高壓輸電塔爬塔機(jī)器人設(shè)計(jì)

張山林，曹立文

(黑龍江大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

0 引 言

10年我國(guó)高壓輸電線(xiàn)路總長(zhǎng)增加了90%[1]，遠(yuǎn)距離電力輸送所需高壓輸電塔數(shù)量也不斷增加。保障高壓輸電線(xiàn)路的穩(wěn)定運(yùn)行，需要定期對(duì)輸電線(xiàn)路進(jìn)行檢修維護(hù)[2]，目前輸電線(xiàn)路的檢修維護(hù)依賴(lài)于人工。高壓輸電塔的高度常在50 m以上，工人攀爬輸電塔的過(guò)程會(huì)被消耗掉大量的體力和精力，且危害工人的生命安全。在輸電線(xiàn)路的檢修過(guò)程中需要把器件和工具運(yùn)送到輸電塔上端，人工運(yùn)送耗時(shí)耗力。當(dāng)前需要能給操作人員提供安全繩索和向塔上運(yùn)送器材工具的爬塔機(jī)器人，保障操作人員安全和提高高空作業(yè)效率。

Bangor研制了由絲杠滑塊組成，靠電磁鐵吸附固定的電力角鋼塔攀爬機(jī)器人[3]，通過(guò)絲杠旋轉(zhuǎn)調(diào)整滑塊在絲杠上的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)裝置的上升下降，但并無(wú)越障能力。四川大學(xué)研究了一種夾持電力鐵塔角鋼的新型雙V字夾持機(jī)構(gòu)[4-5]，它能夠適應(yīng)角鋼塔的不同形態(tài)，且不受角鋼塔障礙影響，但夾持爪與本體采用直線(xiàn)移動(dòng)副剛性連接，不能對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。朱玉等設(shè)計(jì)了一種步進(jìn)式攀爬機(jī)器人[6]，通過(guò)剪叉升降機(jī)構(gòu)連接機(jī)器人的上下夾持裝置，由絲杠驅(qū)動(dòng)剪叉機(jī)構(gòu)的開(kāi)合帶動(dòng)夾手上下移動(dòng)使機(jī)器人攀升，但該機(jī)器人仍處于概念設(shè)計(jì)階段，沒(méi)有實(shí)際樣機(jī)展示運(yùn)行情況。李勇兵研制了一種主體爬升機(jī)構(gòu)采用雙臂式連桿的爬塔機(jī)器人[7]，采用大功率電磁鐵作為吸附裝置，放棄了傳統(tǒng)的機(jī)械夾持，提高了工作效率，但安全性有待考量。西南交通大學(xué)研制了一種步進(jìn)式爬塔機(jī)器人[8-9]，采用手爪抓取塔架角釘，電磁鐵輔助固定機(jī)身，絲桿模組提升機(jī)體的方式在塔架上爬升，機(jī)體重量由手爪承擔(dān)，承載能力小。爬塔機(jī)器人的研究尚處于理論設(shè)計(jì)和樣機(jī)試制階段，無(wú)技術(shù)成熟的機(jī)器投入使用。

1 爬塔機(jī)器人設(shè)計(jì)

1.1 爬塔機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 爬塔機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of tower climbing robot

爬塔機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。爬塔機(jī)器人主要由機(jī)架、驅(qū)動(dòng)傳輸組件、導(dǎo)向組件、2個(gè)驅(qū)動(dòng)壓緊組件、2個(gè)導(dǎo)向壓緊組件、5對(duì)可動(dòng)夾緊組件和控制箱組成。驅(qū)動(dòng)傳輸組件安裝在機(jī)架的底部；導(dǎo)向組件安裝在機(jī)架上方；5對(duì)可動(dòng)夾緊組件安裝在機(jī)架上并間隔一定距離；驅(qū)動(dòng)壓緊組件通過(guò)銷(xiāo)軸和連接銷(xiāo)與機(jī)架連接，控制驅(qū)動(dòng)輪的位置；導(dǎo)向壓緊組件控制導(dǎo)向輪的位置；控制箱安裝在機(jī)架上，通過(guò)線(xiàn)路與各組件中的電機(jī)相連。驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)向輪均是特制的V型槽輪，輪面掛有橡膠膠皮。

