姚 波，于蘭英，吳文海，柯 堅，譚萬秋

(西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川成都 610031)

鐵路變電所是鐵路電力系統(tǒng)重要組成部分，負責(zé)將區(qū)域電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)換為適合電力牽引的電能。變電所絕緣子長期暴露在空氣中，灰塵和其他污染物集聚在絕緣子表面，當(dāng)空氣濕度較大時，絕緣子表面污染物吸收水分，使得絕緣子表面的電導(dǎo)率增大，絕緣子的電氣絕緣性大大降低，可能導(dǎo)致污閃事故［1］。為預(yù)防污閃事故的發(fā)生，需定期對絕緣子表面進行清理。目前主要的清理方式是帶電水沖洗，包括固定式水沖洗和移動式水沖洗兩種，其中固定式水沖洗一般應(yīng)用于環(huán)境污染嚴(yán)重地區(qū);移動式水沖洗使用移動水沖洗設(shè)備(如消防車或輪式帶電水沖洗車)，采用人工手持水槍的方式對絕緣子進行帶電水沖洗，這種方式對沖洗操作人員的技術(shù)水平和操作流程要求較高，并且需要較高的安全防護措施［2－3］。本文提出的絕緣子沖洗機器人與水沖洗車相結(jié)合，可取代人工對絕緣子進行沖洗，提高沖洗效率和自動化水平。

1 水沖洗機器人沖洗方案研究

水沖洗機器人主要針對鐵路變電所內(nèi)電壓等級在110kV以下的絕緣子，鐵路變電所內(nèi)主干道路面寬度一般大于3.5m［4］，而所內(nèi)巡視小道一般寬為1m，大型水沖洗車輛只能停在主干道上，無法靠近絕緣子分布區(qū)域。為對變電所內(nèi)絕緣子進行精確沖洗，筆者采取的沖洗方案為沖洗車+沖洗機器人的組合形式，沖洗機器人可通過巡視小道靠近絕緣子區(qū)域。如圖1所示，水沖洗車載有柴油發(fā)電機、電動機、離心泵、水箱等水沖洗配套設(shè)備［2］。工作時柴油發(fā)電機驅(qū)動電動機，電機帶動離心泵，水箱內(nèi)的高電阻率水經(jīng)離心泵增壓后，由沖洗機器人水槍射出。

圖1 沖洗方案

2 水沖洗機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

絕緣子水沖洗機器人如圖2所示，包括沖洗機構(gòu)、行走機構(gòu)、通水管路、控制箱、蓄電池等部件。行走機構(gòu)主要實現(xiàn)沖洗機器人的位置移動;沖洗機構(gòu)主要實現(xiàn)水槍的瞄準(zhǔn);控制箱控制機器人各機構(gòu)的運動;蓄電池為機器人各項設(shè)備提供動力;通水管路連通水沖洗車水箱和機器人水槍;下攝像機用于實時提取機器人周圍環(huán)境信息;上攝像機和光電距離傳感器安裝在水槍支架上，上攝像機用于提取絕緣子圖像信息，光電距離傳感器用于測量絕緣子與水槍之間的距離;沖洗機器人采用防淋雨設(shè)計，外殼用不銹鋼薄板制成;機器人尾部地線與變電所的地線端相連，起安全保護作用。

2.1 水沖洗機器人行走機構(gòu)

水沖洗機器人行走機構(gòu)主要實現(xiàn)機器人的自由移動。

圖2 絕緣子水沖洗機器人結(jié)構(gòu)示意圖

因為鐵路變電所內(nèi)道路主要為水泥路面，路面平整且附著情況良好，所以水沖洗機器人采用輪式移動底盤，如圖3所示。底盤軸距L=600mm，輪距B=720mm，為精簡底盤結(jié)構(gòu)和提高運行可靠性，轉(zhuǎn)向方式采用滑移轉(zhuǎn)向方式，機器人的最小轉(zhuǎn)向半徑，可以在寬度僅為1m的巡視小道轉(zhuǎn)向。

