變電所絕緣子水沖洗機(jī)器人設(shè)計(jì)

姚 波，于蘭英，吳文海，柯 堅(jiān)，譚萬秋

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610031)

鐵路變電所是鐵路電力系統(tǒng)重要組成部分，負(fù)責(zé)將區(qū)域電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)換為適合電力牽引的電能。變電所絕緣子長期暴露在空氣中，灰塵和其他污染物集聚在絕緣子表面，當(dāng)空氣濕度較大時(shí)，絕緣子表面污染物吸收水分，使得絕緣子表面的電導(dǎo)率增大，絕緣子的電氣絕緣性大大降低，可能導(dǎo)致污閃事故［1］。為預(yù)防污閃事故的發(fā)生，需定期對絕緣子表面進(jìn)行清理。目前主要的清理方式是帶電水沖洗，包括固定式水沖洗和移動(dòng)式水沖洗兩種，其中固定式水沖洗一般應(yīng)用于環(huán)境污染嚴(yán)重地區(qū);移動(dòng)式水沖洗使用移動(dòng)水沖洗設(shè)備(如消防車或輪式帶電水沖洗車)，采用人工手持水槍的方式對絕緣子進(jìn)行帶電水沖洗，這種方式對沖洗操作人員的技術(shù)水平和操作流程要求較高，并且需要較高的安全防護(hù)措施［2－3］。本文提出的絕緣子沖洗機(jī)器人與水沖洗車相結(jié)合，可取代人工對絕緣子進(jìn)行沖洗，提高沖洗效率和自動(dòng)化水平。

1 水沖洗機(jī)器人沖洗方案研究

水沖洗機(jī)器人主要針對鐵路變電所內(nèi)電壓等級在110kV以下的絕緣子，鐵路變電所內(nèi)主干道路面寬度一般大于3.5m［4］，而所內(nèi)巡視小道一般寬為1m，大型水沖洗車輛只能停在主干道上，無法靠近絕緣子分布區(qū)域。為對變電所內(nèi)絕緣子進(jìn)行精確沖洗，筆者采取的沖洗方案為沖洗車+沖洗機(jī)器人的組合形式，沖洗機(jī)器人可通過巡視小道靠近絕緣子區(qū)域。如圖1所示，水沖洗車載有柴油發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、離心泵、水箱等水沖洗配套設(shè)備［2］。工作時(shí)柴油發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)離心泵，水箱內(nèi)的高電阻率水經(jīng)離心泵增壓后，由沖洗機(jī)器人水槍射出。

圖1 沖洗方案

2 水沖洗機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

絕緣子水沖洗機(jī)器人如圖2所示，包括沖洗機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、通水管路、控制箱、蓄電池等部件。行走機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)沖洗機(jī)器人的位置移動(dòng);沖洗機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)水槍的瞄準(zhǔn);控制箱控制機(jī)器人各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng);蓄電池為機(jī)器人各項(xiàng)設(shè)備提供動(dòng)力;通水管路連通水沖洗車水箱和機(jī)器人水槍;下攝像機(jī)用于實(shí)時(shí)提取機(jī)器人周圍環(huán)境信息;上攝像機(jī)和光電距離傳感器安裝在水槍支架上，上攝像機(jī)用于提取絕緣子圖像信息，光電距離傳感器用于測量絕緣子與水槍之間的距離;沖洗機(jī)器人采用防淋雨設(shè)計(jì)，外殼用不銹鋼薄板制成;機(jī)器人尾部地線與變電所的地線端相連，起安全保護(hù)作用。

2.1 水沖洗機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)

水沖洗機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自由移動(dòng)。

圖2 絕緣子水沖洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

因?yàn)殍F路變電所內(nèi)道路主要為水泥路面，路面平整且附著情況良好，所以水沖洗機(jī)器人采用輪式移動(dòng)底盤，如圖3所示。底盤軸距L=600mm，輪距B=720mm，為精簡底盤結(jié)構(gòu)和提高運(yùn)行可靠性，轉(zhuǎn)向方式采用滑移轉(zhuǎn)向方式，機(jī)器人的最小轉(zhuǎn)向半徑，可以在寬度僅為1m的巡視小道轉(zhuǎn)向。

