杜麗　袁勇　張凱　黃俊

【摘 要】高壓電線除冰裝置對于保障高空輸電線路的安全具有重要意義。針對現(xiàn)有除冰裝置的不足，設(shè)計(jì)了一種集微波物理加熱與機(jī)械破冰于一體的新型高壓電線除冰裝置。該裝置分為驅(qū)動(dòng)與行走部分、除冰機(jī)構(gòu)與控制部分，其中驅(qū)動(dòng)與行走部分設(shè)計(jì)了以適應(yīng)各種冰況及防滑的驅(qū)動(dòng)輪，除冰機(jī)構(gòu)上以微波物理熱熔化和間歇式機(jī)械敲擊相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了低能、高效、平穩(wěn)、安全的除冰。

【關(guān)鍵詞】低成本；高效率；微波；機(jī)械；除冰

1 背景及意義

2008年初，我國南方數(shù)省輸電線路遭遇歷史上罕見的冰雪災(zāi)害。長時(shí)間持續(xù)的高強(qiáng)度、大范圍低溫雨雪冰凍天氣，導(dǎo)致湖南、江西、浙江、安徽、湖北等地的電網(wǎng)發(fā)生倒塔、斷線、舞動(dòng)、覆冰閃絡(luò)等多種災(zāi)害。按國家電網(wǎng)局災(zāi)后統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，僅國家電網(wǎng)的重建修復(fù)資金就耗資300多億，并且恢復(fù)任務(wù)非常艱巨。雪災(zāi)所導(dǎo)致的電網(wǎng)癱瘓不僅讓國家耗資耗力，還讓廣大災(zāi)區(qū)人民備受煎熬。因此，必須及時(shí)破除高壓輸電線路上的結(jié)冰，保障電網(wǎng)安全。然而，目前的破冰方式還是以人工除冰為主，需要工人攀爬到高空進(jìn)行作業(yè)，不僅存在重大安全隱患，而且效率低下，并且受限制于一些特殊地區(qū)，如高原、叢林地帶。

目前已有的高壓電線除冰裝置，其基本方法主要包括熱力除冰法、被動(dòng)法、機(jī)械除冰法。熱力除冰效果明顯，但能量損耗大，設(shè)備投資成本高；被動(dòng)法簡單易行，但可能因不均勻或不同期脫冰產(chǎn)生導(dǎo)線跳躍，引起線路事故；機(jī)械除冰法……。此外，人們還提出或正在研究電子凍結(jié)、電暈放電和碰撞前顆粒凍結(jié)、電磁脈沖除冰法、氣動(dòng)脈沖除冰法以及高壓高頻勵(lì)磁除冰法等技術(shù)，但都存在費(fèi)用較高、技術(shù)不夠成熟等問題。

為了達(dá)到高效率、低成本、低功耗、安全性強(qiáng)、操作方便的除冰目的，我們結(jié)合人因工程學(xué)的理念，將物理微波激振與電子機(jī)械相結(jié)合設(shè)計(jì)出了一種新型高壓電線除冰裝置。

2 設(shè)計(jì)方案

新型高壓電線除冰裝置結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，整套裝置主要靠橫架結(jié)構(gòu)（27）組成，由自帶電瓶箱供電，首先利用測距傳感器（4）測量電線覆冰厚度，并反饋到箱體盒（2）中的微型計(jì)算器進(jìn)行處理，通過無線顯示到遠(yuǎn)程App終端，由人工遠(yuǎn)程操作微型計(jì)算器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)（24）的啟閉、電磁離合器（11）的離合以及微波發(fā)射器（5）的融冰工作。并由一臺40W電動(dòng)機(jī)（24）驅(qū)動(dòng)，通過圓柱齒輪（13）將轉(zhuǎn)速與扭矩傳到驅(qū)動(dòng)半軸上，然后直接經(jīng)由槽輪（12）通過皮帶將動(dòng)力傳輸?shù)藉F齒輪對（18），從而將動(dòng)力換向到凸輪（10）上，由凸輪（10）的周期旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)破冰伸出臂（7）的搖擺運(yùn)動(dòng)，迫使彈簧（9）因其剛度要求而實(shí)現(xiàn)碎冰器（6）對覆冰的重力敲擊，而其彈簧銷桿（8）頂端距離限制則可避免碎冰器（6）損傷電線。而采用皮帶傳動(dòng)具有過載保護(hù)的作用，當(dāng)敲擊力太大時(shí)，皮帶通過打滑以實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。其行走則是通過電磁離合器（11）將驅(qū)動(dòng)半軸的動(dòng)力傳到鏈輪（19），再由鏈條（20）將旋轉(zhuǎn)傳到鏈輪（23），由輸出軸帶動(dòng)前輪驅(qū)動(dòng)輪（26）沿電線行走，其配合輪（21）通過鈕扣板（25）限制可調(diào)范圍和彈簧（22）壓緊，使驅(qū)動(dòng)輪貼和覆冰進(jìn)行受力行走，從而實(shí)現(xiàn)“一機(jī)兩用”控制裝置的移動(dòng)與破冰。

