王磊 胡昀 許建清 左源 余波明

摘 ?要：針對(duì)輸電拉線(xiàn)銹蝕缺陷的工程實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，研發(fā)一種拉線(xiàn)自動(dòng)防銹蝕處理便捷裝置，包括裝置的原理方案設(shè)計(jì);機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和主要模塊設(shè)計(jì);虛擬樣機(jī)三維建模和裝配，從而提供一種操作簡(jiǎn)便、成本低廉、實(shí)用有效的拉線(xiàn)自動(dòng)防銹蝕處理裝置，防止拉線(xiàn)嚴(yán)重銹蝕而影響桿塔和輸電線(xiàn)路的安全運(yùn)行，提升拉線(xiàn)運(yùn)維機(jī)械化水平。

關(guān)鍵詞：輸電;拉線(xiàn);除銹;方案設(shè)計(jì);機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì);三維建模

中圖分類(lèi)號(hào)：TM726 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）01-0090-03

Abstract： In view of the practical engineering problems of wire drawing corrosion defects in transmission lines， a convenient device for automatic anti-corrosion treatment of wire drawing is developed through design and innovation， including principle scheme design， mechanism design and main module design. The three-dimensional modeling and assembly of the virtual prototype provides a wire drawing automatic anti-corrosion treatment device with simple operation， low cost， practical and effective， which can prevent the cable from serious corrosion and affect the safe operation of towers and transmission lines. improve the level of wire drawing operation and maintenance mechanization.

Keywords： transmission; cable drawing; rust removal; scheme design; mechanism design; three-dimensional modeling

引言

拉門(mén)塔是目前世界各國(guó)均已廣泛采用的一種輸電塔型。拉門(mén)塔受力的關(guān)鍵在于拉線(xiàn)，輸配電線(xiàn)路不可避免地要經(jīng)過(guò)一些酸雨嚴(yán)重、空氣濕度大、有腐蝕性氣體、陰雨多或者受環(huán)境污染的地段，這些不利的環(huán)境和自然因素，都給拉線(xiàn)造成較為嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象，尤其是鍍鋅鋼鉸線(xiàn)拉線(xiàn)的銹蝕更甚，而拉線(xiàn)對(duì)桿塔的受力平衡起著關(guān)鍵性的作用，任何一根拉線(xiàn)遭到銹蝕破壞將嚴(yán)重影響桿塔的安全運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)造成倒桿斷線(xiàn)，而導(dǎo)致停電的大事故，給電網(wǎng)及地方經(jīng)濟(jì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)每年工區(qū)運(yùn)行線(xiàn)路有約300多根拉線(xiàn)銹蝕嚴(yán)重，需要花大量時(shí)間、人力和財(cái)力進(jìn)行拉線(xiàn)更換。以往大多采用手工或簡(jiǎn)易工具對(duì)拉線(xiàn)進(jìn)行除銹和噴漆防護(hù)，但進(jìn)度慢、勞動(dòng)強(qiáng)度高、且銹塵和油漆對(duì)人體健康有影響。另外，也只能對(duì)低處的拉線(xiàn)銹蝕部分進(jìn)行處理，除銹防護(hù)效果大打折扣，如果要對(duì)高處進(jìn)行處理就要高空作業(yè)，給人身安全和線(xiàn)路安全都會(huì)帶來(lái)較大威脅。因此為了減輕拉線(xiàn)的運(yùn)行維護(hù)工作量和運(yùn)行費(fèi)用，更重要的是保障線(xiàn)路安全運(yùn)行，多送多供，就需要對(duì)拉線(xiàn)進(jìn)行防銹蝕專(zhuān)門(mén)研究。由文獻(xiàn)檢索可知，目前尚未見(jiàn)用于拉線(xiàn)這種特殊用途線(xiàn)材的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)除銹設(shè)備的報(bào)道，因此本課題擬設(shè)計(jì)一種實(shí)用有效的拉線(xiàn)自動(dòng)除銹防護(hù)裝置，將具有積極的實(shí)用意義和推廣價(jià)值。

1 技術(shù)要求及原理方案設(shè)計(jì)

