一種電纜溝蓋板啟閉機(jī)械裝置在變電站中的應(yīng)用

盧雨翔，萬夢怡，喻小勇

（國網(wǎng)江西省電力有限公司超高壓分公司，江西南昌 330000）

0 引言

在變電站內(nèi)敷設(shè)電纜、檢查電纜溝或電纜消防隱患整治等工作時，需要頻繁將電纜溝蓋板打開、關(guān)閉，電纜溝蓋板的重量在30 kg至50 kg，在啟、閉過程中，通常使用人工作業(yè)方式，作業(yè)人員通常使用定制的鋼筋、戴手套等方式進(jìn)行電纜蓋板搬運(yùn)，在涉及大量蓋板啟閉工作時，將會帶來以下3 個問題：1）人工啟閉方式效率低。由于蓋板重量重，通過人工的方式無法持續(xù)搬運(yùn)大量蓋板。2）人工啟閉安全風(fēng)險較高。啟閉蓋板時，由于蓋板重量大，人工啟閉時存在砸傷手指、扭傷腰部等人身安全風(fēng)險。3）人工啟閉過程中存在蓋板脫落風(fēng)險，可能導(dǎo)致?lián)p壞或壓壞電纜。

由此可知，在進(jìn)行大量電纜蓋板啟閉工作時，人工啟閉方式嚴(yán)重制約變電站電纜相關(guān)作業(yè)的工作效率，極端情況下，可能導(dǎo)致作業(yè)人員、電纜受到嚴(yán)重傷害。文中介紹了一種基于履帶式機(jī)器人底盤和機(jī)械吊臂的裝置，該裝置采用遙控控制，可在變電站碎石、草地等路面行走，并具備一定的越障和爬坡能力。吊臂可隨意拆裝，與底盤結(jié)合，實現(xiàn)對電纜蓋板的啟閉，在提升電纜蓋板啟閉效率的基礎(chǔ)上，確保人身、設(shè)備安全。

1 裝置總體方案設(shè)計

梳理變電站內(nèi)常見電纜溝蓋板的尺寸、重量、厚度、敷設(shè)方式等參數(shù)，確定電纜蓋板啟閉裝置的尺寸、載重、機(jī)械臂長度、行進(jìn)方式等。確定采用履帶式底盤結(jié)構(gòu)和機(jī)械吊臂相結(jié)合的方式，具備在500 kV 變電站的碎石或草地上行走和基本越障的能力，并根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)，確定本裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該裝置采取可拆卸結(jié)構(gòu)，吊臂與機(jī)械底盤采用可拆卸結(jié)構(gòu)，便于運(yùn)輸。吊臂采用“工”字型鋼，具備一定的抗彎折強(qiáng)度，吊臂全重約30 kg，主要由絞磨電機(jī)、吊臂、吊繩、吊鉤4部分組成，通過底座上4顆可拆卸M6螺栓與機(jī)械底盤連接。底盤主體由不銹鋼材質(zhì)組成，具備輕量化、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的優(yōu)點，底盤內(nèi)部采用中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為電池倉、底盤動力系統(tǒng)、底盤液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

2 執(zhí)行與作業(yè)

2.1 行進(jìn)機(jī)構(gòu)

電纜蓋板啟閉裝置的工作環(huán)境主要為變電站內(nèi)，站內(nèi)主要地形為水泥地、碎石地、草地和少量斜坡。為能夠適應(yīng)這些地形，常見的行進(jìn)機(jī)構(gòu)主要有輪式機(jī)構(gòu)、履帶式機(jī)構(gòu)、腿足式機(jī)構(gòu)，在不同地形上以上三種行進(jìn)機(jī)構(gòu)的通過性和穩(wěn)定性各不相同[1]，其主要區(qū)別如下：輪式機(jī)構(gòu)優(yōu)點在于行進(jìn)速度較另外兩種機(jī)構(gòu)更快，對各類地形適應(yīng)性高，缺點為通過臺階、基坑的越障能力較差；腿足機(jī)構(gòu)的優(yōu)點在于更能適用于復(fù)雜地形，在經(jīng)過體積較大的障礙物時具備更強(qiáng)的通過性，但缺點是機(jī)構(gòu)的速度慢，且控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各零部件更為精密，成本較高；履帶式機(jī)構(gòu)綜合以上兩類機(jī)構(gòu)的優(yōu)點，越障性、通過性較高，同時可適用于不同地形，制造成本較底，特別是在變電站內(nèi)碎石、草地上具有更強(qiáng)的通過能力[2]，但其缺點也同樣明顯，一是能耗較高，在用電池驅(qū)動過程時連續(xù)工作時間較短，二是整體重量大，由于要驅(qū)動履帶、兩對負(fù)重輪和兩對行走，對驅(qū)動機(jī)構(gòu)的負(fù)載能力提出較高的要求。