綜上所述，整套裝置機(jī)構(gòu)組成可分為三個(gè)主要機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)與行走機(jī)構(gòu)、除冰機(jī)構(gòu)以及控制機(jī)構(gòu)。

2.1 驅(qū)動(dòng)與行走機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

采用40W電動(dòng)機(jī)進(jìn)行單機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過一對傳動(dòng)比為2的圓柱齒輪將電動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳至驅(qū)動(dòng)半軸上，再經(jīng)離合器和鏈輪及鏈條將動(dòng)力傳至前輪驅(qū)動(dòng)輪上，其中鏈輪之間傳動(dòng)比設(shè)計(jì)為3.2，總體齒輪傳動(dòng)將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速減速傳至驅(qū)動(dòng)輪，由驅(qū)動(dòng)輪齒槽嚙合電線行走，由于覆冰并不能完全除去，故配合輪與驅(qū)動(dòng)輪間用彈簧和鈕扣板保證裝置能平穩(wěn)越冰行走。

其中，齒槽設(shè)計(jì)可增大驅(qū)動(dòng)輪與電線間的摩擦阻力，亦可在行走于殘冰時(shí)能越過殘冰，并對其進(jìn)行進(jìn)一步破碎處理。

2.2 除冰機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

此套除冰機(jī)構(gòu)分為兩個(gè)部分，物理微波融冰和機(jī)械破碎除冰。

物理微波融冰，是在伸出臂端安裝頻率為24125MHZ的磁控管。利用高壓電線比冰層吸收微波能力強(qiáng)易于加熱的特性，利用磁控管發(fā)出的微波在電線與發(fā)射面板間不斷反射進(jìn)行能量加強(qiáng)，加熱電線融化覆冰。

機(jī)械破碎除冰，是利用凸輪回轉(zhuǎn)以及彈簧縮緊的杠桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)破碎器來回敲擊覆冰。采用雙三角尖端對冰的破碎更有利，能更高效破冰。

2.3 控制機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

控制機(jī)構(gòu)，是測距傳感器對裝置與電線間進(jìn)行測距反饋，由遠(yuǎn)程終端App發(fā)出電動(dòng)機(jī)與離合器的啟動(dòng)與閉合指令，經(jīng)由裝置自帶微型簡易計(jì)算機(jī)處理進(jìn)行控制的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)。

3 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 驅(qū)動(dòng)和行走部分

利用鏈條與齒輪定傳動(dòng)比傳動(dòng)到驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪輪面設(shè)計(jì)成齒槽形，能有效防止除冰裝置在冰面打滑，也能除去除冰機(jī)構(gòu)未處理的殘冰。彈簧鈕扣板能適應(yīng)各種冰面，以保證行走輪夾緊在電線上不脫落，同時(shí)彈簧也能減緩由冰面不平引起的振動(dòng)和沖擊，使整個(gè)裝置在冰面上行走更加平穩(wěn)。

3.2 融冰除冰部分

利用微波融化除冰使冰脫離電線，形成應(yīng)力集中區(qū)，結(jié)合機(jī)械式雙三角尖端敲擊破冰。除冰效率大大提高，并能使除冰效果更加明顯。

3.3 遠(yuǎn)程控制部分

可采用手機(jī)App終端操作即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，這樣降低了人工操作的危險(xiǎn)性，亦能適應(yīng)各種不同的山區(qū)、叢林。

新型除冰裝置不僅融合了純機(jī)械除冰的破碎原理，還較好解決了高科技往往高成本問題。這樣的除冰裝置設(shè)計(jì)，給用戶帶來了了經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的感受，還提供了安全可靠、高效低耗的保障。此裝置集微波物理加熱與機(jī)械破冰于一體，體現(xiàn)了低能、高效、平穩(wěn)、安全等各方面性能，具有好的市場發(fā)展前景。

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[責(zé)任編輯：王楠]