水沖洗機(jī)器人的移動(dòng)采用遠(yuǎn)程遙控，由于運(yùn)動(dòng)精度要求不高，因此可采用雙直流無刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，每個(gè)電機(jī)輸出經(jīng)過減速機(jī)后帶動(dòng)兩根同步帶，以此驅(qū)動(dòng)機(jī)器人一側(cè)的兩個(gè)車輪;機(jī)器人前端的車輪內(nèi)側(cè)安裝有電磁離合器，在機(jī)器人沖洗作業(yè)時(shí)為保持底盤靜止，電磁離合器通電結(jié)合鎖死車輪。

圖3 水沖洗機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 水沖洗機(jī)器人沖洗機(jī)構(gòu)

水沖洗機(jī)器人沖洗機(jī)構(gòu)功能為調(diào)整水槍姿態(tài)，瞄準(zhǔn)絕緣子實(shí)現(xiàn)沖洗。機(jī)器人水槍安裝高度為1.1m，絕緣子底部距地面高度大于 2.5m［4］，絕緣子長度為1.0m～2.4m，另根據(jù)帶電水沖洗規(guī)范要求，可知110kV級別絕緣子沖洗水柱長度不得小于3m［5］，由幾何關(guān)系，可確定機(jī)器人沖洗作業(yè)時(shí)，水槍的俯仰角度變化范圍為16°。由于在絕緣子瞄準(zhǔn)過程中，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度要求較高，因此選用伺服電機(jī)作為沖洗機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

沖洗結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和俯仰機(jī)構(gòu)［6］，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)支承和其上支架轉(zhuǎn)動(dòng);俯仰機(jī)構(gòu)采用有自鎖功能的蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)水槍俯仰運(yùn)動(dòng)。兩機(jī)構(gòu)均采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)控制精度高、運(yùn)行平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)對絕緣子的精確瞄準(zhǔn)，其中旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)配帶制動(dòng)器。

2.3 水沖洗機(jī)器人管路系統(tǒng)

水沖洗機(jī)器人管路系統(tǒng)如圖3所示，水槍通過高壓軟管與焊接在下殼體的T型管道連接，T型管下部安裝旋轉(zhuǎn)接頭，可實(shí)現(xiàn)管路的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)接頭連接電磁開關(guān)閥，控制整個(gè)管路系統(tǒng)的連通和關(guān)閉。沖洗機(jī)器人與水沖洗車之間采用纖維增強(qiáng)軟管連接，對水沖洗車上的沖洗配套設(shè)備起絕緣保護(hù)作用。整個(gè)管路系統(tǒng)最大工作壓力為2MPa，考慮水槍噴射流量，管路內(nèi)徑選擇為19mm。

2.4 水沖洗機(jī)器人主要性能參數(shù)

水沖洗機(jī)器人主要性能參數(shù)見表1。

3 水沖洗機(jī)器人滑移轉(zhuǎn)向條件分析

水沖洗機(jī)器人采用滑移轉(zhuǎn)向方式，底盤尾部拖動(dòng)有軟管，軟管最長為20m，經(jīng)過計(jì)算，需克服摩擦力最大為50N，對機(jī)器人滑移轉(zhuǎn)向性能存在較大影響，需對機(jī)器人能否實(shí)現(xiàn)滑移轉(zhuǎn)向進(jìn)行分析。

表1 水沖洗機(jī)器人主要性能參數(shù)

機(jī)器人滑移轉(zhuǎn)向時(shí)四輪受力情況復(fù)雜，為方便分析，假定機(jī)器人以低速轉(zhuǎn)向，忽略加速度的影響，并作以下限定［7］:

1)忽略輪胎的接地面積，將地面與輪胎的接觸看作點(diǎn)接觸，輪胎的中心為接觸點(diǎn)。

2)忽略離心力影響，車輪縱向速度為常量。

3)假定每個(gè)輪胎的附著力相等，即

式中:Fφ為單個(gè)輪胎的附著力;φ為附著系數(shù)。

4)機(jī)器人轉(zhuǎn)向速度較低，不考慮載荷轉(zhuǎn)移，則每個(gè)輪胎的滾動(dòng)阻力

式中:f為滾動(dòng)阻力;μ1為滾動(dòng)摩擦系數(shù)。

5)轉(zhuǎn)向時(shí)，每個(gè)輪胎的側(cè)向阻力P與車重G成正比，即

式中:P為側(cè)向阻力;μ2為滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

簡化后的底盤受力如圖4所示，點(diǎn)O為底盤幾何中心，假定原地轉(zhuǎn)向時(shí)繞瞬心O轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖4 水沖洗機(jī)器人轉(zhuǎn)向四輪受力圖

由式(2)、(3)和力矩平衡可得:

式中:F為每個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)力;B為底盤輪距;L為底盤軸距;L1為拖動(dòng)水管與輪軸距離;F1為水管對機(jī)器人的拉力。

沖洗機(jī)器人工作路面為混凝土路面，φ=μ2=0.9，μ1=0.02，G=1 000N，L1=0.06m，F(xiàn)1=50N。當(dāng)四輪機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)滑移轉(zhuǎn)向時(shí)，需滿足，即:

將沖洗機(jī)器人的B和L的值帶入式(5)，計(jì)算結(jié)果滿足條件，即沖洗機(jī)器人可拖動(dòng)水管實(shí)現(xiàn)滑移轉(zhuǎn)向。

4 水沖洗機(jī)器人作業(yè)穩(wěn)定性分析

當(dāng)沖洗機(jī)器人進(jìn)行沖洗作業(yè)時(shí)，水柱對機(jī)器人存在反沖力，在機(jī)器人輪胎鎖死的情況下，輪胎和地面可能出現(xiàn)相對滑動(dòng)，當(dāng)反沖力足夠大時(shí)機(jī)器人甚至可能會(huì)出現(xiàn)傾翻現(xiàn)象，造成極大安全隱患，因此有必要校核機(jī)器人穩(wěn)定性。

變電所路面最大坡度僅為 3.5°［4］，對作業(yè)穩(wěn)定性影響較小，忽略不計(jì)，又因沖洗機(jī)器人的輪距大于軸距，可知水槍朝行進(jìn)方向水平?jīng)_洗時(shí)，沖洗機(jī)器人出現(xiàn)滑動(dòng)或傾倒的可能性最大。沖洗機(jī)器人選擇的水槍噴嘴大小和沖洗壓力不同時(shí)，作用給機(jī)器人的沖洗反作用力不同。根據(jù)沖洗實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，沖洗最大反沖力F2=100N。

機(jī)器人的最大靜摩擦力為 f1，計(jì)算得 f1=Gμ2＞F2，即最大靜摩擦力大于反沖力，機(jī)器人沖洗作業(yè)時(shí)底盤不會(huì)出現(xiàn)輪胎滑移現(xiàn)象。

假定機(jī)器人重心位于底盤中垂線上，機(jī)器人的傾翻力矩為 M1，穩(wěn)定力矩為 M2，水槍安裝高度H=1.1m，底盤軸距 L=0.6m，根據(jù)公式 M1=F2H，M2=0.5LG，計(jì)算得M1＜ M2，即穩(wěn)定力矩大于傾翻力矩，可知沖洗機(jī)器人朝行進(jìn)方向水平?jīng)_洗時(shí)不會(huì)出現(xiàn)傾倒現(xiàn)象。綜合可得機(jī)器人沖洗作業(yè)時(shí)穩(wěn)定性符合要求。

5 結(jié)束語

本文針對鐵路變電所環(huán)境，開發(fā)設(shè)計(jì)的新型絕緣子水沖洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單可靠、體型小、控制簡單。但由于條件限制，設(shè)計(jì)過程主要傾向于理論分析和計(jì)算，缺乏實(shí)物實(shí)驗(yàn)支撐，后續(xù)將研究通過機(jī)器人的制造和相關(guān)實(shí)驗(yàn)，對機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

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