輸電拉線自動除銹防護裝置的設計

王磊 胡昀 許建清 左源 余波明

摘 ?要：針對輸電拉線銹蝕缺陷的工程實際問題，通過設計和創(chuàng)新，研發(fā)一種拉線自動防銹蝕處理便捷裝置，包括裝置的原理方案設計;機構設計和主要模塊設計;虛擬樣機三維建模和裝配，從而提供一種操作簡便、成本低廉、實用有效的拉線自動防銹蝕處理裝置，防止拉線嚴重銹蝕而影響桿塔和輸電線路的安全運行，提升拉線運維機械化水平。

關鍵詞：輸電;拉線;除銹;方案設計;機構設計;三維建模

中圖分類號：TM726 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）01-0090-03

Abstract： In view of the practical engineering problems of wire drawing corrosion defects in transmission lines， a convenient device for automatic anti-corrosion treatment of wire drawing is developed through design and innovation， including principle scheme design， mechanism design and main module design. The three-dimensional modeling and assembly of the virtual prototype provides a wire drawing automatic anti-corrosion treatment device with simple operation， low cost， practical and effective， which can prevent the cable from serious corrosion and affect the safe operation of towers and transmission lines. improve the level of wire drawing operation and maintenance mechanization.

Keywords： transmission; cable drawing; rust removal; scheme design; mechanism design; three-dimensional modeling

引言

拉門塔是目前世界各國均已廣泛采用的一種輸電塔型。拉門塔受力的關鍵在于拉線，輸配電線路不可避免地要經(jīng)過一些酸雨嚴重、空氣濕度大、有腐蝕性氣體、陰雨多或者受環(huán)境污染的地段，這些不利的環(huán)境和自然因素，都給拉線造成較為嚴重的銹蝕現(xiàn)象，尤其是鍍鋅鋼鉸線拉線的銹蝕更甚，而拉線對桿塔的受力平衡起著關鍵性的作用，任何一根拉線遭到銹蝕破壞將嚴重影響桿塔的安全運行，嚴重時造成倒桿斷線，而導致停電的大事故，給電網(wǎng)及地方經(jīng)濟帶來經(jīng)濟損失。據(jù)統(tǒng)計每年工區(qū)運行線路有約300多根拉線銹蝕嚴重，需要花大量時間、人力和財力進行拉線更換。以往大多采用手工或簡易工具對拉線進行除銹和噴漆防護，但進度慢、勞動強度高、且銹塵和油漆對人體健康有影響。另外，也只能對低處的拉線銹蝕部分進行處理，除銹防護效果大打折扣，如果要對高處進行處理就要高空作業(yè)，給人身安全和線路安全都會帶來較大威脅。因此為了減輕拉線的運行維護工作量和運行費用，更重要的是保障線路安全運行，多送多供，就需要對拉線進行防銹蝕專門研究。由文獻檢索可知，目前尚未見用于拉線這種特殊用途線材的現(xiàn)場自動除銹設備的報道，因此本課題擬設計一種實用有效的拉線自動除銹防護裝置，將具有積極的實用意義和推廣價值。

1 技術要求及原理方案設計

根據(jù)YB/T 5004-2012《鍍鋅鋼絞線》規(guī)范，高壓和超高壓輸電線路架空線及桿塔用拉線推薦采用的是鍍鋅鋼絞線，斷面結(jié)構共12種尺寸規(guī)格，公稱直徑范圍：7.8-17.5mm，安裝傾斜角45度。研發(fā)針對在多規(guī)格尺寸、大傾角和細長型的拉線上進行自動除銹防護噴漆的裝置，目前還沒有現(xiàn)成的方案和產(chǎn)品可供借鑒和參考，另外還要考慮輸電線路野外現(xiàn)場作業(yè)條件和環(huán)境的限制，要成功開發(fā)一種便攜實用的拉線防銹蝕處理裝置，還需要充分考慮拉線的結(jié)構特點、應用場合及期望實現(xiàn)的各種功能。

考慮到輸電線路野外現(xiàn)場作業(yè)條件和環(huán)境的限制，結(jié)合拉線的結(jié)構特點和應用場合，確定裝置的功能技術要求為：（1）可對尺寸規(guī)格在8-18mm范圍的拉線進行銹蝕清除;（2）

具有足夠的空間和負載能力，可模塊化搭載相應除銹和刷漆裝置;（3）保證裝置可以沿拉線運動，除銹時的速度達到450米/小時，續(xù)航時間2小時;（4）具有較小的質(zhì)量和體積，單機重量小于10千克，便于攜帶和投送。

