， 　， 　， ， ，(. 西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都　6003； . 朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司， 河北 肅寧 06350)

引言

牽引變電站擔(dān)負(fù)著整個(gè)鐵路系統(tǒng)的用電安全，電氣化鐵路沿線牽引變電站污穢閃絡(luò)事故卻時(shí)有發(fā)生，已經(jīng)成為電氣化鐵路的一大公害。為了避免污閃事故的發(fā)生，應(yīng)對(duì)絕緣子進(jìn)行清掃作業(yè)?，F(xiàn)在很多供電段都已經(jīng)采用了帶電水沖洗來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工清掃作業(yè)，提高了工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了鐵路運(yùn)輸組織作業(yè)正常運(yùn)行[1,2]。

但是由于經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)和環(huán)境等因素，工作人員不能對(duì)影響水沖洗安全的每個(gè)因素進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，因此導(dǎo)致了許多事故的發(fā)生。所以為了保證工作人員的人身安全，針對(duì)110 kV牽引變電站，設(shè)計(jì)開發(fā)出一種新型的履帶式帶電水沖洗機(jī)器人。能夠通過遠(yuǎn)程控制，完成大部分的水沖洗作業(yè)[3-6]。

1　總體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)主要由輪式車輛平臺(tái)、2臺(tái)履帶式水沖洗機(jī)器人組成。輪式車輛平臺(tái)負(fù)責(zé)將水沖洗機(jī)器人等配套設(shè)備運(yùn)送至牽引變電站內(nèi)。再由工作人員將機(jī)器人從車上搬下，進(jìn)行水沖洗作業(yè)。

1.1　輪式車輛平臺(tái)

輪式車輛平臺(tái)上搭載有柴油發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、離心水泵、水箱等水沖洗的配套裝置[7]。平臺(tái)的動(dòng)力由柴油發(fā)電機(jī)提供。柴油發(fā)電機(jī)為電動(dòng)機(jī)供電繼而驅(qū)動(dòng)水泵。水泵通過水壓系統(tǒng)向2臺(tái)水沖洗機(jī)器人供水。

水壓系統(tǒng)主要由離心泵、分流閥、電磁開關(guān)閥以及溢流閥等組成(圖1)。通過變頻器調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而調(diào)節(jié)離心泵流量和揚(yáng)程來滿足不同沖洗要求。溢流閥來保證水壓系統(tǒng)的安全運(yùn)行，通過控制電磁開關(guān)閥實(shí)現(xiàn)非工作狀態(tài)下的系統(tǒng)卸荷。從泵出來的水經(jīng)過分流閥后均勻的輸送給兩臺(tái)機(jī)器人使用，并能夠通過兩個(gè)電磁開關(guān)閥單獨(dú)控制通斷。

圖1　水壓系統(tǒng)工作原理圖

1.2　水沖洗機(jī)器人

水沖洗機(jī)器人分為工作和行走兩大部分。工作部分要完成旋轉(zhuǎn)和俯仰動(dòng)作[8]，結(jié)構(gòu)如圖2所示。履帶式底盤具有道路適應(yīng)性強(qiáng)，轉(zhuǎn)彎半徑小等優(yōu)點(diǎn)，作為工作部分的載體，實(shí)現(xiàn)工作部分在場(chǎng)地內(nèi)的移動(dòng)。沖洗工藝選擇雙槍跟蹤法，兩臺(tái)水沖洗機(jī)器人協(xié)調(diào)作業(yè)。

圖2　工作部分結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)動(dòng)作：控制下部旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)，通過齒輪傳動(dòng)使旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)其上的中間支架以及上支架的同步轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在自制旋轉(zhuǎn)支撐上的噴槍也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。

俯仰動(dòng)作：控制上部俯仰伺服電機(jī)，而后經(jīng)過減速增矩后帶動(dòng)自制旋轉(zhuǎn)接頭轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)噴槍的俯仰動(dòng)作。由于采用了具有自鎖的蝸輪蝸桿傳動(dòng)形式，在斷電時(shí)，噴槍能夠停止在工作位置。

水壓系統(tǒng)供應(yīng)的水從下圖管道流入圖中下部軟管中，通過旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入上部金屬軟管，再流入自制旋轉(zhuǎn)接頭，最后通過噴槍噴出。

2　機(jī)器人關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1　噴嘴設(shè)計(jì)

噴嘴是整個(gè)設(shè)計(jì)中很重要的一個(gè)部件，噴嘴的優(yōu)劣直接影響到水沖洗的效果。分析比較幾種類型的噴嘴的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，最終選取圓柱形噴嘴。它具有高的水柱射程和水流密集度，水流不易散花，能夠有效地除去絕緣子表面的污垢。設(shè)計(jì)的噴嘴結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　噴嘴結(jié)構(gòu)圖

