可移動(dòng)式輸電線路變檔距實(shí)驗(yàn)平臺(tái)行駛特性研究

張 棟 張宏煜 方子帆,3 傅志浩 劉 進(jìn)

（1.佛山電力設(shè)計(jì)院有限公司, 廣東 佛山 528000；2.三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院, 湖北 宜昌 443002；3.三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 宜昌 443002）

隨著日常生產(chǎn)對(duì)供電可靠性要求的提高,帶電作業(yè)技術(shù)在電力系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)及管理中的地位越來越重要.然而,目前大多數(shù)企業(yè)對(duì)帶電作業(yè)技能培訓(xùn)以及技術(shù)創(chuàng)新的資源投入有限,不能滿足日后帶電作業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展要求,不利于帶電作業(yè)專業(yè)技能的整體發(fā)展[1-2].因此,針對(duì)不同桿塔確定檔距與呼高尤為重要[3].本文設(shè)計(jì)的輸電線路變檔距實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一種將軌道車輛和輸電桿塔有效結(jié)合后形成的新型電力試驗(yàn)設(shè)備.為貼合實(shí)際工程需要,軌道車采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式,即電機(jī)安裝在傳動(dòng)軸中間,通過傳動(dòng)軸進(jìn)行力矩的傳輸,結(jié)構(gòu)上可以實(shí)現(xiàn)小型緊湊化、合理簡單化,能夠有效實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的即停即啟.

研究軌行式移動(dòng)平臺(tái)諸多的行駛性能時(shí),移動(dòng)平臺(tái)動(dòng)力學(xué)研究對(duì)象的建模、分析與求解始終是一個(gè)關(guān)鍵性問題.移動(dòng)平臺(tái)本身是一個(gè)復(fù)雜的多體系統(tǒng),外界載荷的作用更加復(fù)雜[4-5].研究的主要阻礙之一在于無法有效地處理復(fù)雜受力下多自由度分析模型的建立和求解問題[6].

計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,使得處理復(fù)雜問題的能力產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍.可視化多體動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS可以避免建立繁雜的系統(tǒng)微分方程,具有快速建模及仿真分析能力,通過此軟件可對(duì)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行有效的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析[7-8].

1 平臺(tái)功能與組成

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方式通常包括自驅(qū)式和牽引式.在實(shí)際使用工況中,平臺(tái)的行駛距離要求為50 m.采用卷揚(yáng)機(jī)牽引驅(qū)動(dòng)時(shí),牽引繩索的拖曳會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)平臺(tái)的啟動(dòng)及制動(dòng)存在延時(shí),極大地影響到平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制和安全性.而采用電機(jī)自驅(qū)式能夠很好地實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的即停即啟,從而實(shí)現(xiàn)檔距變換.

輸電線路變檔距實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為配網(wǎng)帶電作業(yè)技術(shù)的新方法、新工器具提供配套的實(shí)踐驗(yàn)證場所,滿足檔距變換、桿型變換、安全可靠等功能和需求.

為滿足實(shí)際工況要求,軌行式移動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需保證運(yùn)行平穩(wěn),滿足可變檔、變桿型的要求.移動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括輸電桿、車體和軌道3部分,且輸電桿與車體二者之間采用螺栓緊固連接.車體結(jié)構(gòu)由車架、承壓板、電機(jī)、減速器、傳動(dòng)軸以及車輪組成,可移動(dòng)式輸電線路變檔距實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)功能如圖1所示,具體結(jié)構(gòu)組成如圖2所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)功能圖

2 平臺(tái)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 軸距與輪距設(shè)計(jì)

考慮到場地、環(huán)境、施工以及經(jīng)濟(jì)性,整個(gè)平臺(tái)小車的設(shè)計(jì)控制在2.5 m×2.5 m 的范圍之內(nèi).軸距越短,平臺(tái)小車的抗風(fēng)側(cè)傾能力降低,平臺(tái)小車的制動(dòng)性能和操縱穩(wěn)定性能會(huì)降低,還會(huì)給傳動(dòng)裝置的布置帶來問題且容易發(fā)生倒塔和坍塌現(xiàn)象.因此選擇前軸軸距和后軸軸距為2 m,不僅滿足環(huán)境施工條件,同時(shí)也可以防止整個(gè)平臺(tái)的抗傾翻等問題.輪距的大小與平臺(tái)小車的結(jié)構(gòu)與布置有關(guān),前后輪距取決于整個(gè)平臺(tái)的寬度以及平臺(tái)與滑軌之間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有運(yùn)動(dòng)間隙且不發(fā)生干涉,因此選擇前后輪距為2 m.