1.2 爬塔機(jī)器人工作原理

爬塔機(jī)器人工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)壓緊組件、導(dǎo)向壓緊組件和可動(dòng)夾緊組件把爬塔機(jī)器人壓緊在高壓輸電塔的一條主角鐵上。動(dòng)力電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪與角鐵表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由摩檫力提供爬塔機(jī)器人沿角鐵上升下降的爬行動(dòng)力，導(dǎo)向組件起導(dǎo)向作用，保證機(jī)器人上升和下降的過(guò)程中方向穩(wěn)定不變。遇到高壓輸電塔上的橫向角鐵和角鐵連接處的障礙時(shí)，機(jī)器人可收起將要和障礙發(fā)生碰撞的驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪以及可動(dòng)夾緊組件，并在這個(gè)過(guò)程中保證其余各輪輪面和角鐵表面的壓緊關(guān)系。各輪在通過(guò)障礙時(shí)按需要的次序收起，通過(guò)后則將收起的部分復(fù)位，重新建立輪面與角鐵的接觸，直至完成越障[10]。

1.3 爬塔機(jī)器人主要組件

1.3.1 壓緊組件

爬塔機(jī)器人工作中需要驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)向輪緊貼角鐵表面。由于高壓輸電塔常年受環(huán)境的侵蝕，角鐵表面難免有銹蝕坑洼，若對(duì)各輪采用固定式安裝，會(huì)影響各輪輪面與角鐵表面的貼合，且無(wú)法進(jìn)行越障。由此設(shè)計(jì)了壓緊組件來(lái)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)向輪的位置，并根據(jù)作用對(duì)象的作用不同，把壓緊組件分為驅(qū)動(dòng)壓緊組件和導(dǎo)向壓緊組件兩類(lèi)。兩類(lèi)組件大體結(jié)構(gòu)相同。

壓緊組件主要由主推桿電機(jī)、連接銷(xiāo)、安裝架和銷(xiāo)軸等組成。主推桿電機(jī)的一端通過(guò)連接銷(xiāo)與機(jī)架相連，另一端通過(guò)連接銷(xiāo)與安裝架連接；安裝架通過(guò)銷(xiāo)軸安裝在機(jī)架上。機(jī)器人工作時(shí)，可通過(guò)主推桿電機(jī)單獨(dú)調(diào)節(jié)每一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)向輪的位置，使輪面緊貼或脫離角鐵表面。

1.3.2 驅(qū)動(dòng)傳輸組件

爬塔機(jī)器人在工作中應(yīng)滿(mǎn)足機(jī)器人沿角鐵上升和下降的使用要求，且由于避障的需要，爬塔機(jī)器人應(yīng)有兩個(gè)及以上的驅(qū)動(dòng)輪為機(jī)器人的爬行提供動(dòng)力。設(shè)計(jì)中選擇采用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪來(lái)為爬塔機(jī)器人提供動(dòng)力，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)傳輸組件見(jiàn)圖2。

驅(qū)動(dòng)傳輸組件主要由動(dòng)力電機(jī)、軸套、鏈輪、鏈輪軸、外球面帶座軸承、驅(qū)動(dòng)輪軸和驅(qū)動(dòng)輪等組成。動(dòng)力電機(jī)通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)鏈輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈輪軸上另有兩個(gè)鏈輪通過(guò)鏈條帶動(dòng)兩驅(qū)動(dòng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，最后由驅(qū)動(dòng)輪軸帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)輪相隔一定的間距排布在機(jī)架上，避免運(yùn)行中所遇障礙對(duì)兩驅(qū)動(dòng)輪同時(shí)產(chǎn)生干擾；電機(jī)正反轉(zhuǎn)輸出的轉(zhuǎn)速和動(dòng)力經(jīng)電機(jī)自帶減速機(jī)縮放后，再由輸出軸到鏈輪軸和鏈輪軸到驅(qū)動(dòng)輪軸上的兩對(duì)降速鏈輪進(jìn)一步縮放，保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的方向可調(diào)和動(dòng)力充足。

