高空帶電作業(yè)旋轉(zhuǎn)平臺設(shè)計(jì)研究

李曉洋，符祥干，高元將，陳煥財(cái)，謝盛頓

（海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 海南輸變電檢修分公司，海南 ?？?570100）

電力檢修工作中往往需對電桿頂部的電氣設(shè)備、電源線進(jìn)行檢修維護(hù)。電力檢修作業(yè)方式主要包括停電作業(yè)和帶電作業(yè)。停電作業(yè)雖可以保證安全，但斷電會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，工作實(shí)踐中通常采用帶電作業(yè)，而用于帶電作業(yè)的平臺包括絕緣梯、斗臂車、升降平臺等，但絕緣梯、斗臂車等平臺裝置使用限制多，不適合田野、斜坡等作業(yè)環(huán)境。因此，升降載人平臺得到了廣泛應(yīng)用，但常規(guī)升降載人平臺只能上下升降，無法繞電桿轉(zhuǎn)動，限制了作業(yè)的靈活性。本次設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程遙控式旋轉(zhuǎn)升降載人平臺，在保證作業(yè)安全的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了帶電作業(yè)的自動化。且易于拆卸。組裝完成后，平臺以齒輪抱箍作為主要支撐結(jié)構(gòu)固定在電桿上，可根據(jù)需要圍繞電桿旋轉(zhuǎn)最大320°。同時，采用無線遙控控制平臺的旋轉(zhuǎn)和升降。本次設(shè)計(jì)內(nèi)容可分為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)要求

該平臺整體需方便拆裝，不用是可拆分，需用時可組裝，所用材料需滿足規(guī)定的電氣性能要求、絕緣要求。載人平臺作為支撐結(jié)構(gòu)。平臺的頂部和底部分別設(shè)有兩個支撐桿，與平臺形成三角支撐體，不但可以提高平臺的承力能力，還可以有效避免人員從高空墜落。在電桿上設(shè)置齒輪抱箍，齒輪抱箍上設(shè)置滑輪，牽引繩繞過滑輪與載人平臺、牽引電機(jī)連接，組成傳動系統(tǒng)，滿足平臺的升降需要，抱箍上的齒輪與電機(jī)傳動機(jī)構(gòu)配合實(shí)現(xiàn)平臺的旋轉(zhuǎn)。

2 平臺功能

2.1 絕緣性能

進(jìn)行高空帶電作業(yè)時，最重要的是可靠絕緣，平臺絕緣材料選擇環(huán)氧樹脂。可以提供可靠的絕緣性能，平臺設(shè)置了垂直梯，可上下移動0.4m，在安全距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)靈活升降。

2.2 旋轉(zhuǎn)功能

為了實(shí)現(xiàn)平臺旋轉(zhuǎn)功能，設(shè)計(jì)齒輪抱箍、電機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)等部件。齒輪抱箍由兩組半圓齒輪組裝而成，將半圓齒輪對接固定在電桿上作為支撐結(jié)構(gòu)。電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)為直流24V/250W，電機(jī)向齒輪減速機(jī)傳遞動力，轉(zhuǎn)動比為30/1，齒輪減速器向齒輪抱箍傳遞動力，實(shí)現(xiàn)平臺旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度最大320°。

2.3 升降功能

升降功能由牽引電機(jī)、滑輪、牽引繩、導(dǎo)軌等部件配合實(shí)現(xiàn)。牽引電機(jī)提供升降動力，牽引索繞過滑輪連接電機(jī)與載人平臺，傳遞動力，電機(jī)正反轉(zhuǎn)通過無線遙控實(shí)現(xiàn)沿升降導(dǎo)軌上下移動。導(dǎo)軌由兩根間隔0.2m、長2m的絕緣桿組成，平臺升降范圍1.8m。

2.4 遙控功能

通過信號發(fā)射器將信號傳輸給接收器，接收器處理信號，對繼電器開閉進(jìn)行控制，進(jìn)而控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)平臺的升降、旋轉(zhuǎn)。為減少干擾，可利用高頻鎖碼屏蔽元器件周圍的電磁信號。

3 平臺結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)的高空帶電作業(yè)旋轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 高空帶電作業(yè)升降旋轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)

