絕緣繩現(xiàn)場盤放裝置的研制與應(yīng)用

國網(wǎng)青海省發(fā)電公司西寧供電公司 王常明 樊昌軍 李 強 王 森

當輸電線路出現(xiàn)上述較小的故障進行檢修及處理時，為保證用戶的正常用電，通常會進行帶電消缺作業(yè)[1]。作業(yè)過程中一般會由操作人員進行帶電操作。為保證作業(yè)人員的安全，防止誤觸電等危險的發(fā)生，絕緣的作業(yè)工具及絕緣的保護工具是作業(yè)人員必備裝備。絕緣繩又是檢修作業(yè)的重要輔助工具。檢修人員在作業(yè)過程中通常需多條絕緣繩協(xié)助作業(yè)，尤其是在大跨距的電桿及電塔上工作時，需使用通徑φ16及以上的絕緣繩，且絕緣繩的長度會依據(jù)作業(yè)半徑而相應(yīng)調(diào)整[2]。

由于絕緣繩的重要作用是進行打結(jié)及施加拉伸力，因此絕緣繩的硬度較軟，多根絕緣繩同時作業(yè)過程中易于出現(xiàn)相互纏繞及打結(jié)等工況，這會造成施工人員不得不將絕緣繩事先盤好、以便作業(yè)過程中能夠順利的釋放絕緣繩，減少作用過程中由于多根繩子一起釋放發(fā)生的相互纏繞等問題造成的作業(yè)時間增長等問題[3]。

1 工作原理

針對φ16及以上通徑的絕緣繩釋放及盤收過程的作業(yè)方式，提出了研制一種應(yīng)用于作業(yè)現(xiàn)場盤放絕緣繩的電動式盤放裝置[4]。該裝置采用卷盤驅(qū)動裝置與驅(qū)動電機及控制裝置相連接，并且采用了自動排線結(jié)構(gòu)對絕緣繩進行有序排布，實現(xiàn)絕緣繩的自動有序盤放[5]。該方法在保證作業(yè)人員的安全的前提下，有效的提高了絕緣繩的盤放效率，且人力、物力、資源投入較小，工作效率高，能夠達到輸電線路安全檢修的目的。

該裝置的主要設(shè)計思路式通過驅(qū)動電機驅(qū)動變速箱旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過變速箱的降速增扭矩的轉(zhuǎn)換后輸出到卷盤驅(qū)動軸，卷盤驅(qū)動軸設(shè)計有手動及自動兩個切換齒輪，利用齒輪的切換將卷盤的動作分為電動驅(qū)動模式及手動式模式。在裝置的尾部設(shè)計有相應(yīng)的絕緣繩排布裝置，該裝置利用軸的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動絕緣繩能夠整齊的排布在卷筒上，從而實現(xiàn)對絕緣繩的順利盤放（圖1）。通過轉(zhuǎn)速控制器控制電機的旋轉(zhuǎn)速度，經(jīng)過減速機的扭矩轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化驅(qū)動卷盤驅(qū)動軸運動，從而提供絕緣繩盤放力矩。利用絕緣繩自動排繩裝置，實現(xiàn)對絕緣繩的整齊排放。

圖1 工作原理結(jié)構(gòu)框圖

絕緣繩現(xiàn)場盤放裝置是應(yīng)用于作業(yè)現(xiàn)場對絕緣繩進行有序盤放的裝置，該裝置中主要包括電源、轉(zhuǎn)速控制裝置、驅(qū)動電機、減速裝置、手動自動切換裝置、卷盤驅(qū)動裝置、手動驅(qū)動裝置以及自動排繩裝置組成。絕緣繩的自動盤放主要通過驅(qū)動電機完成，隨車電源提供電力，經(jīng)由轉(zhuǎn)速控制裝置進行轉(zhuǎn)速控制，進而控制驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)速度，旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)速決定了卷盤的旋轉(zhuǎn)速度。減速機直接與驅(qū)動電機相連接，驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)力經(jīng)過減速機的轉(zhuǎn)化作用，提高了輸出扭矩，降低了輸出速度，從而得到驅(qū)動卷盤旋轉(zhuǎn)的合理速度。

自動排繩裝置能夠根據(jù)卷盤的旋轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)位置，從而保證絕緣繩能夠整齊順利的排布在卷盤上。手動模式下，可以防備電源無電情況下對卷盤進行操作，實現(xiàn)對絕緣繩的順利收放。

2 方案設(shè)計

在充分分析輸電線路作業(yè)現(xiàn)場絕緣繩盤放的工況需求的基礎(chǔ)上，得到了主要要實現(xiàn)的目的為通過電控驅(qū)動的方式完成絕緣繩的電動盤放，從而降低作業(yè)人員的手動盤放作業(yè)需求，提高作業(yè)效率；另外在盤放過程中需要對絕緣繩的進行有效整理，以便絕緣繩能夠有序的盤卷在卷盤上，保證絕緣繩不會出現(xiàn)“打結(jié)現(xiàn)象”。在以上兩個工況需求下，分別對其電控系統(tǒng)、驅(qū)動方案以及排繩機構(gòu)等裝置進行了設(shè)計。

