸支組件(件11-2至件11-3、件11-6至件11-8、件11-31至件11-32、件11-34至件11-35、件11-39、件11-42構(gòu)成)，將水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪毙D(zhuǎn)運(yùn)動，套在曲柄鉸支組件上的曲柄連桿組件(件11-36至件11-38、件11-40至件11-41構(gòu)成)通過偏心軸(件11-39)、鉸支軸(件11-33)聯(lián)結(jié)，將動力傳遞給勾型滑塊(件11-30)，通過內(nèi)六角圓柱頭螺釘(件11-28)聯(lián)結(jié)的勾型滑塊(件11-30)、錘頭座(件11-26)及插入錘頭座(件11-26)燕尾槽內(nèi)的錘頭(件11-24)在線性軌道組件(件11-23、件11-25等構(gòu)成)的作用下，完成對稱雙向除冰動作。因為該機(jī)構(gòu)中的兩個錘頭(件11-24)為錯位布置，所以該機(jī)構(gòu)的除冰過程類似于剪板機(jī)的工作原理。

圖5 手握智能式帶電除冰機(jī)械手結(jié)構(gòu)平面圖

3.3 電力檢修高架平臺結(jié)構(gòu)及工作原理

該平臺兼具儲藏、轉(zhuǎn)運(yùn)、旋轉(zhuǎn)功能，同時為電力搶修現(xiàn)場作業(yè)提供了高、低位兩個標(biāo)高的作業(yè)選項。當(dāng)平臺需輔助高空作業(yè)時，由圖1中的2#伸縮臂組件(件15)將平臺伸舉至桿塔相應(yīng)的作業(yè)區(qū)即可。

在圖6中，六角頭螺釘(件13-6)將定齒輪(件13-4)與平臺支撐架(件15-14)聯(lián)結(jié)成一個用于支撐高架平臺的整體。

(a)電力檢修高架平臺示意圖

內(nèi)六角圓柱頭螺釘(件13-7)、圓錐滾子軸承(件13-8)、軸承端蓋(件13-9)、內(nèi)六角圓柱頭螺釘(件13-10)與定齒輪(件13-4)構(gòu)成一個旋轉(zhuǎn)支點，將平臺外殼(件13-3)底部凸出部位的旋轉(zhuǎn)軸定位于定齒輪(件13-4)的軸線中心。

平臺外殼(件13-3)底部圓周的凸出部位、圓錐滾子(件13-5)及面朝平臺外殼(件13-3)底部定齒輪(件13-4)的凸出部位三者的裝配關(guān)系構(gòu)成一個具有向心力的非標(biāo)推力圓錐滾子軸承，用于提高高架平臺做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的平穩(wěn)性。

固定于平臺底部內(nèi)側(cè)的雙向旋轉(zhuǎn)缸(件13-19)，其旋轉(zhuǎn)軸的伸出端，通過內(nèi)六角圓柱頭螺釘(件13-15)、軸承端蓋(件13-16)、圓錐滾子軸承(件13-17)、調(diào)整墊圈(件13-18)四者的裝配關(guān)系，對雙向旋轉(zhuǎn)缸(件13-19)動力輸出軸進(jìn)行軸向定位。

內(nèi)六角圓柱頭螺釘(件13-11)、行星齒輪壓蓋(件13-12)、行星齒輪(件13-13)、平鍵(件13-14)及雙向旋轉(zhuǎn)缸(件13-19)動力軸伸出端存在裝配關(guān)系，用于行星齒輪(件13-13)在雙向旋轉(zhuǎn)缸(件13-19)動力軸伸出端的軸向定位。

當(dāng)雙向旋轉(zhuǎn)缸(件13-19)輸出扭矩時，行星齒輪(件13-13)沿著定齒輪(件13-4)做圓周運(yùn)動，并同步實現(xiàn)高架平臺沿著定齒輪(件13-4)的軸心做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

