一種基于絕緣桿的便攜式配電線路智能剝皮器的設(shè)計

戴小敏，徐保紅，李震霖

（國網(wǎng)甘肅省電力公司 天水供電公司，甘肅 天水 741000）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活質(zhì)量的不斷提高，社會對供電可靠性的要求也越來越高，因此國網(wǎng)公司要求在配電線路上開展工作務(wù)必要遵守“能帶不?！钡脑瓌t，盡可能以帶電作業(yè)形式進(jìn)行，以提高供電可靠性。

在10 kV配網(wǎng)架空線帶電接火領(lǐng)域，帶電搭火作業(yè)用線夾搭接引流線時，對高壓絕緣電纜連接處進(jìn)行剝皮操作是引流搭火作業(yè)必不可少的步驟。目前主要采用絕緣手套作業(yè)法和絕緣桿作業(yè)法，絕緣手套作業(yè)法因?yàn)樽鳂I(yè)時需要與線纜直接接觸，作業(yè)危險性較大，對工人的心理素質(zhì)和技術(shù)規(guī)范要求較高，目前有的國家已經(jīng)廢除。絕緣桿作業(yè)法相對于絕緣手套作業(yè)法，作業(yè)安全性得到提升，但是這種作業(yè)方法所需的絕緣器具種類繁雜、可操作性差、自動化水平低、作業(yè)過程需要頻繁對工具進(jìn)行調(diào)節(jié)或更換不同類型的絕緣器具、作業(yè)工藝流程繁瑣，且需要操作人員長時間手動操作，對操作人員操作技巧和身體素質(zhì)有較高的要求，并且屬于高空作業(yè)，具有較高的勞動強(qiáng)度和危險性[1]。因此亟需研究自動化、智能化程度更高的作業(yè)工具。本文針對10 kV配電線路不停電作業(yè)安全規(guī)范及實(shí)際需求，設(shè)計一款操作簡便、安全可靠的智能剝皮器。可有效提高單次接火作業(yè)效率，縮短作業(yè)時間，降低單次作業(yè)成本，減輕作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度；并且對作業(yè)地點(diǎn)周圍環(huán)境、凈空等環(huán)境要求低，基本可在全地形條件下作業(yè)。對推動帶電接火作業(yè)向作業(yè)流程標(biāo)準(zhǔn)化、作業(yè)過程簡單化、作業(yè)工具智能化和提升作業(yè)人員安全性方向發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用。

1 剝皮器工作原理

如圖1所示，該剝皮器主要由雙嚙合旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置、自適應(yīng)剝皮夾具、自動進(jìn)刀裝置、絕緣桿等組成。剝皮器工作原理：手持絕緣桿靠近電纜并對準(zhǔn)自適應(yīng)剝皮夾具，此時的自適應(yīng)剝皮夾具上下夾塊處于最大開合狀態(tài)，對準(zhǔn)后將電纜插入自適應(yīng)剝皮夾具中，啟動夾具中的夾持電動機(jī)進(jìn)行動作，剝皮夾具通過正反牙絲桿及絲桿兩側(cè)的上下夾塊動作，可以將不同規(guī)格的電纜夾緊，并通過電流檢測功能將夾緊過程中實(shí)時檢測到的電流反饋到主控板，待檢測電流達(dá)到預(yù)設(shè)閾值后，夾持電動機(jī)停止動作，通過夾持電動機(jī)上編碼器從開始到結(jié)束動作所旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)乘以絲桿導(dǎo)程即可得出電纜的實(shí)際外徑。電纜夾緊后自動進(jìn)刀裝置開始介入，根據(jù)前面自適應(yīng)剝皮夾具反饋回來的電纜數(shù)據(jù)，啟動進(jìn)刀電動機(jī)進(jìn)行動作，刀頭慢慢靠近電纜外表皮，配合刀頭附近的光纖傳感器，待刀頭接觸到電纜線芯時，進(jìn)刀動作停止，刀頭開始進(jìn)刀過程中，雙嚙合旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置同步介入，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電動機(jī)動作，配合電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電動機(jī)上的編碼器，可以按照設(shè)定長度進(jìn)行剝皮，待剝皮完成后，配合附近的傳感器將開口齒輪復(fù)位到初始位[2]。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖

2 剝皮器結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 雙嚙合旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖2、圖3所示，雙嚙合旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置主要由驅(qū)動電動機(jī)、驅(qū)動齒輪、兩個傳動齒輪、開口齒輪、固定座及絕緣桿固定座組成。驅(qū)動齒輪通過內(nèi)部軸孔與驅(qū)動電動機(jī)輸出軸直連，兩個傳動齒輪分布于驅(qū)動齒輪的兩側(cè)并進(jìn)行同步嚙合，兩傳動齒輪也與開口齒輪進(jìn)行同步嚙合，通過多級齒輪嚙合的方式，可以將驅(qū)動電動機(jī)的驅(qū)動力矩傳遞到開口齒輪上的同時還可以保證剝皮器工作時旋轉(zhuǎn)至開口齒輪開口處時始終能保證至少一個傳動齒輪與開口齒輪進(jìn)行嚙合。開口齒輪的開口設(shè)計可以滿足50～240 mm2電纜通過，同時開口齒輪端面與絕緣桿固定座進(jìn)行固連。

圖2 雙嚙合旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)圖

圖3 雙嚙合旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置運(yùn)動原理圖

2.2 自適應(yīng)剝皮夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖4所示，自適應(yīng)剝皮夾具主要由夾持電動機(jī)、正反牙絲桿、導(dǎo)軌、上夾塊、下夾塊、夾緊軸承等組成。上下夾塊通過底部滑塊可以在導(dǎo)軌上進(jìn)行滑動，其上下夾塊的滑動范圍能滿足50～240 mm2的電纜順利穿過夾具。內(nèi)部的正反牙絲桿通過聯(lián)軸器與夾持電動機(jī)輸出軸進(jìn)行連接，上下夾塊內(nèi)部有與正反牙絲桿同規(guī)格螺紋。電纜插入上下夾塊中后，夾持電動機(jī)開始動作，帶動正反牙絲桿轉(zhuǎn)動，同步帶動上夾塊、下夾塊進(jìn)行同軸的相向運(yùn)動，上下夾塊逐步靠近電纜外表皮直至電纜外表皮接觸到上下夾塊上的夾緊軸承。上下夾塊上的電纜夾緊軸承可與不同規(guī)格電纜外表皮進(jìn)行外接接觸，從而實(shí)現(xiàn)電纜的夾緊，還可同時繞電纜外表皮圓周進(jìn)行轉(zhuǎn)動。

圖4 自適應(yīng)剝皮夾具結(jié)構(gòu)圖

圖5 自適應(yīng)剝皮夾具夾持圖

2.3 自動進(jìn)刀裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖6所示，自動進(jìn)刀裝置由進(jìn)刀電動機(jī)、剝皮刀具、刀具固定座、導(dǎo)軌等組成。刀具通過鎖緊螺釘固定在刀具固定座上，刀頭固定座內(nèi)部設(shè)有螺紋孔，進(jìn)刀電動機(jī)輸出軸則通過絲桿與刀具固定座內(nèi)部的螺紋孔進(jìn)行連接，同時可通過刀具固定座底部的滑塊在導(dǎo)軌上進(jìn)行滑動。

圖6 自動進(jìn)刀裝置結(jié)構(gòu)圖

3 力學(xué)分析

針對剝皮器結(jié)構(gòu)形式及實(shí)際受力情況，對剝皮器關(guān)鍵零部件進(jìn)行力學(xué)分析[3]，主要零部件包括驅(qū)動齒輪、傳動齒輪、開口齒輪、上夾塊、下夾塊、剝皮刀具。主要對驅(qū)動齒輪與傳動齒輪進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析，對剝皮刀具、上下夾塊進(jìn)行靜力學(xué)分析。齒輪嚙合時瞬態(tài)動力學(xué)分析如圖7所示。關(guān)鍵部件靜力學(xué)分析如圖8和圖9所示。

圖7 驅(qū)動齒輪與傳動齒輪嚙合應(yīng)變及應(yīng)力分析圖

圖8 剝皮刀具位移及應(yīng)力分析圖

通過仿真結(jié)果可以看出驅(qū)動齒輪（6061）、傳動齒輪（6061）、剝皮刀具（45）、剝皮夾具上夾塊（6061）[4]最大變形量很小，不會對機(jī)械結(jié)構(gòu)及剝皮器的動作產(chǎn)生影響。由分析結(jié)果可以看出驅(qū)動齒輪、傳動齒輪、剝皮刀具、剝皮夾具上夾塊所受的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對應(yīng)材料的許用應(yīng)力[5]，故可以判斷其所選部件所選材料及結(jié)構(gòu)形式的剛度和強(qiáng)度滿足適用要求。