2.1 電控系統(tǒng)框圖

搭建的電氣控制系統(tǒng)框架如圖2，對電機的控制主要包括兩種模式，一種是在線模式，也就是直接通過控制器上面的旋鈕及按鈕對電機驅(qū)動器進行控制。另一種是遙控模式，通過遙控器發(fā)出指令到電機控制器上，然后電機控制器輸出相應(yīng)的控制信號給電機驅(qū)動器。電機驅(qū)動器由鋰離子蓄電池供電，并將供給的電能轉(zhuǎn)化成驅(qū)動電流提供給被驅(qū)動的電機，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速及扭矩的控制。驅(qū)動電機的控制器在應(yīng)用過程中可實現(xiàn)遙控功能，該遙控功能是利用遙控器對控制器發(fā)出指令，由控制器上安裝的通訊模塊進行接收，經(jīng)控制器對遙控信號處理后輸出到被控電機處，從而實現(xiàn)對被控電機的遙控。

圖2 電控系統(tǒng)框圖

在作業(yè)現(xiàn)場工作過程中，傳統(tǒng)工作模式下基本需要人對絕緣繩的長度進行估算，由經(jīng)驗得出絕緣繩的長度大概是多少。在此設(shè)計方案中設(shè)計有對絕緣繩長度的測量裝置，該測量裝置主要通過安裝在排繩機構(gòu)處的計米器完成。該計米器主要包括一個計量輪、計量用的高精度編碼器、以及電控數(shù)顯系統(tǒng)組成，計量輪與排繩機構(gòu)的滾筒相接觸，當滾筒旋轉(zhuǎn)時帶動計量輪旋轉(zhuǎn)，從而編碼器跟隨轉(zhuǎn)動，輸出脈動信號供給電控數(shù)顯器。電控數(shù)顯系統(tǒng)主要是計算從編碼器輸出的脈沖信號并對其進行處理，計算得出的長度值通過數(shù)顯系統(tǒng)顯示出來。

2.2 驅(qū)動方案確定

在該絕緣繩盤放裝置的設(shè)計過程當中，需要對驅(qū)動電機進行選擇，常用的驅(qū)動電機主要包括直流和交流兩種，其中交流電機需要三相或者單相交流電，在野外工作過程中會因供電電源導(dǎo)致電動模式不一定能夠正常運轉(zhuǎn)，因此采用了直流驅(qū)動電機。通過對直流有刷電機和直流無刷電機的優(yōu)缺點對比分析，選擇直流無刷電機來作為本次設(shè)計工具的主要元件。通過對絕緣繩現(xiàn)場盤放裝置的盤繩扭矩計算選擇250W，電壓24V，3000r/min 的直流無刷電機(圖3)。

圖3 直流無刷電機圖

2.3 絕緣繩排繩裝置設(shè)計

絕緣繩在卷盤上卷曲期間，由于絕緣繩的繩間摩擦力的作用，會導(dǎo)致絕緣繩不自主的疊摞在一起，排布過程不流暢而且易于出現(xiàn)“脫扣”現(xiàn)象，因此設(shè)計排繩機構(gòu)非常必要（圖4）。自動排繩裝置主要包括皮帶、帶輪、排布軸以及排繩器等零部件組成，帶輪驅(qū)動排布軸轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動排繩器左右移動，移動過程中絕緣繩能夠左右擺動，實現(xiàn)絕緣繩的有序排列。圖中所示的皮帶一端連接在卷盤驅(qū)動軸處，另一端與排繩裝置排布軸的帶輪相連，當卷筒傳動軸旋轉(zhuǎn)時該卷筒排繩器跟隨轉(zhuǎn)動。

圖4 絕緣繩排繩裝置圖

2.4 減速機選擇

在絕緣繩盤放裝置的設(shè)計過程中，考慮到作業(yè)現(xiàn)場絕緣繩的盤放速度較低，且需要一定的自鎖能力，因此選擇蝸輪蝸桿減速器作為其主要的減速裝置（圖5）。常用的減速機構(gòu)主要包括齒輪式減速機渦輪蝸桿式減速機，其中齒輪式減速機需要多級齒輪來實現(xiàn)較大的減速比，當齒輪級數(shù)較多時其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且整體重量較大，然而渦輪蝸桿式減速機的單級減速機就能得到很大的傳動比（一般為5～100）、結(jié)構(gòu)緊湊、可加潤滑油或油脂使用。傳動平穩(wěn)、噪音較小、大速比可實現(xiàn)自鎖性能等。小單級+大單級減速機聯(lián)接使用可增大總速比、增大扭矩等優(yōu)點，故而選用蝸輪蝸桿式減速機。

