配電線路絕緣包裹機器人機械本體結(jié)構(gòu)研究

夏文超，魯彩江,高宏力，王 雨

（1.西南交通大學機械工程學院，四川 成都610031；2.西南交通大學先進驅(qū)動節(jié)能技術(shù)教育部工程研究中心，四川 成都610031）

1 引言

目前城鄉(xiāng)結(jié)合部和農(nóng)村配電架空輸電線路70%以上還是裸導線，每當刮風下雨樹障致使配電線路頻繁跳閘，尤其是臨近房屋、樹木、魚塘等區(qū)域，更是配網(wǎng)跳閘和人員觸電死亡的重災區(qū)，嚴重影響了供電效益，產(chǎn)生了不良的影響。面對此類問題，傳統(tǒng)解決辦法是在停電的情況下，人工懸掛在高壓線路上對裸露導線進行包裹［1-4］。如圖1所示，a是用于絕緣包裹的絕緣皮；b是傳統(tǒng)的人工包裹方法。從圖中可以看出，人工安裝絕緣皮存在安全隱患，工作效率低。

圖1 輸電線絕緣皮的外觀及傳統(tǒng)絕緣改造方法Fig.1 Appearance of Cable Insulation Cover and Traditional Insulation Modification Method

此次研究的目的在于設(shè)計與開發(fā)一款架空裸露導線絕緣包裹機器人，在架空裸露導線通電情況下實現(xiàn)自動包裹。國內(nèi)外近兩年開始著手于架空配電線路絕緣化改造項目的研究。2017年，華北電力大學研制了一款10kV架空線絕緣修復機器人，能對絕緣導線破損處實施包裹新的絕緣皮、完成線路修復。但機器不能完成對裸露導線的絕緣改造工作［5］；2018年2月，新加坡施普林格天然氣私人有限公司開發(fā)了一款高壓輸電絕緣機器人，通過橡膠輪驅(qū)動圓盤旋轉(zhuǎn)將電工膠布包裹在導線上［6］。該機器結(jié)構(gòu)簡單，但用電工膠布包裹的方法可靠性差，需要人工上線安裝并放置初始位置，不能帶電操作。

為了解決架空裸露導線存在的問題，設(shè)計了一款架空裸露導線絕緣包裹機器人，機器人能對架空裸露導線有效包裹，實現(xiàn)自動化運行與帶電操作。

2 機械系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)

絕緣包裹機器人結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2 絕緣包裹機器人總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall Structure of Cable Wrapping Robot

機器人主體為框架結(jié)構(gòu)，機架上設(shè)有送料機構(gòu)及用于機器人在導線上移動的行走機構(gòu)；機架底面設(shè)有供線纜進入的開口；機架底層的橫梁上固定安裝升降機構(gòu)，升降機構(gòu)上安裝有位于行走機構(gòu)之間、用于將絕緣皮扣合在線纜上的扣合機構(gòu)；鄰近送料機構(gòu)的行走機構(gòu)前輪與扣合機構(gòu)間的縱梁上安裝有進料支撐機構(gòu)［7］。

2.2 進料支撐與行走機構(gòu)

進料支撐機構(gòu)示意圖，如圖3所示，舵機通過聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)軸連接，夾爪固連在轉(zhuǎn)軸上，通過齒輪嚙合實現(xiàn)兩個夾爪反向轉(zhuǎn)動，舵機能有效的控制夾爪張合角度。在機器人上線前，將絕緣皮放置在夾爪卡槽內(nèi)，夾爪的卡槽能卡住絕緣皮起到支撐作用。上線前夾爪張開，導線由夾爪空隙進入；上線后通過舵機帶動夾爪閉合使絕緣皮進入包裹準備狀態(tài)。

圖3 進料支撐機構(gòu)Fig.3 Feeding Support Mechanism

機器人在線上的行走由行走機構(gòu)驅(qū)動，如圖4所示，兩個行走輪各由一個無刷直流減速電機驅(qū)動，電機安裝在縱梁上，電機輸出軸與轉(zhuǎn)軸孔通過緊固螺釘相連，轉(zhuǎn)軸另一端安裝在軸承上。行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、傳動平穩(wěn)、維護更換方便。行走輪采用V型輪式結(jié)構(gòu)。V型輪能夠適應一定范圍內(nèi)的不同線徑，采用PVC材料并做表面粗糙處理以增大V型輪與線路之間的摩擦，在遇到線路爬坡情況下可以避免打滑現(xiàn)象［8-10］。

圖4 行走機構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Walking Mechanism

2.3 進料機構(gòu)

絕緣層自然狀態(tài)下是彎曲的，必須壓平方便進料，輪子夾緊絕緣層依靠靜摩擦力實現(xiàn)連續(xù)的送料。進料機構(gòu)及工作時的截面示意圖，如圖5所示，電機輸出的動力通過同步帶傳輸?shù)街鲃铀土陷?，主動送料輪與從動送料輪通過齒輪進行傳動。從動送料輪設(shè)計成帶擋邊的圓柱體，擋邊之間的距離等于絕緣層內(nèi)圓周長，即等于絕緣層壓平狀態(tài)下兩邊的距離，從而絕緣層的左右位置被固定；主動輪的寬度等于絕緣層壓平狀態(tài)卡扣處突起間的距離，主動輪與從動輪的配合進一步消除了絕緣層的偏移的可能［11］。

