龔雷鋒　張文華　張浩亮

【摘要】：高壓輸電線智能除冰機(jī)器人由控制、行走、除冰、越障、智能充電五部分組成，可實(shí)現(xiàn)三個(gè)維度方向的運(yùn)動(dòng)，輕松越障、運(yùn)行靈活，巧妙的設(shè)計(jì)使除冰快捷有效，安全可靠。

【關(guān)鍵詞】：除冰；行走；越障；無線充電

一、技術(shù)背景：

在冬天，高壓輸電線路上有可能結(jié)冰，給安全輸電帶來隱患。北方大面積地區(qū)輸電線系統(tǒng)都有除冰需要，現(xiàn)有的除冰機(jī)構(gòu)雖然可以除冰，但由于結(jié)構(gòu)的原因，都基本上不能或不能很好的越障，而高壓線路上有很多絕緣子、防震錘、間隔棒等，除冰機(jī)構(gòu)無法跨越這類障礙，因此在實(shí)際使用的時(shí)候存在局限。

因此，設(shè)計(jì)一種新型的并且效率高、體積小、能耗小，可以跨越障礙的除冰裝置將有著非常重要的意義。

二、本裝置具體設(shè)計(jì)方案：

總述：

本裝置主要由行走機(jī)構(gòu)、除冰機(jī)構(gòu)、越障機(jī)構(gòu)、保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)（包括線路設(shè)計(jì)和傳感器的使用）五大部分組成。

（1）行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：

行走機(jī)構(gòu)主要由行走輪與緊壓輪組成。其中行走輪掛在高壓輸電線上，由減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為整個(gè)裝置提供前進(jìn)、后退的動(dòng)力，使得整個(gè)裝置可以沿輸電線前進(jìn)、后退；而緊壓輪由氣動(dòng)裝置控制。兩者配合運(yùn)行，既可以提供較大的摩擦力讓裝置更可靠的行走，又可以提高行走過程中的安全性。

（2）除冰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：

采用先"針刺"出裂紋，然后碾壓破碎的方案。這樣做既提高了除冰的效率又降低了能耗，有利于提高裝置的巡航能力。

本結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，前面有兩個(gè)可以伸縮的自行設(shè)計(jì)的"鋼針"，后面有兩個(gè)碾壓鋼輪。鋼針垂直于輸電線，碾壓鋼輪與輸電線平行。除冰時(shí)兩部分同時(shí)啟動(dòng)，先由鋼針的伸縮運(yùn)動(dòng)使輸電線上的冰柱產(chǎn)生裂紋，再由后面的碾壓輪進(jìn)行進(jìn)一步的破碎，進(jìn)而使覆冰脫落。

為了在除冰過程中不損傷輸電線，鋼針的頭部并是很鈍的，而且鋼針的行程也有嚴(yán)格的限制，對(duì)不同粗細(xì)的輸電線可以進(jìn)行微調(diào)；當(dāng)然，兩個(gè)碾壓輪之間的距離也是大于輸電線的直徑的。

（3）越障機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：

考慮到高壓線有絕緣子、懸垂線夾、防震錘和間隔棒等障礙物，為了達(dá)到越障時(shí)的平穩(wěn)性、安全性和有效性的要求，本裝置采用前、中、后三手臂依次越障的"仿生"結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

每個(gè)機(jī)械臂大的方面由兩套互相垂直的絲桿機(jī)構(gòu)組成，而每個(gè)絲桿由獨(dú)立的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)機(jī)械臂都可以進(jìn)行獨(dú)立的二維運(yùn)動(dòng)，而三個(gè)機(jī)械比的配合運(yùn)動(dòng)，也可以是裝置征途具有三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)能力。

手臂通過絲桿與裝置主體相連接，即通過絲桿由裝置主體伸出并可貫穿于裝置主體的上下面。其特點(diǎn)是即可在越障時(shí)實(shí)現(xiàn)越障功能，又可以在越障后，通過絲桿與裝置主體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使裝置主體上升至與高壓線水平，然后用一鎖緊裝置使裝置與絲桿鎖定。接著裝置繼續(xù)實(shí)現(xiàn)正常的行走及除冰功能。

（4）保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)：

為防止裝置在除冰時(shí)、越障時(shí)或發(fā)生故障時(shí)滑落，于是設(shè)計(jì)了"橫桿"保險(xiǎn)裝置，擬在裝置的前后各加一組"橫桿"機(jī)構(gòu)。

為了提高反應(yīng)速度，橫桿機(jī)構(gòu)由氣動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)的初始工作狀態(tài)是把輸電線和裝置的主體扣在一起的，需要把裝置放到輸電線上或者從輸電線上取下時(shí)取下或越障需要時(shí)，需要控制系統(tǒng)把此結(jié)構(gòu)打開或者手動(dòng)打開。這種工作模式，可以避免裝置從輸電線上掉下。

（5）控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)（包括線路設(shè)計(jì)和傳感器的使用）：

控制部分采用手動(dòng)、遙控、自動(dòng)三種控制方式，以滿足不同工作情況的要求。手動(dòng)控制部分設(shè)計(jì)為按鈕，以便于操作；遙控控制部分由遙控器、接收器、控制器組成；自動(dòng)控制部分由傳感器、單片機(jī)組成。這三種控制方式的優(yōu)先性為手動(dòng)控制優(yōu)先于遙控控制，遙控控制又優(yōu)先于自動(dòng)控制。在使用本裝置時(shí)具體使用哪種控制方式由使用者決定。

傳感器的使用：裝置在遙控控制及自動(dòng)控制狀態(tài)時(shí)主要由傳感器采集信息，發(fā)送到控制器，用以輔助裝置的正常工作。此外，還可以在裝置上加裝多種傳感器，來擴(kuò)大其應(yīng)用的領(lǐng)域，比如在除冰的過程中檢測(cè)輸電線路、檢測(cè)氣象等。并且可以把收集到的信息發(fā)給使用者或發(fā)送到基站，以實(shí)現(xiàn)輔助決策。

（6）總結(jié)：

裝置的除冰機(jī)構(gòu)、越障機(jī)構(gòu)、保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)與裝置的主平臺(tái)固連在一起。行走機(jī)構(gòu)固連在越障機(jī)構(gòu)上，兩者組成"行走及越障機(jī)構(gòu)"，兩機(jī)構(gòu)配合工作，使得裝置具有很高的越障能力。

發(fā)展前景：

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，超高壓大容量輸電線路越建越多，線路走廊穿越的地理環(huán)境更加復(fù)雜。而且在嚴(yán)冬及初春季節(jié)，我國云貴高原、川陜一帶及兩湖地區(qū)常出現(xiàn)霧凇和雨凇現(xiàn)象，造成架空輸電線路覆冰，使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)遭到破壞。為了保證電力系統(tǒng)的可靠性，提高高壓輸電線除冰的效率，減少損失，維護(hù)工人的安全，研制并應(yīng)用一種可以替代工人進(jìn)行除冰作業(yè)的、安全有效的除冰機(jī)械進(jìn)行導(dǎo)線除冰具有很好的應(yīng)用前景和實(shí)用意義。

而隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，采用機(jī)械除冰方式解決高壓輸電線的覆冰問題是很有前景的。

參考文獻(xiàn)：

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[3]王超.《高壓輸電線上除冰機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)》.2010.02

[4]李海.《架空高壓輸電線除冰機(jī)器人設(shè)計(jì)》.2010

作者簡(jiǎn)介：

龔雷鋒（1992-）男，漢族，河南周口人。現(xiàn)為鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2013級(jí)本科生。