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        大坡度雙分裂導(dǎo)線高空自走平臺(tái)的研制與應(yīng)用

        2017-10-19 03:10:59鐘明亮詹禹曦李自步楊進(jìn)翔白俊平馬小云王伊楊廷學(xué)王峰飛申紅新
        水能經(jīng)濟(jì) 2017年12期
        關(guān)鍵詞:飛車(chē)馬達(dá)坡度

        鐘明亮 詹禹曦 李自步 楊進(jìn)翔 白俊平 馬小云 王伊 楊廷學(xué) 王峰飛 申紅新

        【摘要】為了滿足輸電線路大坡度特殊段的高空檢修行走的便捷,需要有一個(gè)平臺(tái)能夠把人員輸送到指定檢修段。本文設(shè)計(jì)研制了一種新型自走式高空檢修平臺(tái)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)線的坡度,可以有效調(diào)節(jié)動(dòng)力輪與導(dǎo)線的摩擦阻尼,安全行走在高度陡坡段,并有效通過(guò)間隔棒、壓接管等障礙物。對(duì)高空平臺(tái)的關(guān)鍵部件進(jìn)了動(dòng)力荷載試驗(yàn)、安全承載試驗(yàn)、整平臺(tái)工作空間校核。結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的自走平臺(tái)在本體強(qiáng)度、工作性能都滿足色劑要求,適用輸電線路特殊段檢修應(yīng)用。

        【關(guān)鍵詞】新型自走式高空檢修平臺(tái)的設(shè)計(jì);研制與應(yīng)用

        1、引言

        隨著電網(wǎng)的迅速發(fā)展,標(biāo)準(zhǔn)化要求的逐步提高。輸電線路驗(yàn)收、檢修作業(yè)對(duì)人員的數(shù)量、安全要求更高。導(dǎo)線檢修是高空作業(yè)過(guò)程中的一項(xiàng)重要工作,加強(qiáng)加大導(dǎo)線檢修的工作便利、提高檢修工作效率和安全防護(hù)是亟待解決的重要問(wèn)題。目前在導(dǎo)線檢修環(huán)境,一方面是采用的人走方式;一方面是采用的飛車(chē)行走方式。這些方式都存在很大的安全隱患和工作效率問(wèn)題,尤其一些坡度較陡的線路段沒(méi)辦法輕松順利到達(dá)工作點(diǎn)。為此,針對(duì)現(xiàn)有的作業(yè)器具還有作業(yè)環(huán)境,我們團(tuán)隊(duì)展開(kāi)研究,研發(fā)高空自走平臺(tái)作業(yè)方式,解決陡坡線路故障點(diǎn)檢修問(wèn)題,降低檢修工作負(fù)荷,實(shí)現(xiàn)可多人、安全、快速、可靠檢修。

        2、現(xiàn)有飛車(chē)、平臺(tái)分析

        目前國(guó)內(nèi)外飛車(chē)一般動(dòng)力有采用人力、電力、引擎等幾種方式,但是,無(wú)論采取哪一種動(dòng)力,由于動(dòng)力輪與導(dǎo)線的摩擦接觸面有限(如圖1示),造成了現(xiàn)有的飛車(chē)平臺(tái)最大的爬坡不會(huì)超過(guò)35°坡。國(guó)內(nèi)的人力飛車(chē)最大的爬坡設(shè)計(jì)是25°,電動(dòng)飛車(chē)最大的爬坡設(shè)計(jì)是20°,相對(duì)45°的導(dǎo)線坡度,可應(yīng)用性為零。國(guó)外有引擎類(lèi)平臺(tái)(如德國(guó)ZECK的),設(shè)計(jì)的最大爬坡可以達(dá)到35°,但是本體重量超過(guò)了160kg,如果是施工現(xiàn)場(chǎng)還好說(shuō),但是針對(duì)線路的檢修,要把這么重的一個(gè)平臺(tái)搬到山里現(xiàn)場(chǎng)并吊裝在線路上,這個(gè)可應(yīng)用性也基本上為零。

