一種不停電螺栓緊固作業(yè)裝置研究與應(yīng)用

宋紅為 趙志海 馬建文 馬云飛

摘? ?要：在本研究中，針對高壓輸電線路引流板螺栓作為研究對象，并提出能夠沿高壓輸電線行使且由雙作業(yè)臂攜帶的一種螺栓緊固工具，進一步實現(xiàn)那耐張線夾引流板螺栓緊固帶電作業(yè)裝置，提出四臂移動作業(yè)的螺栓緊固裝置，即移動機器人雙臂攜帶螺栓末端的機械手和攜帶螺栓擰緊末端機械手，研究帶電作業(yè)裝置機械結(jié)構(gòu)，分析了攜帶螺栓連接末端和作業(yè)末端性能的動力學(xué)模型，通過實際應(yīng)用完成帶電作業(yè)檢測，進一步驗證了該設(shè)計方案的正確性。

關(guān)鍵詞：不停電? 螺栓緊固? 作業(yè)裝置? 研究? 應(yīng)用

中圖分類號：TM75? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）11（a）-0026-02

由于高壓輸電線路運行環(huán)境較差，外界環(huán)境包括履冰，微風(fēng)振動等都會出現(xiàn)導(dǎo)線振動，進而使耐張線夾引流板螺栓出現(xiàn)松動，由于接觸不良而導(dǎo)致電阻增加，使引流板溫度快速升高，接觸面氧化情況惡化，長時間會導(dǎo)致出現(xiàn)引流板燒毀問題，出現(xiàn)安全事故，這對于電網(wǎng)運行來說是十分不利的。帶電作業(yè)是電網(wǎng)常用的檢修方法，可實現(xiàn)在不停電的情況下完成電網(wǎng)檢修，當(dāng)前耐張線夾螺栓緊固作業(yè)是在人工等電位狀況下完成的，容易受到帶電作業(yè)距離因素的影響，工作人員很難實現(xiàn)這一動作，無法達到螺栓緊固扭矩的相關(guān)要求，甚至使用扳手套通無法套住螺栓。而帶電作業(yè)裝置可克服這種問題，進一步提高耐張線夾引流板螺栓緊固作業(yè)的安全性。因此在本研究中提出能夠沿高壓輸電線路行駛，且由雙作業(yè)臂攜帶螺栓緊繃末端工具，完成引流板螺栓緊固帶電作業(yè)檢修的裝置。

1? 螺栓頸部作業(yè)裝置設(shè)計

首先從螺栓緊固中作業(yè)對象分析來看，耐張桿塔線路結(jié)構(gòu)主要涉及導(dǎo)線，耐張絕緣子串，跳線，壓縮型耐張線夾，其中在導(dǎo)線固定的作用下壓縮型耐張線夾能夠固定與耐張絕緣子串中，進而實現(xiàn)跳線導(dǎo)線的相互連接。壓縮型耐張線夾結(jié)構(gòu)是有引流板，鋼錨，管體和線夾構(gòu)成的，六角螺栓能夠用于連接引流線夾和引流板，帶電裝置可對該螺栓構(gòu)件完成緊固操作。

從裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案上來看，在人工開展螺栓緊固時通常需要固定螺栓，另一邊還需要借助扳手完成螺母的擰緊操作，而帶電作業(yè)裝置能夠模仿人的結(jié)構(gòu)，利用雙作業(yè)臂完成操作，其中一個機械臂用于螺栓固定，另一個用于螺母的擰緊操作，且作業(yè)末端使用內(nèi)角套筒能夠與外六角螺栓進行緊密配合，因此該裝置作業(yè)臂需要調(diào)節(jié)末端作業(yè)裝置，相對外六角螺栓位置，進而可以使螺母與內(nèi)六角套筒處于同一種線，同時為實現(xiàn)螺母與套筒的連接作業(yè)末端，還需要具備一定的旋轉(zhuǎn)自由度，可以使內(nèi)六角套筒與螺母實現(xiàn)微調(diào)，此外由于耐張桿塔線路轉(zhuǎn)角塔桿類型不同，在引流板和垂直面間存在夾角，這也為對接末端裝置提出更高要求，因此在結(jié)構(gòu)上作業(yè)末端裝置需要對夾角有一定的自適應(yīng)要求。針對上述要求提出裝置結(jié)構(gòu)模型主要是由裝置本體結(jié)構(gòu)，螺母擰緊結(jié)構(gòu)裝置和螺栓固定裝置共同構(gòu)成的，帶電作業(yè)裝置本體及平臺為移動機器人雙作業(yè)機械臂，能夠固定在機體的前端，整個移動機器人是由雙固定臂，行走輪，機體等電位輪共同構(gòu)成的，在機體中雙作業(yè)臂能夠保持一定距離，實現(xiàn)反對稱布置，固定臂與行走輪連接并沿導(dǎo)線行走，行走輪的一側(cè)安裝的夾爪裝置能夠用于護線，在夾爪裝置旁存在等電位輪能夠確保裝置與導(dǎo)線實現(xiàn)等電位。在機體兩側(cè)分別布置了作業(yè)臂，采用移動關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)串聯(lián)的方式構(gòu)成一種開放式運動鏈。

