具有驗電與接地一體化的智能掛接地線裝置研究＊

劉家軍，韓思丹

（西安理工大學水利水電學院，陜西西安710048）

1 引言

在接觸網(wǎng)線路檢修作業(yè)中，為了確保檢修人員的安全，需在相關作業(yè)區(qū)間掛接接地線。在傳統(tǒng)的操作過程中，檢修人員需攜帶多中絕緣工器具（驗電器、接地線等）抵達現(xiàn)場，人工進行驗電和放電操作后，確定線路無電后再手動掛接地線，在檢修作業(yè)完成后，檢修人員需要拆除全部接地線后再送電［1-5］。驗電器與接地線是檢修作業(yè)中必不可少的工具，為了保證線路作業(yè)人員的安全，驗電后掛接地線步驟的連續(xù)是十分重要的［6-8］。1接觸網(wǎng)日常檢修作業(yè)的絕緣工器具種類雜，數(shù)量多，對于檢修人員需要注意工具的攜帶、保管和維護，增加了工作量。且線路檢修多為高空作業(yè)，攜帶多種絕緣工器具也增加了高空作業(yè)的作業(yè)強度。

文獻［9］應用視頻監(jiān)視和遠程自動化控制技術，研究了一種接觸網(wǎng)驗電、放電、接地一體化的全過程快速遙控操作裝置，采用直流驗電閉鎖控制器作為裝置的核心控制單元，控制裝置驗電、放電與接地，并將信息通過通信接口上傳至后臺系統(tǒng)。但是該裝置舍棄了傳統(tǒng)的絕緣操作桿，安全可靠性降低。文獻［10］研制了一種可帶電操作檢查螺栓松緊程度的新型裝置。該裝置采用雙管式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部桿件帶動頭部套筒運動，尾部采用鋼制的搖柄。操作桿頭部使用了雙齒輪結(jié)構(gòu)，通過齒輪傳動變換套筒方向，使得操作桿不僅可以緊固順線路方向的螺栓還可以操作橫線路方向的螺栓。該絕緣操作桿僅適用于檢查螺栓松緊程度的作業(yè)。文獻［11］設計了一種遙控多功能驗電器，伸縮桿體頂部設置驗電器，采用紅外信號傳遞信息，電機驅(qū)動齒輪和伸縮齒條實現(xiàn)桿體的自動伸縮。該裝置紅外信號易受到干擾，且驅(qū)動裝置采用齒輪和伸縮齒條增加驗電桿本身的重量，增加作業(yè)人員的作業(yè)負擔。

針對上述問題，本文設計了具有驗電與接地一體化的智能掛接地線裝置，通過可伸縮的驗電桿實現(xiàn)在不用更換絕緣工器具的情況下，完成先驗電，后掛接地線。有效減少操作人員攜帶檢修工具的種類，提高線路日常檢修工作的效率

2 總體方案設計

2.1 設計方案

圖1 接觸網(wǎng)地線桿

現(xiàn)有接觸網(wǎng)地線桿如圖1所示，在實際現(xiàn)場作業(yè)時，三節(jié)絕緣桿通過螺紋連接使用，以此達到操作距離，三節(jié)絕緣桿均為環(huán)氧樹脂制成的中空桿。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)示意圖

具有驗電與接地一體化的智能掛接地線裝置如圖2所示，該裝置由五部分構(gòu)成:地線掛鉤、地線桿、驗電器和伸縮式驗電桿。伸縮式驗電桿在驗電前后處于縮回狀態(tài)，如需驗電，按鈕控制伸縮機構(gòu)運動，驗電桿隨著伸縮機構(gòu)伸長到操作高度。在驗電工作完成后，地線掛鉤和地線桿用來掛接地線。這樣在驗電與掛接地線中間無需更換絕緣工器具。驗電器與驗電桿通過螺紋連接固定。該結(jié)構(gòu)相對簡單，操作方便，便于檢修人員使用。

2.2 工作原理

圖3 機構(gòu)運動傳遞簡圖

如圖3所示，在進行驗電桿伸縮的時候，首先按鈕給單片機信號，單片機控制電機正轉(zhuǎn)提供動力，使導向輪旋轉(zhuǎn)運動，帶動軟管直線運動，驗電桿伸長。同理，當電機反轉(zhuǎn)時，驗電桿縮回。