1.3.3 可動(dòng)夾緊組件

爬塔機(jī)器人若在工作中從角鐵上滑移，甚至脫落，會(huì)給進(jìn)行爬塔作業(yè)的和塔下的工作人員帶來(lái)巨大威脅。設(shè)計(jì)的可動(dòng)夾緊組件見(jiàn)圖3，可實(shí)現(xiàn)爬塔機(jī)器人在高壓輸電塔的主角鐵上工作時(shí)夾緊。

圖2 驅(qū)動(dòng)傳輸組件Fig.2 Drive transmission components

圖3 可動(dòng)夾緊組件Fig.3 Movable clamping assembly

圖4 爬塔機(jī)器人整機(jī)三維模型Fig.4 Three-dimensional model of the tower-climbing robot

可動(dòng)夾緊組件主要由推桿電機(jī)1、推桿電機(jī)2、伸縮外筒、伸縮內(nèi)筒、鉸鏈連接頭架、滾輪軸、滑動(dòng)軸承、壓縮彈簧和壓緊滾輪等組成。鉸鏈連接頭架焊接在伸縮內(nèi)筒上，伸縮內(nèi)筒和伸縮外筒組成一個(gè)杠桿，并用連接銷(xiāo)安裝在機(jī)架上，推桿電機(jī)2的推桿伸出帶動(dòng)伸縮內(nèi)筒伸出，改變杠桿長(zhǎng)度，推桿電機(jī)1的推桿伸出，推動(dòng)該杠桿把壓緊滾輪壓在角鐵的棱面上。

1.4 爬塔機(jī)器人建模仿真

對(duì)爬塔機(jī)器人整機(jī)建模得到的三維模型見(jiàn)圖4。通過(guò)該三維模型進(jìn)行了機(jī)器人的裝配仿真和運(yùn)動(dòng)過(guò)程仿真。結(jié)果表明爬塔機(jī)器人的裝配過(guò)程合理，運(yùn)動(dòng)過(guò)程各組件之間無(wú)干涉，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的工作動(dòng)作。

2 爬塔機(jī)器人動(dòng)力元件選型2.1 機(jī)器人動(dòng)力選擇

爬塔機(jī)器人選用電力驅(qū)動(dòng)。電力驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：①相同功率條件下，電動(dòng)機(jī)體積小、質(zhì)量輕；②爬塔機(jī)器人需要完成越障，電力驅(qū)動(dòng)便于控制，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；③電動(dòng)機(jī)低速啟動(dòng)也能發(fā)出最大功率，輸出穩(wěn)定。

爬塔機(jī)器人用到的電機(jī)分成兩類(lèi)：①保證機(jī)器人在角鐵上定位夾緊的，為執(zhí)行電機(jī)；②為機(jī)器人爬升提供動(dòng)力的，為動(dòng)力電機(jī)。

2.2 執(zhí)行電機(jī)選型2.2.1 壓緊組件電機(jī)選型

把爬塔機(jī)器人鎖緊在高壓輸電塔上需要的摩檫力為

f=mg

(1)

式中：f為摩擦力，N；m為滿(mǎn)載質(zhì)量，kg。

考慮到爬塔機(jī)器人的自重和在工作中為工人提供安全繩索的需要，取機(jī)器人滿(mǎn)載質(zhì)量為200 kg。

計(jì)算得摩擦力f為2 000 N。

由此進(jìn)行壓緊力的計(jì)算：

N=f/μ

(2)

式中：N為壓緊力，N；μ為摩擦系數(shù)。

從《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中查得硬橡膠與金屬表面的靜摩擦系數(shù)為μ1=0.55、動(dòng)摩擦系數(shù)為μ2=0.36，μ1>μ2，所以只要爬塔機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)能與角鐵表面不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，在靜態(tài)時(shí)同樣也能滿(mǎn)足要求，考慮到驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)向輪在掛膠的過(guò)程里需經(jīng)歷高溫加熱，材料性能會(huì)受到一定損失[11-12]，故取摩擦系數(shù)μ=0.3。

