無(wú)人機(jī)掛載噴涂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：高壓輸電線路外絕緣子的清洗和防污閃噴涂是確保線路安全運(yùn)行的重要工作。然而，傳統(tǒng)人工高空作業(yè)存在施工周期長(zhǎng)、難度大、成本高和人身安全風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題。鑒于此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種無(wú)人機(jī)掛載噴涂機(jī)構(gòu)，以替代傳統(tǒng)人工操作。該機(jī)構(gòu)包括無(wú)人機(jī)底座、噴涂設(shè)備底板組件、定制水箱、循環(huán)泵、軟管系統(tǒng)、噴頭組件、電控箱組件等。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵組件的設(shè)計(jì)優(yōu)化，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的液體輸送和均勻噴涂。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，無(wú)人機(jī)掛載噴涂機(jī)構(gòu)在飛行穩(wěn)定性、噴涂均勻性和操作便捷性等方面表現(xiàn)優(yōu)異，能顯著提高高壓輸電線路維護(hù)的效率和安全性。最后對(duì)無(wú)人機(jī)掛載噴涂機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步改進(jìn)和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；噴涂機(jī)構(gòu)；外絕緣子

中圖分類號(hào)：TP23" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）01-0033-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.01.008

0" " 引言

高壓輸電線路的外絕緣性能對(duì)線路的安全運(yùn)行至關(guān)重要。外絕緣子的主要功能是確保電氣系統(tǒng)中的各個(gè)部分保持絕緣，從而防止短路和其他電氣故障。然而，由于環(huán)境污染、氣候條件等因素的影響，防污閃涂料會(huì)逐漸被污損或脫落，導(dǎo)致絕緣性能下降，增加了發(fā)生閃絡(luò)和電擊的風(fēng)險(xiǎn)。也正是因?yàn)槿绱?，每年因絕緣性能下降導(dǎo)致的輸電線路事故頻發(fā)，對(duì)電力供應(yīng)的可靠性和安全性造成了嚴(yán)重影響[1]。

傳統(tǒng)的外絕緣子維護(hù)主要依賴人工操作，工人需要攀爬至高空進(jìn)行清洗和噴涂作業(yè)。這種方法不僅危險(xiǎn)，而且在高溫或嚴(yán)寒等惡劣環(huán)境下工作，進(jìn)一步增加了作業(yè)難度和安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，人工操作的施工周期長(zhǎng)、成本高，無(wú)法滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)對(duì)高效、安全維護(hù)的需求。

為了解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種無(wú)人機(jī)掛載的噴涂機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)通過(guò)無(wú)人機(jī)攜帶噴涂設(shè)備，能夠在高空自動(dòng)進(jìn)行絕緣子的清洗與噴涂作業(yè)。相較于傳統(tǒng)方法，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行帶電噴涂作業(yè)不僅大大提高了工作效率，還顯著降低了人力成本和安全風(fēng)險(xiǎn)[2]。

本文的研究為電力系統(tǒng)的外絕緣子維護(hù)提供了一種高效、安全、經(jīng)濟(jì)的解決方案，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。

1" " 設(shè)計(jì)需求分析

無(wú)人機(jī)掛載噴涂機(jī)構(gòu)的應(yīng)用背景：對(duì)絕緣子進(jìn)行清洗和噴涂防污閃涂料。傳統(tǒng)的人工清洗和噴涂方法存在高空作業(yè)危險(xiǎn)、工作環(huán)境惡劣、施工周期長(zhǎng)、成本高等問(wèn)題，因此，開發(fā)一種能夠替代人工操作的自動(dòng)化設(shè)備顯得尤為重要。無(wú)人機(jī)掛載噴涂機(jī)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，它不僅能夠提高工作效率，還能降低人工成本和安全風(fēng)險(xiǎn)[3]。

為了滿足高壓輸電線路外絕緣子清洗和噴涂的需求，無(wú)人機(jī)掛載噴涂機(jī)構(gòu)需要滿足以下設(shè)計(jì)需求和目標(biāo)：

1）輕量化設(shè)計(jì)。采用輕質(zhì)材料，如鋁合金框架和PP板，確保設(shè)備在無(wú)人機(jī)的安全負(fù)載范圍內(nèi)。

2）穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)堅(jiān)固的安裝結(jié)構(gòu)，確保設(shè)備在飛行過(guò)程中穩(wěn)定，避免振動(dòng)影響噴涂效果；采用高效循環(huán)泵和軟管系統(tǒng)，保證水流的穩(wěn)定性和噴涂的均勻性。

3）操作便捷。地面操作人員能夠方便地將設(shè)備安裝在無(wú)人機(jī)上，并通過(guò)簡(jiǎn)單操作完成噴涂任務(wù)；系統(tǒng)需要具備快速裝卸功能，便于維護(hù)和更換設(shè)備。

4）安全性。確保設(shè)備的設(shè)計(jì)和使用符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，避免對(duì)設(shè)備本身和操作人員造成損害；具備應(yīng)急停止功能，防止意外情況發(fā)生[4]。