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

整個(gè)平臺(tái)小車的傳動(dòng)裝置采用的是二級(jí)圓柱齒輪減速器,如圖3所示.該方案結(jié)構(gòu)尺寸小,傳動(dòng)效率高,適用于在較差的工作環(huán)境下長期工作.選擇的電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,由電動(dòng)機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速nm和車輪的轉(zhuǎn)速nw,可確定整個(gè)傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比,即:

⑩測量尺寸，調(diào)整“X磨損”的余量，再編輯程序，在G71之前加“；”，之后用1號(hào)刀精車一遍,最后用切斷刀加工Φ19.5的槽，再加工R2的圓弧。

圖3 二級(jí)圓柱齒輪減速器

在多級(jí)減速的傳動(dòng)裝置中,其總傳動(dòng)比為各級(jí)傳動(dòng)比的連乘積,即:

計(jì)算出總傳動(dòng)比后,即可分配各級(jí)傳動(dòng)比.傳動(dòng)比的分配合理與否直接影響到傳動(dòng)裝置的外輪廓尺寸、質(zhì)量大小、潤滑條件以及整個(gè)平臺(tái)小車的工作能力等,所以合理分配傳動(dòng)比十分重要.依據(jù)設(shè)計(jì)手冊,選取的二級(jí)圓柱齒輪減速器,取

式中:i1、i2分別為高速級(jí)和低速級(jí)的傳動(dòng)比,i為總傳動(dòng)比.

2.3 平臺(tái)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

輸電線路變檔距實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)合了輸電線路工程和車輛工程.輸電桿和車體在直線工況下運(yùn)行時(shí),由于整體質(zhì)心高度升高,實(shí)際環(huán)境中存在風(fēng)阻,必須考慮其整體穩(wěn)定性,保證輸電平臺(tái)不會(huì)出現(xiàn)傾覆.移動(dòng)平臺(tái)受力情況如圖4所示.

圖4 移動(dòng)平臺(tái)受力圖

平臺(tái)受風(fēng)載和自重的作用,其抗傾覆穩(wěn)定性校核計(jì)算式為:

式中:M為彎矩；G1為車體自重；G2為輸電桿自重；L為車體輪間距；Mf為電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩；Fg為輸電桿所受風(fēng)壓；Fc為車體所受風(fēng)壓；I1為輸電桿慣性力；I2為車體的慣性力.

其中:

查表得相應(yīng)的桿塔風(fēng)力系數(shù)C1＝1.3；車體的風(fēng)力系數(shù)C2＝1.6；ρ為空氣密度,正常的干燥空氣可取1.293 g/L；A1為桿件的迎風(fēng)面積；A2為車的迎風(fēng)面積；v為物體與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度.

3 虛擬樣機(jī)仿真模型

ADAMS具有非常強(qiáng)的線性和非線性動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真功能,但是其建模模塊尚待優(yōu)化,尤其是對(duì)一些復(fù)雜的模型更顯遜色.所以,有必要利用其它三維軟件建立模型,并將其導(dǎo)入ADAMS中,將三維模型轉(zhuǎn)化為多體動(dòng)力系統(tǒng)模型以適應(yīng)ADAMS 環(huán)境.根據(jù)設(shè)計(jì)方案的實(shí)際參數(shù),利用Solid Works建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的三維實(shí)體模型,輸電線路變檔距實(shí)驗(yàn)平臺(tái)三維實(shí)體模型如圖5所示.

圖5 輸電線路變檔距實(shí)驗(yàn)平臺(tái)三維實(shí)體模型

由于對(duì)整車動(dòng)力學(xué)的分析沒有必要過多地關(guān)注車身之間結(jié)構(gòu)的互聯(lián),因此可以對(duì)車輛的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)某橄?、簡?對(duì)整車動(dòng)力學(xué)模型作出如下假設(shè)[9-11]:

1)主要考慮軌道移動(dòng)平臺(tái)是否能滿足設(shè)計(jì)要求的功能和穩(wěn)定性能,因此對(duì)影響這些研究性能的非主要因素可以進(jìn)行簡化,比如給傳動(dòng)軸一個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng),保證平臺(tái)能夠以設(shè)計(jì)速度在軌道上移動(dòng)；

2)在整車系統(tǒng)中,零件均認(rèn)為是剛體,在仿真分析過程中不考慮它們的變形；

3)不關(guān)注系統(tǒng)總成內(nèi)各部分零件,只關(guān)注總體屬性；

4)對(duì)于運(yùn)動(dòng)副的定位點(diǎn),取其實(shí)際受力點(diǎn),且忽略各運(yùn)動(dòng)副內(nèi)的摩擦力.

