大坡度雙分裂導(dǎo)線高空自走平臺(tái)的研制與應(yīng)用

鐘明亮 詹禹曦 李自步 楊進(jìn)翔 白俊平 馬小云 王伊 楊廷學(xué) 王峰飛 申紅新

【摘要】為了滿足輸電線路大坡度特殊段的高空檢修行走的便捷，需要有一個(gè)平臺(tái)能夠把人員輸送到指定檢修段。本文設(shè)計(jì)研制了一種新型自走式高空檢修平臺(tái)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)線的坡度，可以有效調(diào)節(jié)動(dòng)力輪與導(dǎo)線的摩擦阻尼，安全行走在高度陡坡段，并有效通過間隔棒、壓接管等障礙物。對(duì)高空平臺(tái)的關(guān)鍵部件進(jìn)了動(dòng)力荷載試驗(yàn)、安全承載試驗(yàn)、整平臺(tái)工作空間校核。結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的自走平臺(tái)在本體強(qiáng)度、工作性能都滿足色劑要求，適用輸電線路特殊段檢修應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】新型自走式高空檢修平臺(tái)的設(shè)計(jì)；研制與應(yīng)用

1、引言

隨著電網(wǎng)的迅速發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)化要求的逐步提高。輸電線路驗(yàn)收、檢修作業(yè)對(duì)人員的數(shù)量、安全要求更高。導(dǎo)線檢修是高空作業(yè)過程中的一項(xiàng)重要工作，加強(qiáng)加大導(dǎo)線檢修的工作便利、提高檢修工作效率和安全防護(hù)是亟待解決的重要問題。目前在導(dǎo)線檢修環(huán)境，一方面是采用的人走方式；一方面是采用的飛車行走方式。這些方式都存在很大的安全隱患和工作效率問題，尤其一些坡度較陡的線路段沒辦法輕松順利到達(dá)工作點(diǎn)。為此，針對(duì)現(xiàn)有的作業(yè)器具還有作業(yè)環(huán)境，我們團(tuán)隊(duì)展開研究，研發(fā)高空自走平臺(tái)作業(yè)方式，解決陡坡線路故障點(diǎn)檢修問題，降低檢修工作負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)可多人、安全、快速、可靠檢修。

2、現(xiàn)有飛車、平臺(tái)分析

目前國(guó)內(nèi)外飛車一般動(dòng)力有采用人力、電力、引擎等幾種方式，但是，無論采取哪一種動(dòng)力，由于動(dòng)力輪與導(dǎo)線的摩擦接觸面有限（如圖1示），造成了現(xiàn)有的飛車平臺(tái)最大的爬坡不會(huì)超過35°坡。國(guó)內(nèi)的人力飛車最大的爬坡設(shè)計(jì)是25°，電動(dòng)飛車最大的爬坡設(shè)計(jì)是20°，相對(duì)45°的導(dǎo)線坡度，可應(yīng)用性為零。國(guó)外有引擎類平臺(tái)（如德國(guó)ZECK的），設(shè)計(jì)的最大爬坡可以達(dá)到35°，但是本體重量超過了160kg，如果是施工現(xiàn)場(chǎng)還好說，但是針對(duì)線路的檢修，要把這么重的一個(gè)平臺(tái)搬到山里現(xiàn)場(chǎng)并吊裝在線路上，這個(gè)可應(yīng)用性也基本上為零。

所以，針對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的飛車、平臺(tái)結(jié)構(gòu)的研究分析，我們必須要針對(duì)導(dǎo)線與動(dòng)力輪之間摩擦力效用做出研究分析，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的結(jié)構(gòu)，使得在導(dǎo)線坡度達(dá)到45°或以上的時(shí)候，我們的工作平臺(tái)也不會(huì)出現(xiàn)在導(dǎo)線上打滑的現(xiàn)象，以保障高空作業(yè)的安全。

3、導(dǎo)線在45°破時(shí)，動(dòng)力輪的摩擦效用研究與分析

3.1動(dòng)力輪的選材與設(shè)計(jì)

動(dòng)力輪作為整個(gè)平臺(tái)的主要?jiǎng)恿εc支撐部件，針對(duì)受力分析時(shí)，它需要帶有一定的強(qiáng)度和韌性，起到的效用與汽車的輪胎基本上一樣。同時(shí)，考慮到平臺(tái)整體的輕巧性，選擇高強(qiáng)12#航空鋁合金作為主體材質(zhì)比較合適，根據(jù)常規(guī)導(dǎo)線規(guī)格（240-400mm2）作為參考依據(jù)，并且考慮到導(dǎo)線的接續(xù)管，輪子的槽寬設(shè)計(jì)應(yīng)該大于等于48mm。另外，導(dǎo)線材質(zhì)是鋁質(zhì)，考慮到磨損問題，動(dòng)力輪的槽內(nèi)必須要有柔性材料（如橡膠），不然動(dòng)力輪與導(dǎo)線進(jìn)行摩擦，會(huì)損傷導(dǎo)線。該柔性材料的選擇才是重中之重，它關(guān)系到動(dòng)力輪的耐用性及有限接觸面積的情況下，摩擦效用的最大化。