計(jì)算得N為6 670 N，即壓緊推桿至少應(yīng)能提供6 670 N的壓緊力。

爬塔機(jī)器人整機(jī)需4個(gè)用來(lái)維持輪面與角鐵表面間壓緊關(guān)系的主推桿電機(jī)，且由于越障的需要，在最少時(shí)僅有2個(gè)推桿處在推出狀態(tài)，因此單個(gè)推桿應(yīng)提供大于3 335 N的推力。

由此主推桿電機(jī)選用型號(hào)為L(zhǎng)X100的直流推桿電機(jī)，其參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 LX100電機(jī)參數(shù)

2.2.2 可動(dòng)夾緊組件電機(jī)選型

1)推桿電機(jī)1。 推桿電機(jī)1的推力通過(guò)伸縮內(nèi)、外筒作用于角鐵，承擔(dān)了夾緊角鐵的功能。且越障中最少時(shí)僅有3對(duì)推桿承擔(dān)夾緊力，對(duì)單個(gè)推桿電機(jī)其負(fù)載力F為

F≥N/6

(3)

得F至少為1 112 N，取推桿電機(jī)的負(fù)載力F=1 500 N。

對(duì)于推桿電機(jī)，推桿的力量與速度有關(guān)，且呈反比，其速度越快力量越小。為使工作中可動(dòng)夾緊組件的姿態(tài)變換迅速，且無(wú)需增大速度，因此選用短行程推桿電機(jī)。為方便電力供給，選擇與推桿電機(jī)1同電壓電機(jī)。

推桿電機(jī)1選用型號(hào)為YS-L35-24-50-14-1500-C2-C2的筆式電動(dòng)推桿，其參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 推桿電機(jī)1參數(shù)

2)推桿電機(jī)2。 推桿電機(jī)2與伸縮內(nèi)、外筒組合在一起共同發(fā)揮作用，由推桿電機(jī)1提供的壓緊力依靠伸縮內(nèi)筒和伸縮外筒之間的剛性進(jìn)行傳遞，推桿電機(jī)2僅用于調(diào)節(jié)伸縮內(nèi)筒的伸出長(zhǎng)度，因此推桿電機(jī)2可以選擇小推力推桿電機(jī)。

由上選擇型號(hào)為PFDE24V-100-90的電動(dòng)推桿做為推桿電機(jī)2使用，其參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 推桿電機(jī)2參數(shù)

2.3 動(dòng)力電機(jī)選型

驅(qū)動(dòng)輪速度：

v=πDn=3.14Dn電÷i

(4)

式中：D為驅(qū)動(dòng)輪直徑200 mm；n為驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，r·min-1；i為傳動(dòng)比120；n電為電機(jī)轉(zhuǎn)速，初選1 500 r·min-1。

計(jì)算得驅(qū)動(dòng)輪的速度65.4 mm·s-1。

不考慮能量損失的情況下，功率P1為

P1=Fv

(5)

計(jì)算功率P1為130.8 W。

考慮摩擦等能量損失則實(shí)際功率P2為

(6)

式中：η1為外球面帶座軸承效率，取0.99；η2為鏈傳動(dòng)效率，取0.95。

計(jì)算實(shí)際功率P2為153.94 W。

出于對(duì)實(shí)際工作中安全性的考慮及后續(xù)改進(jìn)的需要，選擇型號(hào)為GH-32-750-120-S-B-G1-LB的臥式三相標(biāo)準(zhǔn)型減速機(jī)做為動(dòng)力電機(jī)使用，其主要參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 動(dòng)力電機(jī)參數(shù)

3 爬塔機(jī)器人樣機(jī)爬塔試驗(yàn)