4 控制系統(tǒng)

4.1 控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

智能剝皮器控制系統(tǒng)硬件設(shè)計包含遙控器和工具本身各執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制的主控器，硬件總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

4.2 智能剝皮器遙控器系統(tǒng)設(shè)計

4.2.1 遙控器硬件系統(tǒng)設(shè)計

遙控器硬件系統(tǒng)由電池供電系統(tǒng)、ARM微控處理單元、無線通信模組、液晶顯示終端、按鍵及檢測電路等組成，系統(tǒng)電路原理如圖11所示。

圖11 遙控器硬件原理圖

4.2.2 遙控器嵌入式軟件設(shè)計

ARM微處理器控制單元負(fù)責(zé)按鍵信號的采集、系統(tǒng)狀態(tài)及參數(shù)的顯示輸出、無線通信信號的接收和指令發(fā)送。處理器采用意法半導(dǎo)體公司（ST）推出的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控器STM32F103C8T6，最大主頻72 MHz，具有接口豐富、快速、高集成度、開發(fā)方便易用等諸多優(yōu)點(diǎn)，STM32F103C8T6具有37個IO口，10通道12 bit AD采樣接口，3個USART，2路SPI通信接口完全滿足遙控器系統(tǒng)功能要求。微控器每個IO口都可獨(dú)立配置為引腳中斷，可用于快速檢測定位某個功能按鍵是否按下從而執(zhí)行相應(yīng)的功能；AD采樣接口通過采樣電路實(shí)時獲取系統(tǒng)供電電壓并發(fā)送至液晶終端顯示；液晶顯示終端采用串口通信屏，微控器通過USART通信口與顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，可實(shí)時顯示剝皮工具的配置參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、電池實(shí)時電量等；無線通信模組和微控制通信采用SPI接口，SPI接口是一種同步串行總線，通信速率可達(dá)到10 MB/s，可實(shí)現(xiàn)遙控器和剝皮工具之間的高速數(shù)據(jù)通信。遙控器 軟件控制流程如圖12所示。

圖12 遙控器軟件控制流程

4.3 智能剝皮工具主控器系統(tǒng)設(shè)計

4.3.1 主控器硬件系統(tǒng)設(shè)計

主控器硬件系統(tǒng)主要包含電池供電系統(tǒng)、ARM主控器、無線通信模組、剝皮電動機(jī)驅(qū)動及剝皮長度檢測、主線夾緊松開開合電動機(jī)驅(qū)動、刀具位置調(diào)整等，ARM主控器采用意法半導(dǎo)體公司（ST）推出的基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的32位微控器STM32F446VET6，運(yùn)行主頻高達(dá)180 MHz，主要負(fù)責(zé)完成無線通信信號接收處理和運(yùn)行狀態(tài)的反饋；剝皮、主線夾緊松開、刀具位置深淺調(diào)整等電動機(jī)的控制；剝皮長度、主線夾緊松開狀態(tài)、刀具位置等的狀態(tài)檢測。

剝皮電動機(jī)采用大功率、大轉(zhuǎn)矩，外形小巧的無刷直流電動機(jī)，并采用磁場定向矢量控制驅(qū)動控制方法FOC，F(xiàn)OC能精確地控制磁場大小與方向，從而使電動機(jī)的運(yùn)動轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)、噪聲小、效率高，具有高速的動態(tài)響應(yīng)，能夠很好地適應(yīng)線纜剝皮需要的大轉(zhuǎn)矩、精確控制的目的，無刷電動機(jī)的驅(qū)動電路設(shè)計如圖13所示。

圖13 無刷電動機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計

無刷電動機(jī)的驅(qū)動電路主要使用三相逆變電路來實(shí)現(xiàn)，即把直流電變換為交流電，每一相采用半橋MOS電路來控制，用3個半橋電路就可以組合成三相逆變電路，每個半橋引出的一根輸出線和無刷電動機(jī)的一根相線相連，通過控制3個半橋的不同開關(guān)狀態(tài)，即可以控制電流在電動機(jī)中的不同流向，當(dāng)需要精準(zhǔn)控制電動機(jī)時，微控器根據(jù)需要計算所需電壓矢量，通過3組PWM信號驅(qū)動三相逆變電路，合成出等效的三相正弦電壓來驅(qū)動電動機(jī)。