通過對以上三種機(jī)構(gòu)綜合比較，履帶式機(jī)構(gòu)具有支撐面積大，越障力和通過性強(qiáng)等優(yōu)點。同時履帶與地面相互作用，整體結(jié)構(gòu)地面附著性增強(qiáng)，不易打滑，在跨越障礙、坡道或在碎石、草地行進(jìn)等方面具備一定優(yōu)勢。因此選用履帶機(jī)構(gòu)作為電纜蓋板啟閉機(jī)器人的行進(jìn)機(jī)構(gòu)。

2.2 傳動機(jī)構(gòu)

傳動機(jī)構(gòu)是將電機(jī)產(chǎn)生的動力傳遞給行進(jìn)機(jī)構(gòu)的重要部件?，F(xiàn)有的履帶式行進(jìn)機(jī)構(gòu)的傳動結(jié)構(gòu)主要有：同步齒形帶傳動、鏈輪傳動、齒輪傳動等多傳動方式[3]。同步齒形帶傳動的優(yōu)點在于傳動性能平穩(wěn)、全重較輕、維護(hù)性強(qiáng)、傳動齒輪精確定位等優(yōu)點，但傳動在載荷不穩(wěn)定的情況下對載荷變動吸收能力較差。由于履帶多用于橡膠材質(zhì)，不適用于環(huán)境溫度高、腐蝕性強(qiáng)的環(huán)境。鏈輪傳動結(jié)構(gòu)具有傳動精確、效率高的特點，但缺點是傳動平穩(wěn)性較差、瞬時傳動比不穩(wěn)定等。齒輪傳動具有傳動效率高、使用壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊等特點，但在加工和制造時成本高，安裝時精度要求高。

綜合考慮電纜蓋板啟閉機(jī)器人的體積及工作環(huán)境和條件，該方案選定齒輪傳動作為電纜蓋板啟閉裝置傳動機(jī)構(gòu)的傳動方式。電纜蓋板啟閉裝置在碎石、積水等特殊路面和電纜蓋板上進(jìn)行越障或工作時，需要低速通過，而在平直路面行走時，需盡可能保持高速前進(jìn)。對于這種情況，通常的解決方法就是采用輪履復(fù)合式結(jié)構(gòu)，給輪與履帶不同的驅(qū)動力，以達(dá)到不同速度的目的。

整個電纜蓋板啟閉裝置動力由驅(qū)動電機(jī)輸出，該動力模塊為前驅(qū)式。其通常包括傳動軸、減速器和傳動鏈輪這三部分[4]。動力經(jīng)由電機(jī)、減速器、傳動軸、后置傳動鏈輪、傳動鏈、前置傳動鏈輪得以輸出，從而完成履帶式機(jī)構(gòu)的行進(jìn)。

2.3 驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)是為電纜蓋板啟閉裝置提供動力的主要部件，驅(qū)動系統(tǒng)的確定直接影響著電纜蓋板啟閉裝置的行駛性能。目前，應(yīng)用于履帶式底盤的動力系統(tǒng)主要有液壓、氣動和電動。三種動力方式各有優(yōu)劣，液壓動力系統(tǒng)動力強(qiáng)，體積小，調(diào)速便捷，但液壓系統(tǒng)成本高，受環(huán)境影響較大，可靠性低，維護(hù)保養(yǎng)難度高；氣動機(jī)構(gòu)成本較低，動作靈活可靠，但驅(qū)動力偏小，在需要調(diào)速、轉(zhuǎn)彎等需要精確控制的場合適應(yīng)能力較差；電動驅(qū)動系統(tǒng)具有控制精度高，輸出扭矩大的優(yōu)點，但滿載長時工作時，性能較低。

綜合對比三種動力方式，電纜蓋板啟閉裝置將采用電動驅(qū)動方式，電動驅(qū)動方式具有動力穩(wěn)定、傳動效率高、體積小等特點，適合為電纜蓋板啟閉裝置提供動力。電動驅(qū)動方式按照驅(qū)動電機(jī)不同可分為交流和直流兩種。交流電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，需要借助變頻設(shè)備來實現(xiàn)調(diào)速[5]，，無法通過改變轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)速，在應(yīng)用于電纜蓋板啟閉裝置時，需要鋰電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，使整個驅(qū)動模塊設(shè)計更加復(fù)雜。因此選用直流電機(jī)作為電纜蓋板啟閉裝置的首選驅(qū)動方式，它具有調(diào)速簡單、轉(zhuǎn)動力矩大、控制靈活、供電簡單的優(yōu)點。