通過(guò)滿足上述設(shè)計(jì)需求和目標(biāo)，無(wú)人機(jī)掛載噴涂機(jī)構(gòu)能夠顯著提高高壓輸電線路外絕緣子的維護(hù)效率，降低人工成本和安全風(fēng)險(xiǎn)，為電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保障。

2" " 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)高效、安全的高壓輸電線路外絕緣子清洗和噴涂作業(yè)，本設(shè)計(jì)提出了一種無(wú)人機(jī)掛載噴涂機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)綜合考慮了輕量化、穩(wěn)定性和操作便捷性等多方面的需求，通過(guò)優(yōu)化各個(gè)關(guān)鍵組件，確保系統(tǒng)在高空作業(yè)環(huán)境下的可靠性和高效性。以下將詳細(xì)介紹系統(tǒng)的組成、各關(guān)鍵組件的設(shè)計(jì)及其工作原理。

2.1" " 系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)掛載噴涂機(jī)構(gòu)主要由無(wú)人機(jī)底座、噴涂設(shè)備底板組件、定制水箱、DN10軟管、循環(huán)泵、DN8軟管、快裝卡組件、電控箱組件、軟管支撐架、快拆固定件、304不銹鋼延長(zhǎng)管、扇形噴頭等部分組成，如圖1所示。

2.2" " 關(guān)鍵組件設(shè)計(jì)

1）無(wú)人機(jī)底座。無(wú)人機(jī)底座采用輕質(zhì)鋁合金材料制成，設(shè)計(jì)成彈力管卡結(jié)構(gòu)，確保噴涂設(shè)備能夠穩(wěn)固地安裝在無(wú)人機(jī)上，同時(shí)方便拆卸和更換。

2）噴涂設(shè)備底板組件。噴涂設(shè)備底板組件是整個(gè)系統(tǒng)的支撐平臺(tái)，采用PP板材料，具有輕便、耐用和防腐蝕的特點(diǎn)。底板上設(shè)計(jì)有固定孔位和安裝槽，用于安裝和固定各個(gè)組件。

3）定制水箱。定制水箱采用304不銹鋼材料制成，容量根據(jù)無(wú)人機(jī)的負(fù)載能力進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保在保證飛行安全的前提下，盡可能增加噴涂作業(yè)的續(xù)航時(shí)間。水箱通過(guò)專用固定件安裝在噴涂設(shè)備底板上，并通過(guò)DN10軟管連接循環(huán)泵。

4）循環(huán)泵。循環(huán)泵負(fù)責(zé)從水箱中抽取液體，并通過(guò)軟管系統(tǒng)將液體輸送到噴頭。循環(huán)泵的選型需要考慮其流量和壓力，以確保能夠提供穩(wěn)定的液體輸出。循環(huán)泵通過(guò)底板下方的走線連接至電控箱，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

5）軟管系統(tǒng)。軟管系統(tǒng)包括DN10和DN8軟管，用于液體的輸送。DN10軟管連接水箱和循環(huán)泵，DN8軟管連接循環(huán)泵和噴頭。軟管系統(tǒng)需要具備耐壓、耐腐蝕的特性和柔韌性，確保在高空作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。

6）噴頭組件。噴頭組件包括304不銹鋼延長(zhǎng)管和扇形噴頭。延長(zhǎng)管用于增加噴涂范圍，扇形噴頭則用于將液體均勻噴涂到絕緣子表面。噴頭組件的設(shè)計(jì)需要考慮噴涂的均勻性和覆蓋范圍，以提高清洗和噴涂效果。

2.3" " 系統(tǒng)工作原理

無(wú)人機(jī)起飛并飛行至待噴涂的高壓絕緣子附近，通過(guò)控制系統(tǒng)啟動(dòng)循環(huán)泵。循環(huán)泵從水箱中抽取液體，經(jīng)過(guò)DN10軟管輸送至快裝卡組件，再通過(guò)DN8軟管輸送至噴頭。液體經(jīng)過(guò)304不銹鋼延長(zhǎng)管和扇形噴頭，均勻地噴涂到絕緣子表面，完成清洗和噴涂作業(yè)。

3" " 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

為了驗(yàn)證無(wú)人機(jī)掛載噴涂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)性能和實(shí)際應(yīng)用效果，進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)與測(cè)試。以下內(nèi)容涵蓋了實(shí)驗(yàn)方案、測(cè)試結(jié)果以及數(shù)據(jù)分析[5]。

3.1" " 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：1）無(wú)人機(jī)（載重量5 kg，續(xù)航時(shí)間30 min）；2）無(wú)人機(jī)掛載噴涂機(jī)構(gòu)（圖2）；3）標(biāo)準(zhǔn)高壓絕緣子樣品；4）清洗液和防污閃涂料；5）流量計(jì)、壓力傳感器、噴涂均勻性測(cè)試儀。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：室外實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，模擬實(shí)際高壓線路環(huán)境，不同天氣條件（晴天、多云、風(fēng)速5 m/s以下）下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)步驟：