平臺儲藏室內(nèi)的支撐直線缸(件13-20)、斜拉直線缸(件13-21)、垂直直線缸(件13-22)三者聯(lián)動，將電纜剝切裝置的電纜定位槽組件(件16-6，見圖7)舉出平臺，為后續(xù)的電纜頭作業(yè)做好準(zhǔn)備。

圖7 一站式電纜頭剝切裝置快裝示意圖

3.4 一站式電纜頭剝切裝置構(gòu)成及工作原理

在圖7中，被舉出平臺的電纜定位槽組件(件16-6)屬于一站式電纜頭剝切裝置中的一個基礎(chǔ)母件，該組件周邊設(shè)置有若干個接插件接收槽，每個接收槽對應(yīng)相應(yīng)的加工工序部件。其中，絲桿(件16-2)、絲桿螺母刀架組件(件16-3)、快裝式軸承座部件(件16-4)、手柄(件16-5)構(gòu)成裝置中具有自適應(yīng)能力的軸向剝切機(jī)構(gòu)；壓輪機(jī)構(gòu)(件16-13)、絕緣層剝切刀具部件(件16-16)、鎧裝層剝切刀具部件(件16-15)、絕緣層倒角部件(件16-14)、徑向調(diào)節(jié)組件(件16-17)、徑向切割刀盤組件(件16-18)構(gòu)成裝置中具有自適應(yīng)能力、多工序的徑向剝切機(jī)構(gòu)。斜拉支撐桿組件(件16-1)與垂直直線缸(件13-22)的扣接，用于定位電纜定位槽組件(件16-6)的水平狀態(tài)，當(dāng)取消斜拉支撐桿組件(件16-1)與垂直直線缸(件13-22)的扣接，電纜定位槽組件(件16-6)在垂直直線缸(件13-22)的連接端頭，有一個擺動自由度和一個旋轉(zhuǎn)自由度未受約束，因此，該裝置可適用處于一般位置狀態(tài)下電纜頭的現(xiàn)場作業(yè)。加工電纜頭時，工序按如下步驟進(jìn)行：

1)用電纜切斷部件(件16-8)將電纜端口切整齊；

2)將端口整齊的電纜通過電纜壓緊機(jī)構(gòu)(件16-7)壓緊于電纜定位槽組件(件16-6)的Ⅴ型槽內(nèi)；

3)根據(jù)電纜規(guī)格，調(diào)節(jié)軸向剝切刀具部件(件16-10)的進(jìn)刀量；

4)轉(zhuǎn)動手柄(件16-5)，使絲桿(件16-2)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過絲桿螺母刀架組件(件16-3)轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向剝切刀具部件(件16-10)的直線運(yùn)動，實現(xiàn)對電纜的軸向剝切；

5)打開壓輪機(jī)構(gòu)(件16-13)，將電纜置于徑向切割刀盤組件(件16-18)，用電纜壓緊機(jī)構(gòu)(件16-7)將電纜固定于電纜定位槽組件(件16-6)，根據(jù)電纜規(guī)格，調(diào)整徑向調(diào)節(jié)組件(件16-17)，使徑向切割刀盤組件(件16-18)的回轉(zhuǎn)中心與電纜的軸線同軸，然后壓緊電纜壓緊機(jī)構(gòu)(件16-7)；

6)旋轉(zhuǎn)副刀盤，按照先絕緣層剝切刀具部件(件16-16)，再鎧裝層剝切刀具部件(件16-15)，最后絕緣層倒角部件(件16-16)的順序?qū)?zhǔn)壓輪機(jī)構(gòu)(件16-13)，分別壓緊壓輪機(jī)構(gòu)(件16-13)，根據(jù)電纜規(guī)格，依次調(diào)整各工序的進(jìn)刀量，旋轉(zhuǎn)徑向切割刀盤組件(件16-18)，完成電纜頭剝切環(huán)節(jié)各工序的剝切作業(yè)；