在作業(yè)臂中安裝螺母擰緊裝置，為使螺母擰緊裝置結(jié)構(gòu)簡單實現(xiàn)最大化扭轉(zhuǎn)力矩，應(yīng)當(dāng)采用渦輪渦桿傳動進行扭矩的輸出，同時這一裝置具有良好的自鎖效能，螺母擰緊電機減速器可以帶動渦輪渦桿傳動，進而可以使旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，能夠為松開和擰緊螺母提供必要的扭轉(zhuǎn)力矩，并帶動內(nèi)六角套筒實現(xiàn)微調(diào)操作。在螺母擰緊過程中，螺母被裹在前端內(nèi)六角套筒中，為實現(xiàn)螺母和套筒的良好對接，在旋轉(zhuǎn)軸和套筒間設(shè)計十字角完成連接，在十字鉸架中同時還設(shè)置了旋轉(zhuǎn)彈簧，能夠確保在不受力的情況下內(nèi)六角套筒可與旋轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)同軸。在旋轉(zhuǎn)軸中還設(shè)置移動彈簧，當(dāng)螺母與套筒前端接觸之后可以通過作業(yè)臂縱向移動進而壓縮移動彈簧，調(diào)節(jié)作業(yè)臂其他的關(guān)節(jié)位置使十字鉸能夠與螺母形成作用力，內(nèi)六角套筒與旋轉(zhuǎn)軸調(diào)整角度后，可實現(xiàn)與螺母對接，工作人員在平面上相互垂直的兩個攝像頭可用于螺母和套筒位置的觀察，進而可對作業(yè)臂各關(guān)節(jié)和螺母擰緊裝置進行調(diào)節(jié)，螺栓固定裝置安裝在另一個作業(yè)臂中，其結(jié)構(gòu)模型如上所示，該結(jié)構(gòu)是與螺母擰緊裝置十分類似的，但相對來看，這一裝置沒有電機和渦輪渦桿，傳動機構(gòu)只需帶有內(nèi)六角套筒固定，且能夠壓住螺栓頭限制轉(zhuǎn)動即可。

從螺母擰緊裝置末端性能上來看，螺栓擰緊作業(yè)末端主要是利用十字鉸，進而可以使內(nèi)六角套筒相對螺母具備位姿誤差補償能力，在本研究中需要對實現(xiàn)該補償功能十字鉸完成性能分析，能夠準(zhǔn)確分析螺母末端整體對于螺栓位姿誤差的動態(tài)響應(yīng)和相應(yīng)捕獲能力，進而可以使螺母作業(yè)末端實現(xiàn)高效運行。

從螺母裝置末端傳遞扭矩上來看，在螺母擰緊裝置實現(xiàn)未知的補償功能的十字鉸的機構(gòu)模型主要是單萬向鉸鏈機構(gòu)，當(dāng)垂直面與引流板存在夾角時，此時內(nèi)六角套筒移動角度能夠與螺母進行位置調(diào)節(jié)，使其完全被覆蓋。

2? 螺栓緊固裝置動力學(xué)分析

在實際作業(yè)過程中，該裝置需要根據(jù)螺栓的具體位置進行作業(yè)臂的調(diào)整，各關(guān)節(jié)電機始終處于運行狀態(tài)，這對于裝置通道系統(tǒng)來說提出較高要求，動力學(xué)分析是連桿關(guān)節(jié)參數(shù)與驅(qū)動輪的關(guān)系分析，通過對裝置反射動力學(xué)分析可得到關(guān)節(jié)驅(qū)動力，進而能夠為實現(xiàn)動態(tài)控制提供參考。

動力學(xué)建模。該裝置動力學(xué)建模使用的是牛頓，歐拉方法，kane方法以及旋量對偶數(shù)法等，其中Lagrange方法能夠構(gòu)建能量函數(shù)，通過能量建模無需求約束反作用力，能夠避免方程中不需要的內(nèi)力項，推導(dǎo)過程比較簡便，利用該方法可以推導(dǎo)裝置作業(yè)臂動力學(xué)模型，利用該方法構(gòu)建巡檢裝置動力學(xué)方程式，需要建立拉格朗日函數(shù)，該函數(shù)被定義為系統(tǒng)動能與位能之間差。根據(jù)系統(tǒng)動力學(xué)方程，拉格朗日方程如下所示。

在作業(yè)臂動力學(xué)仿真過程中，通過利用仿真功能模塊能夠?qū)υ撃Ｐ屯瓿煞抡娌僮?，比如我們可以設(shè)置end time為20s，步長為1000，完成仿真測試后檢測橫移關(guān)節(jié)，旋轉(zhuǎn)和伸縮，縱移關(guān)節(jié)，在整個運動中所受到的作用力矩和位移變化曲線，調(diào)用仿真處理模塊得出各關(guān)節(jié)作用力力矩與位姿變化關(guān)系。在驅(qū)動力作用，各個關(guān)節(jié)能夠按照預(yù)設(shè)軌跡確定運動關(guān)系到達最終的位置，比如對于橫向關(guān)節(jié)來說，在5s內(nèi)雖不會產(chǎn)生運動，但由于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運動會對其產(chǎn)生一定的耦合力，在前5s會受到作用力，并且出現(xiàn)對稱關(guān)系，通過進行仿真結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)多處關(guān)節(jié)驅(qū)動力距高于仿真實際檢測的力矩，滿足實際使用要求。

3? 結(jié)語

針對目前高壓輸電線路引流板在螺栓停工過程中的作業(yè)需求，在本研究中提出了螺栓螺栓緊固作業(yè)裝置結(jié)構(gòu)模型，并完成動力學(xué)分析。

參考文獻

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