實(shí)驗(yàn)選擇了4種常規(guī)材料（丁腈橡膠、MC尼龍、聚胺脂、鐵氟龍）作為輪槽壓膠進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，其中丁腈橡膠的摩擦效用最好，但是太軟不耐磨，于是在這個(gè)材料的基礎(chǔ)上，我們重新加入了無紡耐磨砂布，加強(qiáng)了它的耐磨性，在不考慮美觀的情況下，我們基本上優(yōu)先選它。聚氨酯的通透性相對(duì)美觀一些，在不添加砂布的情況下，可以保障良好的耐磨性，并且在摩擦效用上僅排在丁腈橡膠之后，該材料也可以考慮作為備選。

另外，動(dòng)力輪要過間隔棒，我們?cè)谄鋬?nèi)側(cè)采用了花型設(shè)計(jì)，當(dāng)動(dòng)力輪遇到間隔棒的時(shí)候，不至于攀爬不過而打滑。

同時(shí)，還有一個(gè)因素與動(dòng)力輪組相關(guān)……平臺(tái)行走的速度與動(dòng)力輪的底徑成正比。我們正常人的地面行走速度為3-4kg/h左右，高空行走為了保證安全，我們?cè)O(shè)定的最大速度為2-3km/h之間比較合適，為了防止反轉(zhuǎn)，我們選定了20：1的蝸輪蝸桿減速箱（經(jīng)試驗(yàn)，15：1的減速箱在加載300kg的時(shí)候，出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象）；匹配電機(jī)0-3000RPM可調(diào)（3000RPM為額定轉(zhuǎn)速，輸出的扭矩值最大），那么我們的主動(dòng)輪的底徑R不宜過大，也不宜過小。

最大時(shí)速V=πR*3000*60/20

考慮到輪徑過大會(huì)造成動(dòng)力輪太大，整體會(huì)太笨重，以及正常飛車在天空的行走速度，我們最終選擇底徑為80mm，空中的最大時(shí)速為2.26km/h。（最終可以根據(jù)動(dòng)力軸上的鏈輪齒數(shù)差，來增大最大實(shí)際行駛速度。）

3.2摩擦效用與壓緊力及坡度關(guān)系分析

我們所承受的摩擦力應(yīng)為滾動(dòng)摩擦力，滾動(dòng)摩擦力的計(jì)算公式如下：

滾動(dòng)摩擦力=正壓力*滾動(dòng)摩擦系數(shù)

導(dǎo)線的接觸面本身并不會(huì)發(fā)生形變，而動(dòng)力輪槽發(fā)生形變時(shí)，在正壓力作用下，接觸面的摩擦力增大而不會(huì)移位，所有動(dòng)力輪的滾動(dòng)實(shí)質(zhì)為變形后的翻轉(zhuǎn)，但支點(diǎn)O′在往前移。同理，此時(shí)重力G與支持力N的力偶矩為物體滾動(dòng)的阻力矩，且M阻=Nδ。然后，隨著坡度的增加，滾動(dòng)摩擦力相應(yīng)承載重力G的值相應(yīng)增大，在接觸面不變的情況下，增大中心傳動(dòng)軸的點(diǎn)扭矩，改變不了動(dòng)力輪整體下滑的趨勢(shì)，所以只有增大動(dòng)力輪與導(dǎo)線之間的正壓力來提高滾動(dòng)摩擦力。

由于計(jì)算滾動(dòng)摩擦力相對(duì)復(fù)雜，我們做了一個(gè)45°坡導(dǎo)線模擬現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)設(shè)計(jì)的理論重量及馬達(dá)提供的轉(zhuǎn)扭力來測(cè)試正壓力與承載范圍的極限。我們發(fā)現(xiàn)，在坡度保持在45°不變的情況下，隨著承載重量的增加，需要的正壓力也需要增加，同時(shí)對(duì)馬達(dá)的轉(zhuǎn)扭力需求也在增加，具體的測(cè)試數(shù)據(jù)近似值如下（選定的分別是丁腈橡膠和聚氨酯）：

根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析，我們需要馬達(dá)的轉(zhuǎn)扭力值至少為2.4N.m，也就是馬達(dá)在48V電源的情況下，功率不能低于780W，考慮30%的功率盈余，功率在1100W左右為合適。且馬達(dá)輸出軸直徑不要低于19mm。

同時(shí)，我們也統(tǒng)計(jì)了在選定的馬達(dá)情況下，用最大可承受的正壓力設(shè)定值，我們模擬測(cè)試了承載重量與最大坡度的關(guān)系：

4、續(xù)航與安全控制研究設(shè)計(jì)

4.1持航

根據(jù)采用的電機(jī)功率1.1kW，為了便于野外作業(yè)，只能匹配直流電源。同時(shí)，供電電壓越高，電路負(fù)荷的電流就越低，但是，電壓過高，就會(huì)導(dǎo)致電源本體過大過重。綜合匹配，我們優(yōu)選48VDC。