根據(jù)YB/T 5004-2012《鍍鋅鋼絞線(xiàn)》規(guī)范，高壓和超高壓輸電線(xiàn)路架空線(xiàn)及桿塔用拉線(xiàn)推薦采用的是鍍鋅鋼絞線(xiàn)，斷面結(jié)構(gòu)共12種尺寸規(guī)格，公稱(chēng)直徑范圍：7.8-17.5mm，安裝傾斜角45度。研發(fā)針對(duì)在多規(guī)格尺寸、大傾角和細(xì)長(zhǎng)型的拉線(xiàn)上進(jìn)行自動(dòng)除銹防護(hù)噴漆的裝置，目前還沒(méi)有現(xiàn)成的方案和產(chǎn)品可供借鑒和參考，另外還要考慮輸電線(xiàn)路野外現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件和環(huán)境的限制，要成功開(kāi)發(fā)一種便攜實(shí)用的拉線(xiàn)防銹蝕處理裝置，還需要充分考慮拉線(xiàn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合及期望實(shí)現(xiàn)的各種功能。

考慮到輸電線(xiàn)路野外現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件和環(huán)境的限制，結(jié)合拉線(xiàn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合，確定裝置的功能技術(shù)要求為：（1）可對(duì)尺寸規(guī)格在8-18mm范圍的拉線(xiàn)進(jìn)行銹蝕清除;（2）

具有足夠的空間和負(fù)載能力，可模塊化搭載相應(yīng)除銹和刷漆裝置;（3）保證裝置可以沿拉線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，除銹時(shí)的速度達(dá)到450米/小時(shí)，續(xù)航時(shí)間2小時(shí);（4）具有較小的質(zhì)量和體積，單機(jī)重量小于10千克，便于攜帶和投送。

由于拉線(xiàn)一端與地基固定，一端與輸電桿塔上部固定，因此設(shè)計(jì)的裝置只能從拉線(xiàn)中間投放，另外考慮拉線(xiàn)為細(xì)長(zhǎng)型線(xiàn)材，為了有效除銹和在拉線(xiàn)表面涂裝防銹漆，通過(guò)調(diào)研，確定裝置的工作原理為：首先利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走輪在拉線(xiàn)上行走，帶動(dòng)整個(gè)裝置在線(xiàn)上爬升，并在裝置上搭載模塊化的除銹和刷漆防護(hù)盒，使得盒內(nèi)的內(nèi)繞型鋼絲刷和油漆刷在拉線(xiàn)表面刷過(guò)，依靠刷子與拉線(xiàn)表面的摩擦力來(lái)除去銹跡，在回程過(guò)程中同時(shí)還可以起到清掃和涂刷油漆的作用。根據(jù)以上工作原理，該裝置主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、行走機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)、除銹模塊、刷漆模塊、電源和控制模塊等組成。

2 主要機(jī)構(gòu)和模塊設(shè)計(jì)

2.1 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

行走機(jī)構(gòu)由行走輪、行走輪軸、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、支撐軸承、聯(lián)軸器等組成。為防止單個(gè)行走輪打滑對(duì)裝置的運(yùn)動(dòng)造成影響，行走驅(qū)動(dòng)采用雙電機(jī)雙輪驅(qū)動(dòng)，利用前后兩個(gè)行走輪將裝置懸掛在拉線(xiàn)上，驅(qū)動(dòng)行走輪的電機(jī)兩邊各分布一個(gè)，以此來(lái)增加穩(wěn)定性。

行走輪形狀如圖1所示，外徑70mm，內(nèi)徑12mm，輪寬40mm，槽深9mm。行走輪采用“U”型凹槽回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，能增加行走輪與拉線(xiàn)接觸面積，使之能夠與拉線(xiàn)外形貼合，并且凹槽內(nèi)徑設(shè)計(jì)成20mm，當(dāng)整個(gè)裝置在拉線(xiàn)上行駛時(shí)，行走輪凹槽能將拉線(xiàn)包覆，因此采用同一行走輪就能夠適應(yīng)8至18mm直徑范圍內(nèi)的拉線(xiàn)直徑，此外，行走輪主體選用尼龍材料，內(nèi)凹處粘有人字形橡膠或者做滾花槽，可以增加與拉線(xiàn)之間摩擦力，防止打滑。為了使行走輪運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，行走輪內(nèi)配裝有6901雙軸承，行走輪安裝在行走輪軸上，行走輪軸與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸通過(guò)高彈性繞線(xiàn)聯(lián)軸器相連，使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)裝置沿拉線(xiàn)前進(jìn)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)裝置在線(xiàn)上的上行和下滑行走[1]。

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇

考慮到野外輸電拉線(xiàn)除銹作業(yè)沒(méi)有現(xiàn)成的電源，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用直流電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)性能，可以在較寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)速，而且直接可以通過(guò)電池供電，適用于戶(hù)外除銹作業(yè)。