從總體結(jié)構(gòu)圖，可以分析其工作過程主要有以下幾個部分。

3.1 齒輪抱箍

作為該高空帶電作業(yè)升降旋轉(zhuǎn)平臺的主要支撐部分，齒輪抱箍需要在使用前固定在電線桿上，其材質(zhì)為鋁合金，輕便結(jié)實(shí)。齒輪抱箍包含底部齒輪盤和頂部齒輪盤，通過四根長度相等的金屬棒連接成一個整體，底部齒輪盤、頂部齒輪盤通過底部搭扣、頂部搭扣連接，組裝完成的抱箍齒輪可以通過搭扣分合。抱箍齒輪與電線桿之間通過帶有橡膠頭的螺栓固定，在增加兩者之間摩擦力的同時，還可以防止抱箍齒輪轉(zhuǎn)動時刮傷電線桿，此外，通過調(diào)節(jié)螺栓可以改變齒輪抱箍的大小，實(shí)現(xiàn)在直徑190～320mm范圍的調(diào)整，可以適合多種直徑的電線桿，提高平臺的適用性。

載人平臺的導(dǎo)軌可以通過齒輪與抱箍連接，為確保作業(yè)平臺的順利升降，采用搭板形式，不僅結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，還可以有效降低載人平臺的旋轉(zhuǎn)阻力，但因?yàn)榇嬖诖羁冢虼?，限制一定的旋轉(zhuǎn)角度，整個平臺的旋轉(zhuǎn)角度范圍在0°～320°。

3.2 傳動系統(tǒng)

該作業(yè)平臺傳動方式為齒輪傳動，抱箍的齒輪在電線桿上固定不動，導(dǎo)軌則借助搭板與齒輪連接，通過與抱箍齒輪嚙合將電機(jī)動力傳遞到抱箍齒輪，從而帶動載人平臺旋轉(zhuǎn)。平臺旋轉(zhuǎn)的過程中，可遙控直流旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過減速器將動力傳遞到導(dǎo)軌上的齒輪，使得導(dǎo)軌帶著載人平臺以抱箍為中心旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度最高為180°/min。平臺的升降同樣由牽引電機(jī)提供驅(qū)動力，設(shè)計(jì)額定拉力1473kg，通過遙控牽引電機(jī)驅(qū)動與其連接的滑輪，使?fàn)恳K運(yùn)動，帶動平臺升降。在組裝作業(yè)平臺時，應(yīng)設(shè)置牽引電機(jī)處于空檔狀態(tài)，再將滑輪設(shè)置為制動狀態(tài)，然后將牽引繩繞過滑輪，并固定在電桿上，通過遙控啟動牽引電機(jī)，驅(qū)動牽引繩將載人平臺升至指定高度，平臺上升時，需有專人協(xié)助確保載人平臺穩(wěn)定上升。作業(yè)平臺組裝好后，帶電作業(yè)人員可以進(jìn)入載人平臺，然后緊固相應(yīng)的緊固件，控制牽引電機(jī)帶動載人平臺沿導(dǎo)軌移動，設(shè)計(jì)負(fù)重180kg時，平臺牽引速度為2.5m/min。

3.3 導(dǎo)軌及平臺

導(dǎo)軌是由兩根1.8m等長、間距0.5m的平行絕緣桿構(gòu)成，載人平臺借助滑塊與導(dǎo)軌連接，滑塊之間間隔0.5m。在滑塊內(nèi)設(shè)置滑輪，滑輪嵌入導(dǎo)軌，起到減少摩擦的作用。載人平臺移動時會和導(dǎo)軌之間形成力偶矩，即小滑輪和水平方向存在斜角。在力偶矩作用下，滑塊、導(dǎo)軌之間的連接更加穩(wěn)定。根據(jù)帶電作業(yè)現(xiàn)場實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)的作業(yè)平臺導(dǎo)軌尾部進(jìn)行模塊化處理，可以通過更換不同的內(nèi)嵌模塊增設(shè)導(dǎo)軌，增加導(dǎo)軌長度，從而增加載人平臺的升降高度。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 控制原理