由于拉線一端與地基固定，一端與輸電桿塔上部固定，因此設計的裝置只能從拉線中間投放，另外考慮拉線為細長型線材，為了有效除銹和在拉線表面涂裝防銹漆，通過調(diào)研，確定裝置的工作原理為：首先利用驅(qū)動電機驅(qū)動行走輪在拉線上行走，帶動整個裝置在線上爬升，并在裝置上搭載模塊化的除銹和刷漆防護盒，使得盒內(nèi)的內(nèi)繞型鋼絲刷和油漆刷在拉線表面刷過，依靠刷子與拉線表面的摩擦力來除去銹跡，在回程過程中同時還可以起到清掃和涂刷油漆的作用。根據(jù)以上工作原理，該裝置主要由驅(qū)動電機、行走機構、壓緊機構、除銹模塊、刷漆模塊、電源和控制模塊等組成。

2 主要機構和模塊設計

2.1 行走機構設計

行走機構由行走輪、行走輪軸、驅(qū)動電機、支撐軸承、聯(lián)軸器等組成。為防止單個行走輪打滑對裝置的運動造成影響，行走驅(qū)動采用雙電機雙輪驅(qū)動，利用前后兩個行走輪將裝置懸掛在拉線上，驅(qū)動行走輪的電機兩邊各分布一個，以此來增加穩(wěn)定性。

行走輪形狀如圖1所示，外徑70mm，內(nèi)徑12mm，輪寬40mm，槽深9mm。行走輪采用“U”型凹槽回轉(zhuǎn)結(jié)構，能增加行走輪與拉線接觸面積，使之能夠與拉線外形貼合，并且凹槽內(nèi)徑設計成20mm，當整個裝置在拉線上行駛時，行走輪凹槽能將拉線包覆，因此采用同一行走輪就能夠適應8至18mm直徑范圍內(nèi)的拉線直徑，此外，行走輪主體選用尼龍材料，內(nèi)凹處粘有人字形橡膠或者做滾花槽，可以增加與拉線之間摩擦力，防止打滑。為了使行走輪運轉(zhuǎn)靈活，行走輪內(nèi)配裝有6901雙軸承，行走輪安裝在行走輪軸上，行走輪軸與驅(qū)動電機的輸出軸通過高彈性繞線聯(lián)軸器相連，使得電機驅(qū)動行走輪轉(zhuǎn)動，從而帶動整個裝置沿拉線前進，通過驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)裝置在線上的上行和下滑行走[1]。

2.2 驅(qū)動電機選擇

考慮到野外輸電拉線除銹作業(yè)沒有現(xiàn)成的電源，因此驅(qū)動電機選用直流電動機，直流電動機具有良好的啟動、制動性能，可以在較寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)速，而且直接可以通過電池供電，適用于戶外除銹作業(yè)。

拉線材質(zhì)為鍍鋅鋼絞線，行走輪采用高分子尼龍橡膠材料，查《機械設計通用手冊》[2]，得到主動輪與高壓電線之間的摩擦系數(shù)f=0.4，又設裝置總重量為m=10kg，拉線安裝傾角為θ=45°。因此，根據(jù)裝置的爬坡動力學原理進行分析[3]，電機所需驅(qū)動力應為：

帶入相關數(shù)據(jù)計算可得驅(qū)動電機所需的功率為17.8W，根據(jù)以上計算得到的所需電機功率，同時為盡量縮小車體的體積，考慮低速行走的要求，因此采用雙電機雙輪驅(qū)動的方式，選擇直接帶有減速器的直流無刷電機兩個，型號為：XD-WS37GB3525，工作電壓24V，負載電流0.6A，功率：10W，空載轉(zhuǎn)速50r/min，負載轉(zhuǎn)速：45r/min，可正反轉(zhuǎn)。

2.3 壓緊機構設計

機器掛接到拉線上后，為了增加行走輪與拉線之間的摩擦力，防止機器從線上掉落，確保機器行走的安全，還需要設計壓緊機構。在兩行走輪之間設置兩個壓緊輪，通過壓緊輪提供足夠的壓緊力來實現(xiàn)行走輪與線纜之前的充分貼合及預緊力。壓緊輪的輪槽形狀和尺寸與行走輪相同，也采用超耐磨材料，從拉線下方裝入，與拉線下表面貼合。為了防止行走輪與壓緊輪發(fā)生干涉，壓緊輪與行走輪錯開布置。壓緊輪安裝在壓緊軸上，壓緊軸的兩端用軸承座支撐，左端軸承座與下?lián)醢骞踢B，下?lián)醢逋ㄟ^鉸鏈活頁與上擋板連接，因此壓緊軸可以在安裝時偏轉(zhuǎn)一定角度，從拉線下方裝入，待安裝到位后，右軸承座通過彈簧鎖扣與上擋板相連，從而使壓緊輪安裝到位，實現(xiàn)閉鎖，完成閉鎖后機器人將無法掉落，結(jié)構如圖2所示。當需要從拉線上取下機器時，只需按開彈簧鎖扣即可，拆裝簡單快捷。