        所以,針對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的飛車(chē)、平臺(tái)結(jié)構(gòu)的研究分析,我們必須要針對(duì)導(dǎo)線與動(dòng)力輪之間摩擦力效用做出研究分析,設(shè)計(jì)一個(gè)合理的結(jié)構(gòu),使得在導(dǎo)線坡度達(dá)到45°或以上的時(shí)候,我們的工作平臺(tái)也不會(huì)出現(xiàn)在導(dǎo)線上打滑的現(xiàn)象,以保障高空作業(yè)的安全。

        3、導(dǎo)線在45°破時(shí),動(dòng)力輪的摩擦效用研究與分析

        3.1動(dòng)力輪的選材與設(shè)計(jì)

        動(dòng)力輪作為整個(gè)平臺(tái)的主要?jiǎng)恿εc支撐部件,針對(duì)受力分析時(shí),它需要帶有一定的強(qiáng)度和韌性,起到的效用與汽車(chē)的輪胎基本上一樣。同時(shí),考慮到平臺(tái)整體的輕巧性,選擇高強(qiáng)12#航空鋁合金作為主體材質(zhì)比較合適,根據(jù)常規(guī)導(dǎo)線規(guī)格(240-400mm2)作為參考依據(jù),并且考慮到導(dǎo)線的接續(xù)管,輪子的槽寬設(shè)計(jì)應(yīng)該大于等于48mm。另外,導(dǎo)線材質(zhì)是鋁質(zhì),考慮到磨損問(wèn)題,動(dòng)力輪的槽內(nèi)必須要有柔性材料(如橡膠),不然動(dòng)力輪與導(dǎo)線進(jìn)行摩擦,會(huì)損傷導(dǎo)線。該柔性材料的選擇才是重中之重,它關(guān)系到動(dòng)力輪的耐用性及有限接觸面積的情況下,摩擦效用的最大化。

        實(shí)驗(yàn)選擇了4種常規(guī)材料(丁腈橡膠、MC尼龍、聚胺脂、鐵氟龍)作為輪槽壓膠進(jìn)行了模擬試驗(yàn),其中丁腈橡膠的摩擦效用最好,但是太軟不耐磨,于是在這個(gè)材料的基礎(chǔ)上,我們重新加入了無(wú)紡耐磨砂布,加強(qiáng)了它的耐磨性,在不考慮美觀的情況下,我們基本上優(yōu)先選它。聚氨酯的通透性相對(duì)美觀一些,在不添加砂布的情況下,可以保障良好的耐磨性,并且在摩擦效用上僅排在丁腈橡膠之后,該材料也可以考慮作為備選。

        另外,動(dòng)力輪要過(guò)間隔棒,我們?cè)谄鋬?nèi)側(cè)采用了花型設(shè)計(jì),當(dāng)動(dòng)力輪遇到間隔棒的時(shí)候,不至于攀爬不過(guò)而打滑。

        同時(shí),還有一個(gè)因素與動(dòng)力輪組相關(guān)……平臺(tái)行走的速度與動(dòng)力輪的底徑成正比。我們正常人的地面行走速度為3-4kg/h左右,高空行走為了保證安全,我們?cè)O(shè)定的最大速度為2-3km/h之間比較合適,為了防止反轉(zhuǎn),我們選定了20:1的蝸輪蝸桿減速箱(經(jīng)試驗(yàn),15:1的減速箱在加載300kg的時(shí)候,出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象);匹配電機(jī)0-3000RPM可調(diào)(3000RPM為額定轉(zhuǎn)速,輸出的扭矩值最大),那么我們的主動(dòng)輪的底徑R不宜過(guò)大,也不宜過(guò)小。

        最大時(shí)速V=πR*3000*60/20

        考慮到輪徑過(guò)大會(huì)造成動(dòng)力輪太大,整體會(huì)太笨重,以及正常飛車(chē)在天空的行走速度,我們最終選擇底徑為80mm,空中的最大時(shí)速為2.26km/h。(最終可以根據(jù)動(dòng)力軸上的鏈輪齒數(shù)差,來(lái)增大最大實(shí)際行駛速度。)