圖5 爬塔機(jī)器人樣機(jī)Fig.5 Prototype of tower climbing robot

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

爬塔機(jī)器人樣機(jī)爬塔試驗(yàn)?zāi)康脑谟跍y(cè)試機(jī)器人在實(shí)際工作情況下，能否完成在高壓輸電塔上的鎖緊和沿角鐵的上升下降。制造出的爬塔機(jī)器人樣機(jī)，未安裝控制箱，只能在人工操控下運(yùn)行。爬塔機(jī)器人樣機(jī)見(jiàn)圖5。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

樣機(jī)爬塔試驗(yàn)的試驗(yàn)平臺(tái)是按實(shí)際高壓輸電塔結(jié)構(gòu)搭建的一段角鐵塔架。試驗(yàn)時(shí)，樣機(jī)靠在角鐵塔架的一條主角鐵邊，由人工調(diào)整各執(zhí)行電機(jī)的推桿伸出量，將樣機(jī)夾緊在主角鐵上。隨后啟動(dòng)動(dòng)力電機(jī)，進(jìn)行了樣機(jī)在塔架上爬升和下降的測(cè)試。

樣機(jī)爬塔試驗(yàn)在3種情況下對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試： ①樣機(jī)由2驅(qū)動(dòng)輪、1導(dǎo)向輪和4對(duì)可動(dòng)夾緊組件夾緊在主角鐵上； ②樣機(jī)由2驅(qū)動(dòng)輪、1導(dǎo)向輪和3對(duì)可動(dòng)夾緊組件夾緊在主角鐵上； ③樣機(jī)由1驅(qū)動(dòng)輪、1導(dǎo)向輪和4對(duì)可動(dòng)夾緊組件夾緊在主角鐵上。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在①②組試驗(yàn)中，樣機(jī)流暢地完成了沿角鐵塔架上升下降的爬行動(dòng)作，全程平穩(wěn)無(wú)沖擊；在動(dòng)力電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)能鎖緊在角鐵上的任意位置，人為給樣機(jī)一側(cè)施加一定的推力，樣機(jī)在角鐵上依然能鎖緊且無(wú)晃動(dòng)。在③組試驗(yàn)時(shí)，樣機(jī)能鎖緊在角鐵上，但動(dòng)力電機(jī)啟動(dòng)后樣機(jī)未完成爬行動(dòng)作，檢查發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪輪面膠皮在前兩組測(cè)試中嚴(yán)重磨損，不能繼續(xù)完成樣機(jī)試驗(yàn)③，試驗(yàn)終止。

爬塔機(jī)器人樣機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)向輪在制造時(shí)輪面采用了掛膠的加工方式。輪面掛膠的過(guò)程需要高溫加熱，膠皮的材料性能在這一過(guò)程中受到了損失，致使膠皮的耐磨性受到削弱。兩驅(qū)動(dòng)輪輪面磨損位置有差異，表明樣機(jī)在加工誤差和裝配誤差上存在誤差偏大的情況，以至于樣機(jī)在夾緊時(shí)輪面與角鐵表面不能完全貼合。

4 結(jié) 論

1) 完成了爬塔機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)爬塔機(jī)器人在高壓輸電塔主角鐵上的鎖緊和沿角鐵向上向下的爬行。選定了爬塔機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)，確定了機(jī)器人動(dòng)力電機(jī)和各執(zhí)行電機(jī)的型號(hào)和參數(shù)。

2) 對(duì)爬塔機(jī)器人整機(jī)進(jìn)行了建模仿真，機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊、裝配可靠，運(yùn)行中各組件之間無(wú)干涉。證明所設(shè)計(jì)的爬塔機(jī)器人結(jié)構(gòu)合理，加工制造可行。

3) 爬塔機(jī)器人樣機(jī)爬塔試驗(yàn)中，樣機(jī)完成了沿角鐵塔架上升下降的爬行動(dòng)作，且能鎖緊在角鐵塔架上承受一定推力而不發(fā)生晃動(dòng)。證明爬塔機(jī)器人樣機(jī)的結(jié)構(gòu)剛性好，鎖緊牢靠，達(dá)成了設(shè)計(jì)爬塔機(jī)器人的初步目的。