4.3.2 主控器嵌入式軟件設(shè)計

智能剝皮器主控器嵌入式軟件主要實(shí)現(xiàn)包含：電池電量檢測、無線通信數(shù)據(jù)交互、無刷剝皮電動機(jī)的驅(qū)動、主線夾緊松開的開合電動機(jī)驅(qū)動、刀具位置調(diào)整電動機(jī)驅(qū)動、剝皮長度位置檢測、刀具位置檢測、電動機(jī)過載保護(hù)、設(shè)定數(shù)據(jù)存儲和全自動剝皮流程邏輯控制。

電池電量檢測主要利用微控器內(nèi)部的12 bit AD接口實(shí)時采樣，通過電阻分壓換算出實(shí)際電池電壓的值。無線通信芯片采用SPI通信接口，通過微控器配置遙控器和主控器采用同樣的工作頻率、通信地址、傳輸速率和數(shù)據(jù)包長度即可完成數(shù)據(jù)交互。無刷剝皮電動機(jī)的驅(qū)動在軟件上為配置3組互補(bǔ)對稱的PWM信號，利用算法和驅(qū)動電路配合將方波轉(zhuǎn)換成等效的SVPWM波形來按照剝皮邏輯操作驅(qū)動電動機(jī)剝皮。主線的夾緊松開開合電動機(jī)和刀具位置調(diào)整電動機(jī)采用直流電動機(jī)，軟件控制上通過不同的端口操作切換電動機(jī)方向，同時通過PWM可對電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速。剝皮長度根據(jù)用戶預(yù)先設(shè)定，軟件上在剝皮旋轉(zhuǎn)時實(shí)時獲取編碼器脈沖數(shù)值，根據(jù)編碼器單圈脈沖數(shù)和單圈移動的距離計算出相應(yīng)脈沖數(shù)下的剝皮橫向移動距離，到達(dá)所設(shè)定的長度后即可停止剝皮。剝皮時刀具的位置檢測是通過程序設(shè)定中斷口，當(dāng)剝皮到達(dá)線芯，光電傳感器產(chǎn)生中斷，程序接收中斷并停止刀具位置調(diào)整。電動機(jī)過載保護(hù)同樣利用微控器的AD采樣接口實(shí)時采樣電動機(jī)動力線電壓，并結(jié)合電流采樣電阻計算出電動機(jī)的運(yùn)行電流，電動機(jī)運(yùn)行時電流的波動比較大，所以軟件上還要經(jīng)過低通濾波處理，最終將計算出的電流和過載設(shè)定閾值相比較，當(dāng)超過閾值一定的時間后判斷為電動機(jī)過載則立即停止保護(hù)電動機(jī)和驅(qū)動系統(tǒng)。設(shè)定參數(shù)的存儲采用掉電非易失存儲器EEPROM，采用IIC協(xié)議進(jìn)行設(shè)定數(shù)據(jù)的存儲和獲取。全自動剝皮流程邏輯控制如圖9所示。

5 剝皮器操作方法

根據(jù)帶電作業(yè)規(guī)范，操作人員作業(yè)前會穿戴好相應(yīng)的絕緣手套、絕緣鞋等[6]。首先調(diào)整好剝皮器自適應(yīng)夾具角度使其對準(zhǔn)待剝皮電纜，通過遙控器按鍵控制夾緊電動機(jī)動作將電纜夾緊，并反饋夾緊量，從而計算出電纜的實(shí)際外徑，再通過遙控器按鍵控制進(jìn)刀電動機(jī)開始進(jìn)刀，進(jìn)刀過程中同步控制旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電動機(jī)邊旋轉(zhuǎn)邊進(jìn)刀，待傳感器檢測到線芯已完全露出后，剝皮器開始按照既定長度對電纜進(jìn)行剝皮。剝皮結(jié)束后，刀具退出，自適應(yīng)剝皮夾具松開，將剝皮器整體退出。

6 結(jié)語

本文針對10 kV配電線路不停電作業(yè)安全規(guī)范及實(shí)際需求，對智能剝皮器進(jìn)行分析研究，具體總結(jié)如下：1）詳細(xì)介紹了智能剝皮器的工作原理；2）詳細(xì)介紹了剝皮器結(jié)構(gòu)雙嚙合旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置、自適應(yīng)剝皮夾具、自動進(jìn)刀裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理；3）對剝皮器關(guān)鍵部件進(jìn)行力學(xué)分析，驗(yàn)證其剛度及強(qiáng)度滿足正常適用要求；4）分析并闡述智能剝皮器遙控器及主控器系統(tǒng)的主要內(nèi)容。