7)松開電纜壓緊機(jī)構(gòu)(件16-7)，在電纜頭剝切后的絕緣二次處理部位套上相應(yīng)規(guī)格的熱塑絕緣管；旋轉(zhuǎn)徑向絲桿螺母機(jī)構(gòu)(件16-12)，將電纜外絕緣塑封部件(件16-9)的工作重心調(diào)整至電纜定位槽組件(件16-6)的縱軸向剖面中心，打開熱風(fēng)口，將套有熱塑絕緣管的電纜頭置于環(huán)形熱風(fēng)口處進(jìn)行電纜頭的再次熱塑絕緣作業(yè)。

4 設(shè)備經(jīng)濟(jì)效益展望

4.1 變電站絕緣子清洗部分

根據(jù)對行業(yè)的調(diào)查可知，雖然已有各種類型的絕緣子清洗設(shè)備和方式，但這些清洗作業(yè)或多或少存在以下不足：第一是設(shè)備在清掃過程中的許多環(huán)節(jié)需要人工進(jìn)行輔助操作，清掃效率低，勞動強(qiáng)度大，自動化程度較低；第二是適用某種特定位置狀態(tài)下的絕緣子清掃，適用范圍較??；第三是清掃不徹底，清掃是由設(shè)備對絕緣子的一側(cè)轉(zhuǎn)向另外一側(cè)的間斷清掃，不是連續(xù)的清掃過程，因此清掃容易留下死角；第四是需要在區(qū)域電網(wǎng)停電的條件下進(jìn)行操作，給電網(wǎng)的正常運(yùn)行帶來不便或不必要的計量損失。

以某110 kV變電站為例，用3種不同方式對變電站絕緣子清洗所產(chǎn)生的作業(yè)成本進(jìn)行比對(見表2、表3)。

表2 某110 kV變電站絕緣設(shè)備清洗清單一覽表

表3 某110 kV變電站不同清洗方式的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比對一覽表

4.2 高架線路除冰部分

目前，行業(yè)針對110 kV及以上電壓等級的線路，通常采用熱力融冰法、機(jī)械除冰法、自然除冰法及人工除冰法。這些除冰方式存在線損大、跨障性能低、偶然性較強(qiáng)、可靠性差、勞動強(qiáng)度大、安全系數(shù)低等弊端。而智能式電纜除冰機(jī)械手以跨越式的方式，智能捕捉除冰對象，進(jìn)行剪切式的除冰，利用除冰的剪切外力，使電纜掛冰產(chǎn)生冰絲裂縫，進(jìn)而達(dá)到除冰效果。以某110 kV、長度為1 km的高架線路為例，用2種不同方式對掛冰線路除冰所產(chǎn)生的作業(yè)成本進(jìn)行比對(見表4)。

表4 某110 kV/1 km線路不同除冰方式的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比對一覽表

4.3 一站式電纜頭快速剝切裝置

從對目前行業(yè)的調(diào)查來看，純手工剝切一個電纜頭，需要兩名熟練的操作者耗時20～30 min，這其中還不包括對電纜頭外絕緣的二次處理時間。從一站式電纜頭快速剝切裝置的使用情況來看，操作該裝置處理電纜頭，只需1名操作者耗時8 min便可加工出符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的電纜頭，施工效率提高了60%～73.33%，從源頭上杜絕因手工剝切過程中產(chǎn)生的外絕緣粉塵與金屬粉塵對電纜頭絕緣性能的影響，消除了作業(yè)現(xiàn)場的安全事故，提升了電纜頭現(xiàn)場作業(yè)的工藝質(zhì)量，達(dá)到了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)的目標(biāo)。

5 結(jié)論

對該裝置變電站絕緣子清洗機(jī)械手部分、高架線路除冰機(jī)械手部分及一站式電纜頭快速剝切裝置進(jìn)行分類比對，可以看出，各項指標(biāo)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢毋庸置疑，能滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)的基本要求。實踐表明，雙臂式電力搶險工程車的推廣與應(yīng)用，是實施行業(yè)變電站帶電絕緣子的清洗、高架線路的冬季除冰、電纜頭標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)等行之有效的選項方案。目前，該裝置已獲授權(quán)5項發(fā)明專利、12項實用新型專利，另有6項發(fā)明專利、18項實用新型專利正在公示中。