拉線(xiàn)材質(zhì)為鍍鋅鋼絞線(xiàn)，行走輪采用高分子尼龍橡膠材料，查《機(jī)械設(shè)計(jì)通用手冊(cè)》[2]，得到主動(dòng)輪與高壓電線(xiàn)之間的摩擦系數(shù)f=0.4，又設(shè)裝置總重量為m=10kg，拉線(xiàn)安裝傾角為θ=45°。因此，根據(jù)裝置的爬坡動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行分析[3]，電機(jī)所需驅(qū)動(dòng)力應(yīng)為：

帶入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算可得驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的功率為17.8W，根據(jù)以上計(jì)算得到的所需電機(jī)功率，同時(shí)為盡量縮小車(chē)體的體積，考慮低速行走的要求，因此采用雙電機(jī)雙輪驅(qū)動(dòng)的方式，選擇直接帶有減速器的直流無(wú)刷電機(jī)兩個(gè)，型號(hào)為：XD-WS37GB3525，工作電壓24V，負(fù)載電流0.6A，功率：10W，空載轉(zhuǎn)速50r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)速：45r/min，可正反轉(zhuǎn)。

2.3 壓緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器掛接到拉線(xiàn)上后，為了增加行走輪與拉線(xiàn)之間的摩擦力，防止機(jī)器從線(xiàn)上掉落，確保機(jī)器行走的安全，還需要設(shè)計(jì)壓緊機(jī)構(gòu)。在兩行走輪之間設(shè)置兩個(gè)壓緊輪，通過(guò)壓緊輪提供足夠的壓緊力來(lái)實(shí)現(xiàn)行走輪與線(xiàn)纜之前的充分貼合及預(yù)緊力。壓緊輪的輪槽形狀和尺寸與行走輪相同，也采用超耐磨材料，從拉線(xiàn)下方裝入，與拉線(xiàn)下表面貼合。為了防止行走輪與壓緊輪發(fā)生干涉，壓緊輪與行走輪錯(cuò)開(kāi)布置。壓緊輪安裝在壓緊軸上，壓緊軸的兩端用軸承座支撐，左端軸承座與下?lián)醢骞踢B，下?lián)醢逋ㄟ^(guò)鉸鏈活頁(yè)與上擋板連接，因此壓緊軸可以在安裝時(shí)偏轉(zhuǎn)一定角度，從拉線(xiàn)下方裝入，待安裝到位后，右軸承座通過(guò)彈簧鎖扣與上擋板相連，從而使壓緊輪安裝到位，實(shí)現(xiàn)閉鎖，完成閉鎖后機(jī)器人將無(wú)法掉落，結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)需要從拉線(xiàn)上取下機(jī)器時(shí)，只需按開(kāi)彈簧鎖扣即可，拆裝簡(jiǎn)單快捷。

2.4 除銹和刷漆模塊設(shè)計(jì)

金屬表面的除銹方法有多種，除去人工除銹外，通常分為機(jī)械打磨除銹法、化學(xué)除銹法和噴射除銹法[4]，但上述目前常用的除銹方法存在工作條件惡劣，容易對(duì)旁邊的器件造成損傷和污染，而且由于設(shè)備體積和重量龐大，無(wú)法進(jìn)入狹窄空間，因此不適用于戶(hù)外輸電線(xiàn)路拉線(xiàn)的除銹。對(duì)于拉線(xiàn)這樣的細(xì)長(zhǎng)線(xiàn)材，可以采用機(jī)械式除銹代替化學(xué)酸洗除銹，即利用拉線(xiàn)與除銹刷之間的滑動(dòng)摩擦原理來(lái)進(jìn)行除銹，具有成本低、操作方便、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。

除銹部分的關(guān)鍵部件為鋼絲刷，為了方便在拉線(xiàn)上安裝和拆卸，鋼絲刷采用兩個(gè)半圓形內(nèi)繞鋼絲刷組合，兩半鋼絲刷分別放置在除銹盒的隔層中。除銹盒也由兩半組成，一邊通過(guò)活頁(yè)鉸鏈相連，另一邊用彈簧扣鎖緊，結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)除銹盒合上后，兩半鋼絲刷正好壓緊在拉線(xiàn)表面，當(dāng)機(jī)器沿線(xiàn)上行走時(shí)，沿拉線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的鋼絲刷與拉線(xiàn)表面產(chǎn)生摩擦，就可以刷除拉線(xiàn)表面的銹跡，同時(shí)也可對(duì)除銹后的拉線(xiàn)表面進(jìn)行清掃。另外，鋼絲刷與拉線(xiàn)表面的距離必須適當(dāng)，距離太近相互壓力大，磨損嚴(yán)重;距離太遠(yuǎn)相互接觸不好，除銹效果差，針對(duì)此問(wèn)題，可以通過(guò)調(diào)節(jié)除銹盒內(nèi)的除銹刷尺寸和除銹盒的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。該除銹盒還可以改裝成刷漆盒，即在上半盒內(nèi)儲(chǔ)存油漆，油漆通過(guò)上半盒下表面的滴漏裝置滴在拉線(xiàn)的表面，下半盒內(nèi)安裝油漆排刷，當(dāng)裝置在線(xiàn)上運(yùn)行時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)拉線(xiàn)表面油漆的涂刷。