機(jī)械結(jié)構(gòu)是作業(yè)平臺的骨架，控制系統(tǒng)則是作業(yè)平臺的大腦，該平臺的控制系統(tǒng)構(gòu)成見圖2。根據(jù)圖可知，本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)平臺進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動作時，控制系統(tǒng)可以基于位置傳感器發(fā)送的位置信息建立控制閉環(huán)，對電機(jī)運(yùn)行范圍進(jìn)行精確控制，從而控制平臺的旋轉(zhuǎn)角度。

圖2 高空帶電作業(yè)升降旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)

因?yàn)槠脚_旋轉(zhuǎn)角度范圍較大，旋轉(zhuǎn)位置偏差可通過操作人員進(jìn)行糾正，沒必要進(jìn)行更加復(fù)雜的閉環(huán)控制設(shè)計(jì)，只需控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)至一定位置時可以立即停止旋轉(zhuǎn)即可，否則，可能出現(xiàn)平臺旋轉(zhuǎn)超出抱箍齒輪空間限制，導(dǎo)致作業(yè)平臺故障，甚至引發(fā)安全事故。為此，本次設(shè)計(jì)通過位置開關(guān)進(jìn)行控制，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)到規(guī)定位置時，位置開關(guān)將自動斷開電機(jī)電源，確保電機(jī)停轉(zhuǎn)。

4.2 控制電路

在控制平臺升降和平臺旋轉(zhuǎn)時，控制方式有所不同，因而驅(qū)動力矩也有所不同，因此，升降電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)的型號、參數(shù)也不同。為確保電機(jī)之間的協(xié)調(diào)動作，確保平臺運(yùn)行安全，可采取互鎖控制方案，即當(dāng)其中一個電機(jī)運(yùn)行時，另一個電機(jī)就一定不能運(yùn)行，從而防止兩臺電機(jī)的相互干擾。為此，本文設(shè)計(jì)了專門控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的控制電路，對電機(jī)的正反旋轉(zhuǎn)進(jìn)行精確控制，為確保電機(jī)啟停的控制，本次設(shè)計(jì)通過繼電器控制方式實(shí)現(xiàn)，控制電路，如圖3所示。

圖3 控制電路設(shè)計(jì)

圖3 左半部分為主控制電路，右邊為電機(jī)控制電路。因?yàn)槠脚_升降頻率較低，升降電機(jī)啟停次數(shù)較少，因此，其電機(jī)性能要求不高，可以通過繼電器KM1、KM2與+24V直流電源直連，借助啟動按鍵SB1控制啟動，KM2、KM3、KM4失電，從而KM1觸點(diǎn)常閉自鎖，升降電機(jī)連接+24V電源，電源驅(qū)動電機(jī)正轉(zhuǎn)，牽引繩回收，帶動載人平臺上升。如按停止鍵SB0，此時，直流電機(jī)停轉(zhuǎn)，滾輪自鎖。同理，繼電器KM2也可以控制升降電機(jī)的反轉(zhuǎn)，即載人平臺的下降控制。

繼電器KM3/KM4負(fù)責(zé)控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)，KM3控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，KM4控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，但平臺旋轉(zhuǎn)頻率較高，為保證電機(jī)正常運(yùn)行，采用LA-100P電流霍爾傳感器檢測電流，當(dāng)檢測電流超過閾值時，單片機(jī)控制電路斷開、電機(jī)停轉(zhuǎn)。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展、人民生活水平的提高，大眾對供電質(zhì)量的要求也不斷提升，傳統(tǒng)的帶電作業(yè)方式無法滿足要求。因此，必須積極運(yùn)用更加高效的帶電作業(yè)方法以及作業(yè)平臺，以更好地保障電力檢修維護(hù)工作。本次設(shè)計(jì)的高空帶電升降旋轉(zhuǎn)作業(yè)平臺可以適應(yīng)野外、溝壑等復(fù)雜環(huán)境，可以有效代替斗臂車進(jìn)行帶電作業(yè)，彌補(bǔ)斗臂車難以適應(yīng)野外作業(yè)的不足，而且該平臺成本較低，維護(hù)保養(yǎng)便捷、占地面積小，具有良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。