將三維實(shí)體模型進(jìn)行必要簡化,最終形成桿件、車體、車輪、軌道、地基4個(gè)組成部分,仿真構(gòu)件幾何形體的質(zhì)量、質(zhì)心位置、慣性矩等信息從零部件實(shí)體模型中提取.輸電線路變檔距實(shí)驗(yàn)平臺(tái)虛擬樣機(jī)模型如圖6所示,平臺(tái)整車的參數(shù)見表1.

圖6 輸電線路變檔距實(shí)驗(yàn)平臺(tái)虛擬樣機(jī)模型

表1 平臺(tái)整車的參數(shù)

為了使各個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部分形成有機(jī)的整體,根據(jù)構(gòu)件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng),在模型中利用ADAMS/view中的約束工具為各構(gòu)件之間引入約束,其中添加多個(gè)固定副及轉(zhuǎn)動(dòng)副,軌道移動(dòng)平臺(tái)車的主要約束見表2.

表2 軌道移動(dòng)平臺(tái)虛擬樣機(jī)主要約束

4 行駛特性分析

4.1 虛擬樣機(jī)仿真

為了評(píng)估軌行式移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中潛在的問題,對(duì)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真.觀察所設(shè)計(jì)的移動(dòng)平臺(tái)在仿真時(shí)行駛是否順利,在負(fù)載作用下以設(shè)計(jì)速度運(yùn)行時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)不平穩(wěn)、傾覆等狀況.

為模擬移動(dòng)平臺(tái)真實(shí)的行駛過程,在施加驅(qū)動(dòng)時(shí)結(jié)合STEP函數(shù)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)平臺(tái)在軌道上做出加速啟動(dòng)、平穩(wěn)運(yùn)行和減速停止等3 個(gè)動(dòng)作.其格式為STEP(x,begin,initial value,End,Final value).它用一個(gè)二次多項(xiàng)式構(gòu)造一個(gè)階躍函數(shù),其中x是獨(dú)立變量,(begin,initial value)決定起始點(diǎn),(End,Final value)決定終止點(diǎn).輸出移動(dòng)平臺(tái)沿軌道方向和垂直于軌道方向的位移和速度變化曲線,觀察移動(dòng)平臺(tái)的速度和位移曲線是否符合設(shè)定預(yù)期,以檢測移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)行是否順利.

由圖7可以看出,移動(dòng)平臺(tái)在平行軌道方向(Z軸向)上運(yùn)行良好,位移和速度曲線基本符合預(yù)期設(shè)定,實(shí)現(xiàn)了加速啟動(dòng)、勻速行駛、減速停車3個(gè)階段.這時(shí)的移動(dòng)平臺(tái)行駛速度約為18 m/min,符合預(yù)期設(shè)計(jì)時(shí)速5～20 m/min,保證了移動(dòng)平臺(tái)穩(wěn)定的行駛特性.

圖7 移動(dòng)平臺(tái)質(zhì)心平行軌道方向(Z 軸)位移和速度曲線

圖8主要反映了移動(dòng)平臺(tái)上輸電桿質(zhì)心垂直軌道方向(X軸向)的速度變化.可以看出,輸電桿在啟動(dòng)和停車階段速度震蕩幅度較大,中間平穩(wěn)運(yùn)行,符合預(yù)期,有輕微左右搖晃趨勢,但總體在可控安全范圍內(nèi).

圖8 輸電桿質(zhì)心垂直軌道方向(X 軸)速度曲線

考慮到輸電線路變檔距移動(dòng)平臺(tái)的實(shí)際工作環(huán)境存在風(fēng)載,移動(dòng)平臺(tái)在軌道上運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性受到影響,需要研究所受環(huán)境風(fēng)力下移動(dòng)平臺(tái)的橫向位移量.模擬運(yùn)行環(huán)境風(fēng)載條件為8級(jí)風(fēng)(v＝20 m/s),在仿真過程中添加固定風(fēng)載作用,得到輸電桿質(zhì)心橫向位移.

圖9主要反映了無風(fēng)載條件下輸電桿質(zhì)心垂直軌道方向(X軸向)的位移變化.可以看出,桿件并非筆直前行,在行駛過程中,只在啟動(dòng)和停車階段時(shí)垂直于軌道的位移出現(xiàn)較大往復(fù)變化,最大橫向偏移位移小于10 mm,勻速行駛階段總體平穩(wěn)安全,不會(huì)出現(xiàn)橫向傾覆.