3 伸縮式驗電桿設計

伸縮式驗電桿由電機、雙導向輪、PU空心軟管以及三節(jié)伸縮桿組成。雙導向輪與電機設置在驗電桿尾部，電機提供原動力，控制雙導向輪轉(zhuǎn)動。PU空心軟管帶動三節(jié)伸縮桿伸縮。

導向輪是帶有滑輪結(jié)構(gòu)的器件，主要用于對軟體管道或者軟體線性物體（鋼絲、尼龍繩等）移動過程中的方向引導。在某些項目或產(chǎn)品中使用導向輪可以起到省力的作用。本文導向輪伸縮機構(gòu)中導向輪起傳動作用，將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動，它是構(gòu)成導向輪伸縮機構(gòu)的重要組成部分［12-14］。

雙導向輪，一個作為主動輪，一個作為從動輪。電機給主動輪動力后，兩輪接觸面間將產(chǎn)生法向力，由法向力產(chǎn)生的摩擦力將帶動從動輪轉(zhuǎn)動。主動輪與從動輪的轉(zhuǎn)動方向相反。如圖4所示，在兩導向輪中間放置PU空心軟管，軟管管徑需和雙導向輪之間空隙直徑相等。當主動輪順時針轉(zhuǎn)動帶動從動輪逆時針轉(zhuǎn)動時，與軟管外壁產(chǎn)生摩擦力，使得空心軟管向下移動。同理，當主動輪逆時針轉(zhuǎn)動帶動從動輪順時針轉(zhuǎn)動時，空心軟管向上移動。

圖4 導向輪伸縮機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

通過分析導向輪伸縮機構(gòu)中導向輪與空心軟管之間的接觸應力，為二者的尺寸大小設計提供一定的理論依據(jù)。

根據(jù)赫茲接觸理論可得，當導向輪與空心軟管接觸時，由于二者的接觸部分為線面接觸，所以受力后接觸面形狀為矩形，而且該接觸面的壓應力分布為一個半橢圓體，如圖5所示。設矩形的長度為L，寬度為2b，圖中F為外部載荷，R為導向輪半徑。

圖5 導向輪與空心軟管接觸圖

由于矩形接觸面的寬度2b?R，所以可以將接觸面上的任一點按照彈性力學理論中的半無限平面來進行分析，一般圓柱體與平面的接觸公式為:

則導向輪和空心軟管接觸部位的b和p0為

由式可得:矩形接觸面的半寬度b與F、R的平方根成正比，和L的平方根成反比；最大接觸應力p0與F的平方根成正比，與R、L的平方根成反比。

因而在設計時，結(jié)合雙導向輪與PU空心軟管之間的運動以及應力分析，選擇外徑19mm，繩槽半徑為4mm的U槽導向輪。PU空心軟管選擇外徑8mm，內(nèi)徑6mm，以此保證二者之間的相對運動。

三節(jié)伸縮桿采用釣魚竿的結(jié)構(gòu)，即桿套桿式伸縮結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是由多個同軸圓筒依次嵌套構(gòu)成，且圓筒直徑依次減小。第一節(jié)管嵌套在第二節(jié)管里，第二節(jié)管嵌套在第三節(jié)管里。軟管固定在第一節(jié)管頂部，當空心軟管向上運動時，將帶動三節(jié)伸縮桿的伸長。

同理，當空心軟管向下運動時，將使第一節(jié)管縮回，同時帶動三節(jié)伸縮桿縮回。第一節(jié)管頂部固定有驗電器。

綜合考慮重量，絕緣，價格等因素，三節(jié)伸縮桿均采用PC高強度管，第一節(jié)管長度為0.68m，外徑35mm，內(nèi)徑29mm，第二節(jié)管長度為0.7m，外徑24mm，內(nèi)徑18mm，第三節(jié)管長度為0.71m，外徑18mm，內(nèi)徑12mm。

4 控制系統(tǒng)設計

4.1 電機選擇

由于步進電機適合微電腦和單片機控制，且耐用，成本低，綜合考慮實際使用及性價比，本文選用步進電機作為動力源。步進電機是一種用來精確控制位置和速度的電機。步進電機的最大特點是其“數(shù)字性”，對于接收到的一個脈沖信號，步進電機在驅(qū)動器的推動下將運轉(zhuǎn)一個固定的角度。如接收到一串脈沖信號，步進電機將連續(xù)運轉(zhuǎn)一段距離。同時要想改變電機的轉(zhuǎn)速，可以通過改變脈沖頻率實現(xiàn)。