2.4 除銹和刷漆模塊設計

金屬表面的除銹方法有多種，除去人工除銹外，通常分為機械打磨除銹法、化學除銹法和噴射除銹法[4]，但上述目前常用的除銹方法存在工作條件惡劣，容易對旁邊的器件造成損傷和污染，而且由于設備體積和重量龐大，無法進入狹窄空間，因此不適用于戶外輸電線路拉線的除銹。對于拉線這樣的細長線材，可以采用機械式除銹代替化學酸洗除銹，即利用拉線與除銹刷之間的滑動摩擦原理來進行除銹，具有成本低、操作方便、環(huán)境污染小等優(yōu)點。

除銹部分的關鍵部件為鋼絲刷，為了方便在拉線上安裝和拆卸，鋼絲刷采用兩個半圓形內(nèi)繞鋼絲刷組合，兩半鋼絲刷分別放置在除銹盒的隔層中。除銹盒也由兩半組成，一邊通過活頁鉸鏈相連，另一邊用彈簧扣鎖緊，結(jié)構如圖3所示。當除銹盒合上后，兩半鋼絲刷正好壓緊在拉線表面，當機器沿線上行走時，沿拉線運動的鋼絲刷與拉線表面產(chǎn)生摩擦，就可以刷除拉線表面的銹跡，同時也可對除銹后的拉線表面進行清掃。另外，鋼絲刷與拉線表面的距離必須適當，距離太近相互壓力大，磨損嚴重;距離太遠相互接觸不好，除銹效果差，針對此問題，可以通過調(diào)節(jié)除銹盒內(nèi)的除銹刷尺寸和除銹盒的位置來實現(xiàn)。該除銹盒還可以改裝成刷漆盒，即在上半盒內(nèi)儲存油漆，油漆通過上半盒下表面的滴漏裝置滴在拉線的表面，下半盒內(nèi)安裝油漆排刷，當裝置在線上運行時，可以實現(xiàn)拉線表面油漆的涂刷。

2.5 電源及控制模塊

考慮到戶外使用場合，采用兩個24V的鋰電池為兩個直流電機提供電能。鋰電池的型號為18650-24V3ah，品牌為祺索，鋰電池的外形尺寸為72×55×27mm（長×寬×高）。鋰電池安裝固定在整個裝置下部的控制箱中，控制箱內(nèi)部還安裝有遠程控制模塊。

由于拉線細長，懸掛在上面的設備不可避免會出現(xiàn)晃動、不穩(wěn)定甚至掉落的情況，為了解決此問題，本裝置選擇兩側(cè)對稱結(jié)構，其兩側(cè)下方設計有控制箱，箱內(nèi)分別掛有相對較重的鋰電池，使得整個裝置的重心偏下。

為了方便投放和回收，整個機器的工作過程采用無線遙控方式。驅(qū)動電機的正、反轉(zhuǎn)、啟動和停止采用繼電器和限位開關來控制。為了保障回收電量的要求，在機器上設置電源檢測模塊，當達到作業(yè)最低電量時將促發(fā)預警裝置，確保裝置能“收放自如”。

2.6 主要零部件的材料選擇

為了盡量減輕整個機器的重量，實現(xiàn)輕量化且便于攜帶，在滿足使用要求的前提下，在材料的選型上主要采用質(zhì)輕的材料，大部分機械結(jié)構采用的ABS塑料件，承載框架采用鋁合金，質(zhì)輕且有優(yōu)良的力學性能，可以很好的適應野外的各種惡劣氣候。行走輪軸和壓緊輪軸作為主要支撐結(jié)構，也作為車輪行走的扭矩傳動機構，則采用合金鋼材料[5]。另外，涉及的螺紋連接件和軸系零部件，如軸承和聯(lián)軸器等均選用標準件，方便裝配和維護，減輕整個裝置的制造成本。

3 三維建模及裝配

對提出的系統(tǒng)方案進行技術設計，對關鍵受力部位進行受力分析、尺寸計算和結(jié)構設計，根據(jù)國家標準進行相關零部件的選型，對關鍵零部件進行計算和校核，然后進行整個裝置的整體布局設計，在支架上合理布置各功能模塊，同時考慮加工和安裝的要求，根據(jù)設計尺寸進行零部件的三維實體建模和裝配，最后得到整個裝置的虛擬樣機模型如圖4所示。

4 結(jié)束語

通過設計和創(chuàng)新，得到了一種方便投放、操作簡便、成本低廉、可不停電和適用性較強的拉線除銹防護設備，可以替代人工完成拉線的除銹防護，提高拉線除銹防護的工作效率，減輕巡線運維工作量，降低運維成本，提升運維機械化水平，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1]張屹，邵威.高壓輸電線路除冰機器人的機構設計[J].三峽大學學報（自然科學版），2008，30（6）：69-72.

[2]張展.機械設計通用手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2017.

[3]岳湘，王洪光，張成巍，等.110kV輸電線路巡檢機器人爬坡性能分析[J].機械設計與制造，2017（3）：56-59.

[4]杜雨軒.鋼絲刷徑向可調(diào)除銹機設計與研究[J].金屬制品，2014，40（2）：38-40.

[5]濮良貴，陳國定，吳立言.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2013.