一種新型除冰刀的構想與結構設計

梁顯濤 廖梓杰 林俞先 李 謹

(天津農學院工程技術學院，天津 300384)

高壓輸電線路覆冰災害一直困擾我國的電力部門。2008年初，廣西、浙江、湖南、湖北、云南、江西、貴州等13個省市遭到了十分嚴重的冰雪凍雨凝凍災害，南方電網(wǎng)、國家電網(wǎng)直接經(jīng)濟損失分別達到了150億元和104.5億元[1]。因此，減少高壓線覆冰，保障電力輸送安全可靠高效的措施刻不容緩。

高壓線上的覆冰和積雪會使得其電氣和機械性能急劇下降，比如引起絕緣子覆冰閃絡、導線舞動線、導地線斷裂、電力通信中斷和倒塔等多種嚴重的事故。近年來，全球氣候變暖影響越來越大，天氣變化反復無常，因電線覆冰引發(fā)的事故也越來越頻繁，冰災對高壓輸電線路安全的影響更加顯著，因此，如何清除高壓電線的覆冰具有重要意義[2]。

高壓線在通電的情況下，由于電線本身就有電阻的特性，它會發(fā)出熱量，雖然這個熱量很小，但是對于融化一枚雪花還是能做到的，融化了的雪花會變成水，粘在高壓線上。在下雪極大的情況下，高壓線發(fā)出的熱量，不足以把掛在它身上的雪花全部融化，而是把開始的雪花融化成了水，后邊的只能融化成冰，最后邊是冰上掛著一層雪，高壓線還在持續(xù)發(fā)出熱量，就這樣的循環(huán)，使電線外邊的冰雪會越積越多，電線也會變得越來越粗。高壓線上的冰雪結冰到一定的程度，危害很大，輕的電線壓彎，重的電線壓斷，或電線桿折斷。

隨著科學的進步，人們生活水平的提高。一些以前需要人力來完成的工作可以靠機器來完成，同樣，一些高危的工作同樣可以由機器人來代替?，F(xiàn)在機械設備的發(fā)展十分迅速，功能不斷增多的同時，能操作的工作也越來越復雜。因此本研究在結合以上不足后決定制作一個改良的除冰裝置。本裝置在制作初期也查閱了許多資料，才有了制作這個裝置的雛形。首先除冰裝置是基于一個巡檢裝置上設計的，該裝置可以在高壓沿線上來回走動，檢測是否發(fā)生漏電或有雜物的情況，還可以實時監(jiān)控附近的天氣情況，做出預警和反饋；其次，除冰部分是可拆卸的部分，根據(jù)不同的情況可進行拆裝，而且與一般的除冰設備不同的是本裝置采用了除冰刀來除冰，通過高速旋轉的除冰刀來破除冰雪，保證沿線沒有結冰覆蓋；還采用了可移動充電樁來保證其電量充足，充電樁采用太陽能充電，不用人工頻繁地給其輸送電能，這樣能保證裝置的實用性和提高可行性。

除冰刀的設計靈感來源于豆?jié){機的刀片，通過刀片的高速旋轉來破開附在電線上的冰塊，使其掉落；該方法簡單有效，配合巡檢機器人十分方便；為了與巡檢部分的造型功能相符合，本研究針對此來設計一種特制的除冰刀：該除冰刀有4片刀片，刀口呈鋸齒狀、刀尖略向上彎曲，中間中空，呈圓環(huán)狀，可以使高壓線通過；由于除冰刀是需要拆卸的，故將其分成相等的2部分，并在分開處兩邊各加上一個凸起的半圓和凹陷的半圓(如圖10)，使其在安裝時能夠互相契合，固定位置。除冰刀的“圓環(huán)”往后延伸，中間設計一條凹槽是為了將固定將除冰刀固定在除冰設備上，前半部分在設備外部，后半部分在內部，并且做了一個設計，將一部分曲面改為平面，樣可以將兩半的除冰刀卡住，并起到固定的作用。將兩半除冰刀固定可以用一個齒輪將其固定，齒輪是特制的與除冰刀結構相契合的，齒輪在設備內部與電機相連，為除冰刀提供動力支持。

為了確保除冰刀的高效運行，需計算出除冰刀的切削力，從而選定適合的材料制作除冰刀[3]。按照預期實現(xiàn)的功能，預期破冰前進速度為1m/min，破冰的厚度為30mm，4片刀片每片的與冰的接觸面積為66mm2，厚度為5mm。假設除冰刀工作環(huán)境溫度為-10℃，則覆冰的抗拉強度δb=1.5MPa，抗剪強度τb=δb/1.64=0.92MPa。

當?shù)镀脖慕佑|面積達到最大時，每個刀片的切割面積為15mm2。此時單塊刀片對覆冰的剪切力為Fτ=τbAτ=0.92*106*5*10-6=13.8N，總剪切力為Fτ總=Fτ*4=4.6*4=55.2N。

當除冰刀切割覆冰時每個刀片對冰的擠壓力為：Fδ=δbAδ=1.5*106*66*10-6=99N，總的擠壓力為Fδ總=4Fδ=4*9.9=396N。

為了保證除冰裝置的動力、對其進行精準的控制，應采用步進電機對其進行控制。步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移或線位移的電動機。每輸入一個脈沖信號，轉子就轉動一個角度或前進一步；作為一種控制用的特種電機，步進電機無法直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅動電源：因此除冰刀采用DRV8825芯片作為步進電機的驅動芯片。該芯片為除冰裝置的自動化提供了一個電機驅動的方案。其的內部輸出驅動模塊最高速可達三十二分之一微步，輸出電壓為12伏，其工作狀態(tài)的峰值電壓在25℃的時候達到2.5A。200mΩ的電阻通過ISENA/ISENB兩個引腳來保證該芯片具有良好耐熱性，可以保證芯片使用時的穩(wěn)定。該芯片還具有專門的休眠模式，通過nSLEEP引腳來設置，該模式可以讓芯片盡可能地處于低能耗的狀態(tài)，由于除冰部分并不是經(jīng)常使用，因此此功能能減輕電源帶來的負擔。同時該芯片內部還能通過nFAULT引腳來實現(xiàn)實時監(jiān)控芯片的狀態(tài)，為芯片提供短路保護、過流保護、過溫保護以及欠壓鎖定等，進而保護電機與芯片[4]。