步進電機的選擇主要是以負載的阻力矩為依據(jù)，電機的扭矩大于負載的力矩，電機才可帶動負載運轉(zhuǎn)。本文通過估算的方法來確定負載阻力矩。計算中摩擦阻力為主要考慮因素，在設計中選取的是PU空心軟管，其摩擦系數(shù)為 0.08-0.12，計算中取其值為0.1。

式中:F—摩擦阻力，N；

μ—摩擦系數(shù)；

M—工作負荷（即為驗電桿重力），N。

式中:T—阻力矩，N·m；

L—阻力作用點到轉(zhuǎn)軸距離，m。則:

T＝ μ×M×L＝0.1×0.35×9.8×1.38＝0.47

通過對比價格、質(zhì)量、安裝尺寸等因素，最終選擇42BYGH40-1.2A步進電機，其參數(shù)如表1所示。

表1 步進電機參數(shù)

4.2 電機驅(qū)動模塊

步進電機驅(qū)動系統(tǒng)由步進電機和驅(qū)動器構(gòu)成。步進電機使用時不能直接接到工頻交流或直流電源上，必須通過專業(yè)的驅(qū)動器，驅(qū)動器采用單極性直流電源供電。要使步進電機步進轉(zhuǎn)動，需要按合適的時序給步進電機的各項繞組通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。為配合已選用步進電機的使用，本文選擇電機驅(qū)動模塊L298N，其參數(shù)如表2所示。

表2 驅(qū)動模塊參數(shù)

4.3 控制模塊

圖6 系統(tǒng)流程圖

綜合考慮已選用的步進電機和驅(qū)動模塊，最終選取基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32處理器。該處理器的數(shù)據(jù)處理能力為 1.25DMips/MHz，相比于同類型芯片，STM32在數(shù)據(jù)處理能力方面有著非常明顯的優(yōu)勢；相較于51、AVR系列單片機，STM32具有結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)難度低、功能強等優(yōu)勢，在各領域STM32的應用十分廣泛。本文通過三個按鈕開關分別控制電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停止，三個按鈕不可同時按下，一個按鈕控制一個狀態(tài)，從而實現(xiàn)驗電桿的自動伸縮。步進電機的轉(zhuǎn)向同其繞組的通電順序有關，將按鈕開關信號作為系統(tǒng)的輸入信號，ARM單片機控制輸出相應的脈沖信號和方向信號，該信號通過驅(qū)動器功率放大，達到步進電機所需要的驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流，從而控制步進電機動作。

芯片選購完成后，進行編程，具體程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。

5 三維建模

SolidWorks軟件是最有影響力的三維軟件之一，它具有非全約束的特征建模技術，為設計者修改模型提供便利，在設計的過程中修改部分設計，其他與之相關聯(lián)的部分也會隨之改變［15］。它集成設計、分析、加工和數(shù)據(jù)管理，通過查看模型的屬性可以獲得分析和加工模擬結(jié)果，在特征管理器中詳細地列出了相關數(shù)據(jù)信息，作為設計者修改、優(yōu)化設計的依據(jù)。SolidWorks是機械設計經(jīng)常使用的建模軟件之一，可以很方便地完成各種復雜模型的設計。本文采用SolidWorks進行絕緣操作桿的三維建模，所建模型如圖7所示。

圖7 絕緣操作桿三維模型

6 結(jié)束語

本文在對現(xiàn)有掛接地線裝置結(jié)構(gòu)分析的基礎上，通過合理的機械設計和單片機控制，設計了具有驗電與接地一體化的智能掛接地線裝置，解決了傳統(tǒng)接觸網(wǎng)驗電放電接地模式存在的安全隱患和不足。該裝置集驗電與接地功能于一體，減少了絕緣工器具的數(shù)量，極大地縮短了操作時間，提高了操作的安全性和可靠性。

（1）采用電機控制雙導向輪的結(jié)構(gòu)，在摩擦力的作用下實現(xiàn)驗電桿的自動伸縮，綜合考慮多種因素，確定零件型號；

（2）利用步進電機和單片機所組成的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)驗電桿伸縮。

（3）通過使用三維建模軟件SolidWorks進行建模仿真，確定了裝置的結(jié)構(gòu)，證明了本次設計的合理性與可行性，為后續(xù)實物制作奠定了基礎。