水沖洗機器人的移動采用遠程遙控，由于運動精度要求不高，因此可采用雙直流無刷電機作為驅(qū)動源，每個電機輸出經(jīng)過減速機后帶動兩根同步帶，以此驅(qū)動機器人一側(cè)的兩個車輪;機器人前端的車輪內(nèi)側(cè)安裝有電磁離合器，在機器人沖洗作業(yè)時為保持底盤靜止，電磁離合器通電結(jié)合鎖死車輪。

圖3 水沖洗機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 水沖洗機器人沖洗機構(gòu)

水沖洗機器人沖洗機構(gòu)功能為調(diào)整水槍姿態(tài)，瞄準(zhǔn)絕緣子實現(xiàn)沖洗。機器人水槍安裝高度為1.1m，絕緣子底部距地面高度大于 2.5m［4］，絕緣子長度為1.0m～2.4m，另根據(jù)帶電水沖洗規(guī)范要求，可知110kV級別絕緣子沖洗水柱長度不得小于3m［5］，由幾何關(guān)系，可確定機器人沖洗作業(yè)時，水槍的俯仰角度變化范圍為16°。由于在絕緣子瞄準(zhǔn)過程中，機構(gòu)運動精度要求較高，因此選用伺服電機作為沖洗機構(gòu)驅(qū)動電機。

沖洗結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和俯仰機構(gòu)［6］，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)通過齒輪傳動機構(gòu)帶動旋轉(zhuǎn)支承和其上支架轉(zhuǎn)動;俯仰機構(gòu)采用有自鎖功能的蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)，帶動水槍俯仰運動。兩機構(gòu)均采用伺服電機驅(qū)動，伺服電機控制精度高、運行平穩(wěn)，可實現(xiàn)對絕緣子的精確瞄準(zhǔn)，其中旋轉(zhuǎn)伺服電機配帶制動器。

2.3 水沖洗機器人管路系統(tǒng)

水沖洗機器人管路系統(tǒng)如圖3所示，水槍通過高壓軟管與焊接在下殼體的T型管道連接，T型管下部安裝旋轉(zhuǎn)接頭，可實現(xiàn)管路的旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)接頭連接電磁開關(guān)閥，控制整個管路系統(tǒng)的連通和關(guān)閉。沖洗機器人與水沖洗車之間采用纖維增強軟管連接，對水沖洗車上的沖洗配套設(shè)備起絕緣保護作用。整個管路系統(tǒng)最大工作壓力為2MPa，考慮水槍噴射流量，管路內(nèi)徑選擇為19mm。

2.4 水沖洗機器人主要性能參數(shù)

水沖洗機器人主要性能參數(shù)見表1。

3 水沖洗機器人滑移轉(zhuǎn)向條件分析

水沖洗機器人采用滑移轉(zhuǎn)向方式，底盤尾部拖動有軟管，軟管最長為20m，經(jīng)過計算，需克服摩擦力最大為50N，對機器人滑移轉(zhuǎn)向性能存在較大影響，需對機器人能否實現(xiàn)滑移轉(zhuǎn)向進行分析。

表1 水沖洗機器人主要性能參數(shù)

機器人滑移轉(zhuǎn)向時四輪受力情況復(fù)雜，為方便分析，假定機器人以低速轉(zhuǎn)向，忽略加速度的影響，并作以下限定［7］:

1)忽略輪胎的接地面積，將地面與輪胎的接觸看作點接觸，輪胎的中心為接觸點。

2)忽略離心力影響，車輪縱向速度為常量。

3)假定每個輪胎的附著力相等，即

式中:Fφ為單個輪胎的附著力;φ為附著系數(shù)。

4)機器人轉(zhuǎn)向速度較低，不考慮載荷轉(zhuǎn)移，則每個輪胎的滾動阻力

式中:f為滾動阻力;μ1為滾動摩擦系數(shù)。

5)轉(zhuǎn)向時，每個輪胎的側(cè)向阻力P與車重G成正比，即

式中:P為側(cè)向阻力;μ2為滑動摩擦系數(shù)。

簡化后的底盤受力如圖4所示，點O為底盤幾何中心，假定原地轉(zhuǎn)向時繞瞬心O轉(zhuǎn)動。

圖4 水沖洗機器人轉(zhuǎn)向四輪受力圖

由式(2)、(3)和力矩平衡可得:

式中:F為每個車輪的驅(qū)動力;B為底盤輪距;L為底盤軸距;L1為拖動水管與輪軸距離;F1為水管對機器人的拉力。

沖洗機器人工作路面為混凝土路面，φ=μ2=0.9，μ1=0.02，G=1 000N，L1=0.06m，F(xiàn)1=50N。當(dāng)四輪機器人能夠?qū)崿F(xiàn)滑移轉(zhuǎn)向時，需滿足，即:

將沖洗機器人的B和L的值帶入式(5)，計算結(jié)果滿足條件，即沖洗機器人可拖動水管實現(xiàn)滑移轉(zhuǎn)向。

4 水沖洗機器人作業(yè)穩(wěn)定性分析

當(dāng)沖洗機器人進行沖洗作業(yè)時，水柱對機器人存在反沖力，在機器人輪胎鎖死的情況下，輪胎和地面可能出現(xiàn)相對滑動，當(dāng)反沖力足夠大時機器人甚至可能會出現(xiàn)傾翻現(xiàn)象，造成極大安全隱患，因此有必要校核機器人穩(wěn)定性。

變電所路面最大坡度僅為 3.5°［4］，對作業(yè)穩(wěn)定性影響較小，忽略不計，又因沖洗機器人的輪距大于軸距，可知水槍朝行進方向水平?jīng)_洗時，沖洗機器人出現(xiàn)滑動或傾倒的可能性最大。沖洗機器人選擇的水槍噴嘴大小和沖洗壓力不同時，作用給機器人的沖洗反作用力不同。根據(jù)沖洗實驗所得數(shù)據(jù)，沖洗最大反沖力F2=100N。

機器人的最大靜摩擦力為 f1，計算得 f1=Gμ2＞F2，即最大靜摩擦力大于反沖力，機器人沖洗作業(yè)時底盤不會出現(xiàn)輪胎滑移現(xiàn)象。

假定機器人重心位于底盤中垂線上，機器人的傾翻力矩為 M1，穩(wěn)定力矩為 M2，水槍安裝高度H=1.1m，底盤軸距 L=0.6m，根據(jù)公式 M1=F2H，M2=0.5LG，計算得M1＜ M2，即穩(wěn)定力矩大于傾翻力矩，可知沖洗機器人朝行進方向水平?jīng)_洗時不會出現(xiàn)傾倒現(xiàn)象。綜合可得機器人沖洗作業(yè)時穩(wěn)定性符合要求。

5 結(jié)束語

本文針對鐵路變電所環(huán)境，開發(fā)設(shè)計的新型絕緣子水沖洗機器人結(jié)構(gòu)簡單可靠、體型小、控制簡單。但由于條件限制，設(shè)計過程主要傾向于理論分析和計算，缺乏實物實驗支撐，后續(xù)將研究通過機器人的制造和相關(guān)實驗，對機器人結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

［1］ 徐和明，曹建.絕緣子污閃事故發(fā)生的原因及防止措施［J］.安徽電力，2005，22(1):19 －25.

［2］ 王佩，于蘭英，王國志，等.鐵路牽引變電所輪式帶電水沖洗車設(shè)計［J］.中國鐵路，2013(1):79－81.

［3］ WANG Ruzhang，SUN Lin.Safety and technique of hot washing［C］//ESMO＇93 － 1993 IEEE 6th International Conference on Transmission＆Distribution Construction＆Live－line Maintenance Proceedings.Nevada，USA:IEEE，1993:225 －239.

［4］ TB 10009－2005鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中華人民共和國鐵道部，2005.

［5］ GB/T 13359－2008電力設(shè)備帶電水沖洗導(dǎo)則［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［6］ 王國志，王興民，單寶成，等.KJ－A型電氣化鐵道絕緣子帶電水沖洗裝置的研制［J］.電氣化鐵道，2003(1):26－28.

［7］ 張國君，楊世文.四輪車輪滑移轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)條件分析［J］.拖拉機與農(nóng)用運輸車，2007，34(4):22 －24.