圖9 無風(fēng)載條件下輸電桿質(zhì)心垂直軌道方向(X 軸)位移曲線

圖10主要反映了環(huán)境風(fēng)速輸電桿受風(fēng)載作用垂直軌道方向(X軸)的位移變化.總體趨勢與無風(fēng)載作用時(shí)相近,最大位移偏移量依舊出現(xiàn)在移動(dòng)平臺(tái)加速啟動(dòng)和減速制動(dòng)階段,這也說明在實(shí)際運(yùn)行過程中應(yīng)加強(qiáng)移動(dòng)平臺(tái)啟制動(dòng)階段的安全監(jiān)測.輸電桿質(zhì)心開始時(shí)X軸向位置為X＝—32.7 mm,勻速運(yùn)行階段輸電桿質(zhì)心始終在初始位置微弱震蕩,且偏移量較小并呈穩(wěn)定趨勢,移動(dòng)平臺(tái)總體運(yùn)行平穩(wěn)安全.

圖10 風(fēng)載條件下輸電桿質(zhì)心垂直軌道方向(X 軸)位移曲線

圖11與圖12分別反映了無風(fēng)載條件下和風(fēng)載條件下移動(dòng)平臺(tái)的4個(gè)車輪與軌道之間的法向接觸力的變化.

圖11 無風(fēng)載條件下移動(dòng)平臺(tái)輪軌間的法向接觸力

圖12 風(fēng)載條件下移動(dòng)平臺(tái)輪軌間的法向接觸力

在無風(fēng)載作用時(shí),迎風(fēng)側(cè)的輪軌法向接觸力(contact_2,contact_4)與背風(fēng)側(cè)的輪軌法向接觸力(contact_1,contact_3)兩者大致相等.在有風(fēng)載作用時(shí),迎風(fēng)側(cè)的輪軌法向接觸力與背風(fēng)側(cè)的輪軌法向接觸力兩者不等；背風(fēng)側(cè)接觸力大于迎風(fēng)側(cè)的接觸力,符合實(shí)際運(yùn)行情況.總體來看,不管是有風(fēng)載還是無風(fēng)載作用,車輪與軌道之間一直存在法向接觸力,表明輪軌接觸良好,不會(huì)出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象,進(jìn)一步驗(yàn)證了移動(dòng)平臺(tái)行駛特性良好.

4.2 物理樣機(jī)驗(yàn)證

根據(jù)上述設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),在指定場地完成了輸電線路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)物理樣機(jī)的搭建,如圖13所示.并根據(jù)現(xiàn)場工況進(jìn)行物理樣機(jī)的穩(wěn)定性試驗(yàn).

圖13 輸電線路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)物理樣機(jī)

經(jīng)實(shí)地測算,現(xiàn)場風(fēng)速為19.3 m/s,通過電氣柜控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)行進(jìn)速度為18 m/s,進(jìn)而測算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性,實(shí)驗(yàn)與仿真參數(shù)對(duì)比見表3.

表3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)穩(wěn)定性參數(shù)指標(biāo)對(duì)比

由數(shù)據(jù)分析可知,虛擬樣機(jī)仿真和物理樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果相差無幾,均滿足穩(wěn)定性要求.

5 結(jié) 論

根據(jù)輸電線路變檔距實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能需求,設(shè)計(jì)了可移動(dòng)軌行式平臺(tái),利用Solid Works軟件建立三維實(shí)體模型；基于虛擬樣機(jī)技術(shù),在ADAMS 環(huán)境下,建立了軌行式移動(dòng)平臺(tái)虛擬樣機(jī)模型,并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真.仿真結(jié)果顯示,移動(dòng)平臺(tái)在特定工況下的行駛穩(wěn)定性和安全性符合預(yù)期,驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性.虛擬樣機(jī)模型的建立能夠有效反映移動(dòng)平臺(tái)的行駛過程,可以方便、可視化地研究移動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,減少或部分代替物理樣機(jī)試驗(yàn),既縮短了移動(dòng)平臺(tái)的開發(fā)周期又降低開發(fā)成本,同時(shí)也能為參數(shù)優(yōu)化等后續(xù)研究提供依據(jù).輸電線路變檔距移動(dòng)平臺(tái)將輸電線路工程和車輛工程結(jié)合在一起,為帶電作業(yè)開辟了新的研究思路.