        3.2摩擦效用與壓緊力及坡度關(guān)系分析

        我們所承受的摩擦力應(yīng)為滾動(dòng)摩擦力,滾動(dòng)摩擦力的計(jì)算公式如下:

        滾動(dòng)摩擦力=正壓力*滾動(dòng)摩擦系數(shù)

        導(dǎo)線的接觸面本身并不會(huì)發(fā)生形變,而動(dòng)力輪槽發(fā)生形變時(shí),在正壓力作用下,接觸面的摩擦力增大而不會(huì)移位,所有動(dòng)力輪的滾動(dòng)實(shí)質(zhì)為變形后的翻轉(zhuǎn),但支點(diǎn)O′在往前移。同理,此時(shí)重力G與支持力N的力偶矩為物體滾動(dòng)的阻力矩,且M阻=Nδ。然后,隨著坡度的增加,滾動(dòng)摩擦力相應(yīng)承載重力G的值相應(yīng)增大,在接觸面不變的情況下,增大中心傳動(dòng)軸的點(diǎn)扭矩,改變不了動(dòng)力輪整體下滑的趨勢(shì),所以只有增大動(dòng)力輪與導(dǎo)線之間的正壓力來(lái)提高滾動(dòng)摩擦力。

        由于計(jì)算滾動(dòng)摩擦力相對(duì)復(fù)雜,我們做了一個(gè)45°坡導(dǎo)線模擬現(xiàn)場(chǎng),根據(jù)設(shè)計(jì)的理論重量及馬達(dá)提供的轉(zhuǎn)扭力來(lái)測(cè)試正壓力與承載范圍的極限。我們發(fā)現(xiàn),在坡度保持在45°不變的情況下,隨著承載重量的增加,需要的正壓力也需要增加,同時(shí)對(duì)馬達(dá)的轉(zhuǎn)扭力需求也在增加,具體的測(cè)試數(shù)據(jù)近似值如下(選定的分別是丁腈橡膠和聚氨酯):

        根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析,我們需要馬達(dá)的轉(zhuǎn)扭力值至少為2.4N.m,也就是馬達(dá)在48V電源的情況下,功率不能低于780W,考慮30%的功率盈余,功率在1100W左右為合適。且馬達(dá)輸出軸直徑不要低于19mm。

        同時(shí),我們也統(tǒng)計(jì)了在選定的馬達(dá)情況下,用最大可承受的正壓力設(shè)定值,我們模擬測(cè)試了承載重量與最大坡度的關(guān)系:

        4、續(xù)航與安全控制研究設(shè)計(jì)

        4.1持航

        根據(jù)采用的電機(jī)功率1.1kW,為了便于野外作業(yè),只能匹配直流電源。同時(shí),供電電壓越高,電路負(fù)荷的電流就越低,但是,電壓過(guò)高,就會(huì)導(dǎo)致電源本體過(guò)大過(guò)重。綜合匹配,我們優(yōu)選48VDC。

        I=W/U。(下轉(zhuǎn)第頁(yè))

        (上接第頁(yè))

        電源工作時(shí)間h=C/I

        根據(jù)以上公式,我們?cè)跐M負(fù)荷的情況下,電源的電容量不能小于22.92Ah。由于電機(jī)不可能處于常態(tài)滿負(fù)荷,我們以60%滿負(fù)荷作為平均常態(tài),那么一個(gè)小時(shí)的耗電量為13.75Ah,那么我們?cè)O(shè)定電源的電容量為30Ah48VDC,這樣可以保障電機(jī)常態(tài)持續(xù)運(yùn)行約2個(gè)小時(shí),后備1個(gè)26Ah48VDC電源,那么可以保障4個(gè)小時(shí)的常態(tài)持續(xù)運(yùn)行。如果線路比較平緩,平均常態(tài)負(fù)載將連60%都不夠,運(yùn)行時(shí)間也將超過(guò)4小時(shí)。就算100%滿負(fù)載,也可以保障電機(jī)持續(xù)運(yùn)行3個(gè)小時(shí)以上。