2.5 電源及控制模塊

考慮到戶(hù)外使用場(chǎng)合，采用兩個(gè)24V的鋰電池為兩個(gè)直流電機(jī)提供電能。鋰電池的型號(hào)為18650-24V3ah，品牌為祺索，鋰電池的外形尺寸為72×55×27mm（長(zhǎng)×寬×高）。鋰電池安裝固定在整個(gè)裝置下部的控制箱中，控制箱內(nèi)部還安裝有遠(yuǎn)程控制模塊。

由于拉線(xiàn)細(xì)長(zhǎng)，懸掛在上面的設(shè)備不可避免會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)、不穩(wěn)定甚至掉落的情況，為了解決此問(wèn)題，本裝置選擇兩側(cè)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，其兩側(cè)下方設(shè)計(jì)有控制箱，箱內(nèi)分別掛有相對(duì)較重的鋰電池，使得整個(gè)裝置的重心偏下。

為了方便投放和回收，整個(gè)機(jī)器的工作過(guò)程采用無(wú)線(xiàn)遙控方式。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)和停止采用繼電器和限位開(kāi)關(guān)來(lái)控制。為了保障回收電量的要求，在機(jī)器上設(shè)置電源檢測(cè)模塊，當(dāng)達(dá)到作業(yè)最低電量時(shí)將促發(fā)預(yù)警裝置，確保裝置能“收放自如”。

2.6 主要零部件的材料選擇

為了盡量減輕整個(gè)機(jī)器的重量，實(shí)現(xiàn)輕量化且便于攜帶，在滿(mǎn)足使用要求的前提下，在材料的選型上主要采用質(zhì)輕的材料，大部分機(jī)械結(jié)構(gòu)采用的ABS塑料件，承載框架采用鋁合金，質(zhì)輕且有優(yōu)良的力學(xué)性能，可以很好的適應(yīng)野外的各種惡劣氣候。行走輪軸和壓緊輪軸作為主要支撐結(jié)構(gòu)，也作為車(chē)輪行走的扭矩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，則采用合金鋼材料[5]。另外，涉及的螺紋連接件和軸系零部件，如軸承和聯(lián)軸器等均選用標(biāo)準(zhǔn)件，方便裝配和維護(hù)，減輕整個(gè)裝置的制造成本。

3 三維建模及裝配

對(duì)提出的系統(tǒng)方案進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)鍵受力部位進(jìn)行受力分析、尺寸計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)零部件的選型，對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行計(jì)算和校核，然后進(jìn)行整個(gè)裝置的整體布局設(shè)計(jì)，在支架上合理布置各功能模塊，同時(shí)考慮加工和安裝的要求，根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行零部件的三維實(shí)體建模和裝配，最后得到整個(gè)裝置的虛擬樣機(jī)模型如圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，得到了一種方便投放、操作簡(jiǎn)便、成本低廉、可不停電和適用性較強(qiáng)的拉線(xiàn)除銹防護(hù)設(shè)備，可以替代人工完成拉線(xiàn)的除銹防護(hù)，提高拉線(xiàn)除銹防護(hù)的工作效率，減輕巡線(xiàn)運(yùn)維工作量，降低運(yùn)維成本，提升運(yùn)維機(jī)械化水平，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]張屹，邵威.高壓輸電線(xiàn)路除冰機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，30（6）：69-72.

[2]張展.機(jī)械設(shè)計(jì)通用手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[3]岳湘，王洪光，張成巍，等.110kV輸電線(xiàn)路巡檢機(jī)器人爬坡性能分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2017（3）：56-59.

[4]杜雨軒.鋼絲刷徑向可調(diào)除銹機(jī)設(shè)計(jì)與研究[J].金屬制品，2014，40（2）：38-40.

[5]濮良貴，陳國(guó)定，吳立言.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2013.