I=W/U。（下轉(zhuǎn)第頁(yè)）

（上接第頁(yè)）

電源工作時(shí)間h=C/I

根據(jù)以上公式，我們?cè)跐M負(fù)荷的情況下，電源的電容量不能小于22.92Ah。由于電機(jī)不可能處于常態(tài)滿負(fù)荷，我們以60%滿負(fù)荷作為平均常態(tài)，那么一個(gè)小時(shí)的耗電量為13.75Ah，那么我們?cè)O(shè)定電源的電容量為30Ah48VDC，這樣可以保障電機(jī)常態(tài)持續(xù)運(yùn)行約2個(gè)小時(shí)，后備1個(gè)26Ah48VDC電源，那么可以保障4個(gè)小時(shí)的常態(tài)持續(xù)運(yùn)行。如果線路比較平緩，平均常態(tài)負(fù)載將連60%都不夠，運(yùn)行時(shí)間也將超過4小時(shí)。就算100%滿負(fù)載，也可以保障電機(jī)持續(xù)運(yùn)行3個(gè)小時(shí)以上。

4.2安全控制

根據(jù)飛車的剎車原理，飛車的剎車采取的剎車方式其實(shí)和陸地上的自行車是一樣的方式，是針對(duì)輪子鎖死。由于工作平臺(tái)采用的電動(dòng)馬達(dá)加歐輪蝸桿減速機(jī)作為主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，本身便具有防逆向傳動(dòng)能力（只能從馬達(dá)方向傳動(dòng)主動(dòng)輪，主動(dòng)輪不能傳動(dòng)馬達(dá)），也就是說檢修平臺(tái)不存在飛車輪子逆走的情況（在大坡度時(shí)輪子在導(dǎo)線上打滑通過耦合擠壓方式解決了輪子打滑的問題，小坡度不會(huì)打滑，耦合擠壓方式同樣可以作為保障方式）。

另外，平臺(tái)下掛裝置與行走裝置采用外包方式連接，在導(dǎo)線外側(cè)形成一個(gè)閉合圈，不會(huì)出現(xiàn)從高空掉落的情況。同時(shí)，動(dòng)力輪采用內(nèi)側(cè)低外側(cè)高的設(shè)計(jì)方式，極大避免了行走裝置脫線的情況。

5、自重與安全可承載研究設(shè)計(jì)

5.1自重研究

為了野外的檢修工作的方便，在達(dá)到目標(biāo)效果的前提下，本體重量當(dāng)然是越輕越好，根據(jù)各種金屬的屬性，及機(jī)械性能、安全承載等因素分析，在不同的部件選用的主體材質(zhì)都將不一樣。（6063#密度2.72X103kg/m3，12#及7075密度2.81X103kg/m3）

行走裝置：

馬達(dá)：銅線芯、鋁合金外殼 X1

變速箱：40Cr調(diào)制蝸輪蝸桿、鋁合金外殼X1

傳動(dòng)軸：40Cr調(diào)制鋼X3

鏈條鏈輪：工業(yè)級(jí)12.5 X3

搭載臺(tái)板：12#航空鋁合金+承力筋（氧化加強(qiáng)）X2

龍骨角鋁：6063航空鋁合金50*25*5（氧化加強(qiáng)）X1

主動(dòng)輪：12#航空鋁合金+丁腈橡膠（氧化加強(qiáng)）X4

軸座：12#航空鋁合金（氧化加強(qiáng)）X6

耦合壓緊裝置：鋁合金光軌+45C鋼螺紋棘輪軸X2

外殼：1mm鋁合金X1

下掛裝置：

筐子：6063#航空鋁合金（氧化加強(qiáng)）X1

筐子底板：6063#3mm防滑鋁合金打孔板X1

連接板：12#航空鋁合金（氧化加強(qiáng)）X4

固定連接桿：12#鋁合金空心管（氧化加強(qiáng)）X2

棘輪裝置：45C鋼 +8mm鋼絲繩 X2

5.2可安全承載試驗(yàn)

參考DL/T636-2006標(biāo)準(zhǔn)，我們的安全承載靜負(fù)荷系數(shù)需要達(dá)到2.5倍以上，動(dòng)負(fù)荷系數(shù)需達(dá)到1.5倍以上。也就是說，我們?cè)?5°坡的靜荷載500kg的情況下不打滑，動(dòng)載300kg能正常行走。動(dòng)負(fù)載在前面的動(dòng)力和摩擦力狀態(tài)分析已經(jīng)得到解決。只要保證45度坡度的情況下，只要能保障500kg靜載不滑動(dòng)，即為安全試驗(yàn)通過。

6、結(jié)束語

本平臺(tái)可以廣泛應(yīng)用于水平雙分裂輸電線路的施工與檢修工作中，尤其體現(xiàn)在西北等多山區(qū)地帶，有效的解決了高坡度施工、檢修人員的安全及便捷性問題。存在極大的市場(chǎng)推廣價(jià)值。