1）安裝與準(zhǔn)備：將噴涂設(shè)備安裝在無(wú)人機(jī)底座上，向水箱加滿清洗液或防污閃涂料，檢查各連接件的牢固性。

2）地面測(cè)試：在地面上啟動(dòng)系統(tǒng)，檢查循環(huán)泵、軟管和噴頭的工作狀態(tài)，確保無(wú)泄漏和阻塞。

3）飛行與噴涂測(cè)試：（1）無(wú)人機(jī)起飛，飛行至絕緣子樣品上方；（2）啟動(dòng)循環(huán)泵，開始噴涂作業(yè)；（3）通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)調(diào)整噴涂流量和壓力，記錄噴涂時(shí)間、液體消耗量；（4）使用噴涂均勻性測(cè)試儀測(cè)量噴涂效果。

3.2" " 測(cè)試結(jié)果

1）穩(wěn)定性測(cè)試。在5次實(shí)驗(yàn)中，無(wú)人機(jī)均能夠穩(wěn)定懸停并完成噴涂作業(yè)。設(shè)備在飛行過(guò)程中無(wú)明顯抖動(dòng)，噴涂流量和壓力保持穩(wěn)定，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

2）噴涂均勻性測(cè)試。使用噴涂均勻性測(cè)試儀對(duì)絕緣子表面進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示噴涂均勻性良好，無(wú)明顯的液體堆積或遺漏（圖3），測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

3.3" " 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)與測(cè)試數(shù)據(jù)分析，無(wú)人機(jī)掛載噴涂機(jī)構(gòu)在以下幾個(gè)方面表現(xiàn)優(yōu)異：

1）穩(wěn)定性：在正常天氣條件下，無(wú)人機(jī)掛載噴涂機(jī)構(gòu)能夠保持穩(wěn)定的飛行和噴涂狀態(tài)，系統(tǒng)故障率為0。

2）噴涂均勻性：測(cè)試結(jié)果表明，噴涂均勻性較高，絕緣子表面噴涂厚度均勻，確保了清洗和防污閃效果。

綜上所述，無(wú)人機(jī)掛載噴涂機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出較高的可靠性和有效性，能夠有效替代人工操作，提高高壓輸電線路外絕緣子清洗和噴涂的效率和安全性。

4" " 結(jié)論與展望

4.1" " 結(jié)論

通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)掛載噴涂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)與測(cè)試，本文得出了以下結(jié)論：

1）系統(tǒng)穩(wěn)定性高：無(wú)人機(jī)掛載噴涂機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。在不同的飛行高度和姿態(tài)下，設(shè)備均能穩(wěn)定工作，循環(huán)泵、軟管系統(tǒng)和噴頭組件能夠保持一致的液體輸送和噴涂效果。

2）噴涂均勻性好：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，噴涂均勻性高，絕緣子表面的涂層厚度均勻，確保了清洗和防污閃效果。噴頭組件設(shè)計(jì)合理，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻噴涂，滿足高壓輸電線路維護(hù)要求。

綜上所述，無(wú)人機(jī)掛載噴涂機(jī)構(gòu)在高壓輸電線路外絕緣子清洗和噴涂作業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景，能夠有效提高運(yùn)維效率和安全性。

4.2" " 展望

盡管該無(wú)人機(jī)掛載噴涂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)取得了一定成果，但仍有一些方面需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)，以提升設(shè)備的性能，拓展其應(yīng)用范圍。

1）智能化控制：引入更多的智能化控制手段，如自動(dòng)避障、路徑規(guī)劃和智能識(shí)別技術(shù)，提升無(wú)人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下的自主作業(yè)能力，進(jìn)一步提高噴涂效率和精準(zhǔn)度[6]。

2）多功能集成：開發(fā)集成更多功能的掛載設(shè)備，如具備清洗、檢測(cè)和修復(fù)等多種功能的模塊化設(shè)計(jì)，提升設(shè)備的多樣性和實(shí)用性，滿足不同維護(hù)需求。

3）適應(yīng)性擴(kuò)展：進(jìn)一步研究設(shè)備在各種極端氣候條件下的適應(yīng)性，確保在高溫、低溫、大風(fēng)等復(fù)雜環(huán)境下也能穩(wěn)定工作，拓展其應(yīng)用范圍。

通過(guò)以上改進(jìn)和優(yōu)化，無(wú)人機(jī)掛載噴涂機(jī)構(gòu)將能夠更好地滿足高壓輸電線路維護(hù)的需求，推動(dòng)電力系統(tǒng)運(yùn)維向智能化和自動(dòng)化方向發(fā)展，為電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供更強(qiáng)有力的保障。

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收稿日期：2024-08-12

作者簡(jiǎn)介：陳適（1994—），男，湖北黃石人，工程師，研究方向：無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢及輸電線路運(yùn)維檢修等。