        4.2安全控制

        根據(jù)飛車(chē)的剎車(chē)原理,飛車(chē)的剎車(chē)采取的剎車(chē)方式其實(shí)和陸地上的自行車(chē)是一樣的方式,是針對(duì)輪子鎖死。由于工作平臺(tái)采用的電動(dòng)馬達(dá)加歐輪蝸桿減速機(jī)作為主傳動(dòng)結(jié)構(gòu),本身便具有防逆向傳動(dòng)能力(只能從馬達(dá)方向傳動(dòng)主動(dòng)輪,主動(dòng)輪不能傳動(dòng)馬達(dá)),也就是說(shuō)檢修平臺(tái)不存在飛車(chē)輪子逆走的情況(在大坡度時(shí)輪子在導(dǎo)線上打滑通過(guò)耦合擠壓方式解決了輪子打滑的問(wèn)題,小坡度不會(huì)打滑,耦合擠壓方式同樣可以作為保障方式)。

        另外,平臺(tái)下掛裝置與行走裝置采用外包方式連接,在導(dǎo)線外側(cè)形成一個(gè)閉合圈,不會(huì)出現(xiàn)從高空掉落的情況。同時(shí),動(dòng)力輪采用內(nèi)側(cè)低外側(cè)高的設(shè)計(jì)方式,極大避免了行走裝置脫線的情況。

        5、自重與安全可承載研究設(shè)計(jì)

        5.1自重研究

        為了野外的檢修工作的方便,在達(dá)到目標(biāo)效果的前提下,本體重量當(dāng)然是越輕越好,根據(jù)各種金屬的屬性,及機(jī)械性能、安全承載等因素分析,在不同的部件選用的主體材質(zhì)都將不一樣。(6063#密度2.72X103kg/m3,12#及7075密度2.81X103kg/m3)

        行走裝置:

        馬達(dá):銅線芯、鋁合金外殼 X1

        變速箱:40Cr調(diào)制蝸輪蝸桿、鋁合金外殼X1

        傳動(dòng)軸:40Cr調(diào)制鋼X3

        鏈條鏈輪:工業(yè)級(jí)12.5 X3

        搭載臺(tái)板:12#航空鋁合金+承力筋(氧化加強(qiáng))X2

        龍骨角鋁:6063航空鋁合金50*25*5(氧化加強(qiáng))X1

        主動(dòng)輪:12#航空鋁合金+丁腈橡膠(氧化加強(qiáng))X4

        軸座:12#航空鋁合金(氧化加強(qiáng))X6

        耦合壓緊裝置:鋁合金光軌+45C鋼螺紋棘輪軸X2

        外殼:1mm鋁合金X1

        下掛裝置:

        筐子:6063#航空鋁合金(氧化加強(qiáng))X1

        筐子底板:6063#3mm防滑鋁合金打孔板X(qián)1

        連接板:12#航空鋁合金(氧化加強(qiáng))X4

        固定連接桿:12#鋁合金空心管(氧化加強(qiáng))X2

        棘輪裝置:45C鋼 +8mm鋼絲繩 X2

        5.2可安全承載試驗(yàn)

        參考DL/T636-2006標(biāo)準(zhǔn),我們的安全承載靜負(fù)荷系數(shù)需要達(dá)到2.5倍以上,動(dòng)負(fù)荷系數(shù)需達(dá)到1.5倍以上。也就是說(shuō),我們?cè)?5°坡的靜荷載500kg的情況下不打滑,動(dòng)載300kg能正常行走。動(dòng)負(fù)載在前面的動(dòng)力和摩擦力狀態(tài)分析已經(jīng)得到解決。只要保證45度坡度的情況下,只要能保障500kg靜載不滑動(dòng),即為安全試驗(yàn)通過(guò)。

        6、結(jié)束語(yǔ)

        本平臺(tái)可以廣泛應(yīng)用于水平雙分裂輸電線路的施工與檢修工作中,尤其體現(xiàn)在西北等多山區(qū)地帶,有效的解決了高坡度施工、檢修人員的安全及便捷性問(wèn)題。存在極大的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

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