圖5 進料機構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Feeding Mechanism

2.4 升降與扣合機構(gòu)

升降機構(gòu)由兩個步進電機驅(qū)動，電機安裝在機器的前后兩端，扣合機構(gòu)的中心位于兩個步進電機中心位置，通過絲杠將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動帶動扣合機構(gòu)升降。在機器人上線包裹之前，升降臺處在底端，為機器人的上線留出空隙，當機器人被送上電線后抬升升降臺使其與夾爪中的絕緣皮同高，使得絕緣皮能夠進入其中實現(xiàn)包裹。

開口狀態(tài)的絕緣皮通過扣合器機構(gòu)后變?yōu)榭酆蠣顟B(tài)，其上的夾緊輪左右兩排對稱分布且反向轉(zhuǎn)動，各對夾緊輪從入口處至出口處間距一次依次減小，擠壓絕緣皮扣合并輔助絕緣皮移動；傳動采用同步帶的方式，其傳動平穩(wěn)，有一定的緩沖和吸振能力，機構(gòu)簡單，維護方便［12］。夾緊輪凹槽與絕緣皮形狀適配，保證夾緊過程絕緣皮不會從扣合器上脫落且能正確扣合。

圖6 扣合機構(gòu)及扣合原理示意圖Fig.6 Fastening Mechanism and Principle Diagram of Fastening

2.5 爬坡分析

絕緣包裹機器人線上行走時，行走輪與導線并不直接接觸，行走輪壓在絕緣皮上，絕緣皮包裹了裸露導線。為了使機器人上、下坡時有足夠的牽引力和制動力，在線上行走不打滑，行走輪和絕緣皮之間要有足夠的摩擦。機器人的重力作用使得兩個行走輪之間的導線近似一條直線。機器人設(shè)計最大爬坡角度為15°，機器人行走受力分析圖，如圖7所示。

圖7 機器人行走受力分析簡圖Fig.7 Robot Walking Force Analysis Diagram

由圖7可知

整理得

當導線傾角θ=15°時，

由上述分析可知，絕緣皮與絕緣包裹機器人行走輪之間的動摩擦因數(shù)大于0.27時，機器人上、下坡時有足夠的牽引力和制動力。

2.6 工作流程

絕緣包裹機器人的工作流程大體分為三個階段：包裹準備階段、包裹階段、包裹結(jié)束階段。準備階段需要各個機構(gòu)運動到初始位置，將絕緣皮經(jīng)機架頂部的導向機構(gòu)引入送料機構(gòu)，經(jīng)行走機構(gòu)后卡入進料支撐機構(gòu)內(nèi)；工人使用絕緣支撐桿支撐包裹機器人完成機器人的上線、下線。包裹機器人詳細工作流程圖，如圖8所示。

圖8 機器人工作流程圖Fig.8 Robot Flow

3 實驗結(jié)果

經(jīng)樣機制作與現(xiàn)場試驗，總結(jié)絕緣包裹機器人的主要技術(shù)指標，如表1所示。

表1 技術(shù)指標Tab.1 Technical Index

針對包裹機器人的包裹效率和爬坡能力，在模擬線路和實際線路上做了大量實驗，實驗結(jié)果表明，采用雙輪驅(qū)動方式為機器人提供了足夠的驅(qū)動力，行走輪與絕緣皮動摩擦系數(shù)為0.48大于0.27，最大爬坡角度超過設(shè)計要求最大角度15°；驅(qū)動輪采用V型結(jié)構(gòu)能夠適應不同的線徑；絕緣皮能夠與扣合機構(gòu)適配實現(xiàn)為裸導線包裹的功能；各機構(gòu)電機轉(zhuǎn)速之間保持一定的線性關(guān)系實現(xiàn)機器人以5m/min的速度包裹；機器人整機的重心配在下方懸掛的填料盒中，有效避免了機器人在遇到大風情況下傾覆脫線的發(fā)生。

實驗表明，機器人運行正常，具備較好的包裹能力。為機器人樣機、驗測試及實驗結(jié)果圖，如圖9（a～d）所示。

圖9 機器人實物、實驗測試及實驗結(jié)果Fig.9 Real Robot、Experimental Test and Results

4 結(jié)論

本研究提出一款配電線路絕緣包裹機器人，用于覆蓋裸露導線。該機器人結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，與現(xiàn)有的電力機器人相比更具有應用價值。機器人具有以下功能：（1）實現(xiàn)包裹裸露導線；（2）包裹故障的絕緣導線，如熔化的電線和腐蝕。實驗表明，所開發(fā)的機器人系統(tǒng)是一款有效的配電線路絕緣包裹裝置。本文的主要貢獻在于：（1）設(shè)計了一個用于架空配電線路絕緣包裹的輪式移動機器人；（2）提出了一種架空導線包裹的新思路；（3）開發(fā)了實驗室規(guī)模的工作樣機。