2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

該裝置中電纜蓋板啟閉裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括承重機(jī)構(gòu)和外殼，其中外殼是電纜蓋板啟閉裝置中核心電子零部件的載體。在承重機(jī)構(gòu)上安裝機(jī)械吊臂用于吊裝電纜蓋板[6]。對承重機(jī)構(gòu)要求從強(qiáng)度和剛度上滿足裝置運(yùn)行走時的加速、減速要求，同時又必須采用輕量化設(shè)計，因而采用碳鋼作為承重機(jī)構(gòu)主要材料。同時電纜蓋板啟閉裝置的吊臂也固定在硬鋁板上。承重機(jī)構(gòu)中裝有鋰電池組、直流電機(jī)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)等部件來滿足機(jī)械構(gòu)造設(shè)計以及整個裝置的重心要求，重心的高低將從根本上決定裝置在起吊時的抗傾翻性能，重心越低那么抗傾翻性能越好，但越障能力越低。綜上，裝置的整體結(jié)構(gòu)從前往后分為三個部分，前部為控制模塊及核心二次元器件安裝區(qū)域，中部為控制裝置、直流電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動裝置、二次線纜線槽，后部主要為動力總成，包括鋰電池、供電模塊等。該裝置的機(jī)殼采用碳鋼，這種材料結(jié)構(gòu)輕便而且易于加工，質(zhì)量較輕，裝配精度要求低，強(qiáng)度大，適合搬運(yùn)電纜蓋板等較重物件。

2.5 電纜蓋板啟閉工作過程

在工作時，通過吊臂遙控控制吊臂電動絞盤，將吊鉤和吊帶放至合適位置，操作人員將吊帶和吊鉤鉤住蓋板四個角，稍微收緊吊帶，使得電纜蓋板輕微受力，開展起吊檢查。確認(rèn)起吊前狀態(tài)正常后，啟動吊臂遙控，收緊吊繩，在蓋板起吊過程中，著重觀察吊臂和裝置狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常立即將蓋板放下停止作業(yè)。裝置整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)圖

起吊后，控制機(jī)械底盤向前（后）移動，將底盤移動到制定位置，并控制吊臂遙控將蓋板放下，完成一次電纜蓋板的開啟過程，電纜蓋板閉合過程與此相反。機(jī)械吊裝的方式相比人工操作，提高了安全性，同時加快了工作效率。

3 遙控與控制平臺系統(tǒng)設(shè)計與原理

控制系統(tǒng)主要由顯示器、邏輯控制和顯示、主控制器單元、軸控制器單元及電機(jī)驅(qū)動器構(gòu)成。轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動器、動力電機(jī)驅(qū)動器及伺服電機(jī)分別為獨(dú)立系統(tǒng)[7]，三套系統(tǒng)在整個裝置的機(jī)軸控制器單元的控制下可以完全確保三套電機(jī)的轉(zhuǎn)速精度及穩(wěn)定性。每個軸控制器單元可通過檢驗信號檢驗每個軸的扭矩，以此來組成每個軸系統(tǒng)的扭矩閉環(huán)控制系統(tǒng)，確保每個軸輸出的扭矩精準(zhǔn)、可靠。在設(shè)計中，每個軸控制器都是一整套以單片機(jī)為核心，疊加小電路等構(gòu)成的一套專用控制模塊。使每個動力電機(jī)可實現(xiàn)完整獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集、計算、存儲、控制系統(tǒng)。在驅(qū)動過程中，可實現(xiàn)對每個直流電機(jī)的扭矩、角速度進(jìn)行獨(dú)立、實時地檢測和控制，確保各電機(jī)的協(xié)同工作精度和穩(wěn)定性。

系統(tǒng)框架圖如圖3 所示，配置了安卓開發(fā)環(huán)境，通過程序編寫上位機(jī)軟件。

圖3 系統(tǒng)框架

通過上位機(jī)給主控模塊發(fā)送前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、吊臂上下活動的指令，遙控模塊接收到信號后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后給電機(jī)發(fā)送指令。電機(jī)可以通過指令實現(xiàn)對電機(jī)的開關(guān)。其程序設(shè)計流程圖如圖4所示。

圖4 程序設(shè)計流程圖

4 結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)有研發(fā)條件，針對變電站電纜蓋板在啟閉過程中存在的問題和不足，研制一種變電站電纜蓋板啟閉裝置，減少人工搬運(yùn)頻次，降低人工啟閉的安全風(fēng)險，提升啟閉過程中運(yùn)行電纜的安全性。在未來，該套裝置還可以在以下2個方面進(jìn)行研究：

1）電纜蓋板啟閉裝置的遠(yuǎn)程控制。隨著網(wǎng)絡(luò)時代的到來，遠(yuǎn)程工作變成了現(xiàn)實。網(wǎng)絡(luò)的可靠性和實用性是實現(xiàn)自動啟閉蓋板遠(yuǎn)程控制的主要研發(fā)領(lǐng)域。該次研制的履帶式底盤為無線控制，下一步可探索通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)械底盤的運(yùn)動。

2）探索可更換的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該次采用機(jī)械吊臂的方式開展電纜蓋板啟閉，后期可更換例如機(jī)械手臂、消防滅火裝置、攝像頭等多種設(shè)備，使其具備其他功能，豐富使用場景和拓展任務(wù)種類。通過快拆方式，快速更換相應(yīng)部件并投入到相應(yīng)任務(wù)中，實現(xiàn)一機(jī)多用。