圖5 蝸輪蝸桿減速機

當輸電線路檢修現(xiàn)場操作期間需要對絕緣繩進行盤放，其工作時間不一定，所以在檢修期間可能車載電源可能電量不足，因此需要設(shè)計有手動自動切換裝置。卷盤的驅(qū)動扭矩來源于減速機的輸出軸，在設(shè)計過程中，充分考慮減速機的輸出軸與驅(qū)動電機的輸入軸之間的配合關(guān)系，將手動與自動切換裝置設(shè)計于此（圖6）。此裝置中主要包括撥叉機構(gòu)和齒輪機構(gòu)。其中齒輪包括兩個，一是與減速機相連接的主動齒輪，另一個是與卷盤驅(qū)動軸相連接的從動齒輪，從動齒輪還與撥叉結(jié)構(gòu)相連接。當盤繩車處于電動模式下，撥叉機構(gòu)將從動齒輪與主動齒輪相互嚙合，此時從動齒輪在主動齒輪的帶動下旋轉(zhuǎn)，進而驅(qū)動卷盤驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對卷盤的驅(qū)動。

圖6 手動自動切換裝置

當盤繩車處于手動模式下，撥動撥叉機構(gòu)，使得主動齒輪與從動齒輪相分離，此時主動齒輪的輸出力就不在傳遞到從動齒輪上，從動齒輪與卷盤驅(qū)動軸處于無驅(qū)動狀態(tài)。利用手柄驅(qū)動手輪卷盤另一側(cè)的卷盤驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對卷盤的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。

3 整體結(jié)構(gòu)及裝置創(chuàng)新之處

絕緣繩盤放裝置的各個執(zhí)行器件是安裝在底座上的，因此底座在整個裝置中起到了支撐其他零部件的作用，而且在工作過程中要求有一定的強度并能根據(jù)作業(yè)位置實時移動，所以在設(shè)計底座時要充分考慮其整體零部件的布局及可移動性，并要考慮當卷盤完成絕緣繩的盤卷后重心位置是否發(fā)生移動。因此設(shè)計了整體的框架式底盤，能在保證底盤整體剛度的同時又降低其重量。為實現(xiàn)裝置的移動，在底座下部安裝有輪組以實現(xiàn)其自由移動。通過對電控系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)及自動排繩系統(tǒng)的設(shè)計，分別得到電動的卷盤扭矩傳動系統(tǒng)、帶有手動切換的機械式卷盤扭矩傳動系統(tǒng)及與卷盤傳動系統(tǒng)相互配合使用的自動排繩系統(tǒng)（圖7）。

圖7 整體結(jié)構(gòu)圖

自動式的絕緣繩盤放，提高了絕緣繩盤放的高效作業(yè)。設(shè)計了新型的絕緣繩現(xiàn)場盤放裝置，通過電機控制器、電機驅(qū)動器、遙控器及直流電機的高效配合，實現(xiàn)了對現(xiàn)場自動盤繩。其中電機控制器中主要包括電機轉(zhuǎn)速以及電機轉(zhuǎn)向的控制，通過電機轉(zhuǎn)速控制旋鈕能夠?qū)崿F(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的實時調(diào)節(jié)，達到了能夠根據(jù)現(xiàn)場工作狀況調(diào)節(jié)盤繩速度的目的。通過電機轉(zhuǎn)向的控制實現(xiàn)了卷盤的正傳及倒轉(zhuǎn)的方向控制，達到了絕緣繩的高效收卷以及釋放。

絕緣繩排繩裝置設(shè)計，實現(xiàn)了絕緣繩的有序盤放。通過設(shè)計絕緣繩排繩裝置，使得絕緣繩在收卷過程中能夠有序的排放在卷筒上，實現(xiàn)了絕緣繩的順序盤放。絕緣繩排繩裝置中包含的皮帶與皮帶輪傳動系統(tǒng)與卷盤驅(qū)動軸直接相連接，當卷筒旋轉(zhuǎn)時會帶動排繩機構(gòu)的排繩軸旋轉(zhuǎn)，排繩軸上的溝槽與排繩器相互配合，在卷筒旋轉(zhuǎn)過程中排繩器左右橫向移動、帶動絕緣繩左右移動，從而實現(xiàn)絕緣繩均勻的排布在卷筒上。該設(shè)計能夠避免絕緣繩一直處在一個位置收卷引起的“脫扣”現(xiàn)象。

4 結(jié)語

綜上所述，本文根據(jù)輸電線路作業(yè)現(xiàn)場絕緣繩盤放工況的需求，設(shè)計了新型的絕緣繩現(xiàn)場盤放裝置，該裝置通過電機控制器、電機驅(qū)動器、遙控器以及直流電機的高效配合，實現(xiàn)了對現(xiàn)場自動盤繩。其中電機控制器中主要包括電機轉(zhuǎn)速以及電機轉(zhuǎn)向的控制，通過電機轉(zhuǎn)速控制旋鈕能夠?qū)崿F(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的實時調(diào)節(jié)，達到了能夠根據(jù)現(xiàn)場工作狀況調(diào)節(jié)盤繩速度的目的。通過設(shè)計絕緣繩排繩裝置，使得絕緣繩在收卷過程中能夠有序的排放在卷筒上，實現(xiàn)了絕緣繩的順序盤放。在輸電線路作業(yè)現(xiàn)場的實踐證明，該裝置能夠較大程度的提高作業(yè)效率，降低作業(yè)人員的勞動強度。