取進(jìn)口壓力為1 MPa，出口直徑選擇中沖洗4 mm。出口速度約為44.7 m/s，反沖力大小約為25 N，流量為33.6 L/min。

使用流體仿真軟件對(duì)噴嘴性能進(jìn)行計(jì)算，從得出的結(jié)果中可以看出：出口最大速度為44.7 m/s(如圖4)，流量為32.4 L/min，與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)，說明計(jì)算模型建立正確[9，10]。

圖4　噴嘴出口處速度云圖

現(xiàn)行電力設(shè)備帶電水沖洗導(dǎo)則中規(guī)定沖洗110 kV 時(shí)水柱長(zhǎng)度不得小于3 m。保持一定的水柱長(zhǎng)度是保證帶電水沖洗時(shí)人身安全的必要條件[11]。同時(shí)，為了具有較好的沖洗能力，水柱在此距離外還應(yīng)具有一定的打擊力。而這些都在仿真結(jié)果中都有體現(xiàn)，從圖5不同位置處垂直于軸線流體速度分布曲線中，可以看到，在水柱直徑0.2 m處水流速度仍有4.6 m/s，能夠滿足水沖洗的去污要求。

圖5　距噴嘴4 m、5 m和6 m時(shí)垂直于軸線流體速度分布曲線

2.2　旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)計(jì)

由于機(jī)器人要完成旋轉(zhuǎn)和俯仰動(dòng)作，如果在兩個(gè)機(jī)構(gòu)的重合部分不使用旋轉(zhuǎn)接頭，那么連接到旋轉(zhuǎn)軸上的水管就會(huì)不斷地被動(dòng)彎曲，容易造成疲勞破壞，影響正常的生產(chǎn)作業(yè)。其性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠工作至關(guān)重要。

然而市面上沒有能夠直接滿足工作要求的旋轉(zhuǎn)接頭，所以在此處就自行設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)接頭，結(jié)構(gòu)如圖6所示。旋轉(zhuǎn)接頭采用通軸形式，避免在接口處形成簡(jiǎn)支軸同時(shí)，采用金屬軟管連接入流口，防止旋轉(zhuǎn)部分承受扭矩，造成疲勞破壞，保證旋轉(zhuǎn)接頭的密封性能，延長(zhǎng)其工作壽命[12]。

圖6　自制旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)

3　機(jī)器人總體參數(shù)計(jì)算

(1) 重量：為了使沖洗機(jī)器人在工作時(shí)能夠保持靜止，在不增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的情況下，依靠其自身與地面摩擦力來克服機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，這就對(duì)重量就有一定的要求。整臺(tái)機(jī)器人(包括地盤)的重量約為40 kg；

(2) 尺寸：在能夠滿足重量要求得前提下，盡量減小尺寸，方便車上放置以及人員搬運(yùn)。最終尺寸定為 800 mm×600 mm×800 mm；

(3) 運(yùn)行速度：因?yàn)檫\(yùn)行場(chǎng)地道路狹窄，運(yùn)行速度不宜過大，考慮到現(xiàn)場(chǎng)工作情況，選定運(yùn)行速度為1 m/s；

(4) 轉(zhuǎn)彎半徑：底盤驅(qū)動(dòng)采用兩個(gè)普通交流電機(jī)，前后布置，為差速轉(zhuǎn)向，理論轉(zhuǎn)向半徑為0，并且地盤長(zhǎng)度尺寸較小，滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)道路要求；

(5) 轉(zhuǎn)角范圍：考慮到水沖洗準(zhǔn)則要求水平和垂直沖洗角度都應(yīng)小于45°。為了增加噴射范圍和操作靈活性，工作部分可以做360°回轉(zhuǎn)以及20°～90°的俯仰；

(6) 水管管徑：參照水在管道內(nèi)流速常用值，應(yīng)用場(chǎng)合為泵出口時(shí)，平均流速推薦值為1.0～3.0 m/s，現(xiàn)選取2.5 m/s。所以管徑選擇19 mm的夾布膠管。

4　結(jié)論

履帶式帶水沖洗機(jī)器人針對(duì)110 kV鐵路牽引變電站，嚴(yán)格按照電力設(shè)備帶電水沖洗導(dǎo)則進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，使用了計(jì)算機(jī)仿真軟件予以輔助設(shè)計(jì)?？梢酝ㄟ^控制其俯仰和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作以及兩臺(tái)機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)多種水沖洗動(dòng)作。能夠提高水沖洗作業(yè)的智能化程度和安全性能。

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