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        一種自適應(yīng)調(diào)節(jié)輪及其控制方法研究

        2021-01-28 12:43:54蔡邱申甄志明
        機(jī)電信息 2021年3期
        關(guān)鍵詞:爬樹輪子人工

        蔡邱申 甄志明

        (廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局,廣東江門529000)

        0 引言

        目前,在電網(wǎng)運(yùn)維過程中,對于威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行的樹障,常見的清除方法有以下幾種:

        (1)人工使用砍刀或鏈鋸進(jìn)行樹障清除,該方法對人工體力消耗較大,使用過程中稍有不慎便會對人的身體健康造成傷害;

        (2)使用高空斗車搭載人員進(jìn)行高空清除,該方法只能適用于平坦地面,地形適用率較低;

        (3)使用爬樹砍伐裝置砍伐樹木,該裝置在使用過程中需人工調(diào)節(jié)松緊帶,以適應(yīng)樹木直徑從粗到細(xì)的變化。該方法需人工進(jìn)行同步調(diào)節(jié),使用起來極其不方便,故需對該環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。

        1 爬樹裝置存在的問題

        現(xiàn)有爬樹裝置由兩個(gè)帶有固定輪的等徑半圓不銹鋼管組成,安裝時(shí)將兩個(gè)帶有固定輪的半圓管放置在等徑圓柱體兩側(cè),使用繩子將兩個(gè)半圓管收緊,使其與等徑圓柱體保持夾緊狀態(tài),啟動電機(jī)使其上下攀爬。這種裝置搭載普通輪子只能適用于等徑大小的圓柱,不適用于直徑從下往上呈現(xiàn)從大到小的樹木。

        2 確定課題

        現(xiàn)研制一種搭載自適應(yīng)調(diào)節(jié)輪的爬樹裝置,與使用松緊繩進(jìn)行人工調(diào)節(jié)松緊的爬樹裝置相比,該自適應(yīng)調(diào)節(jié)輪可實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)爬樹裝置的整體直徑大小,使其能夠保證上樹階段的輪子對樹的壓力,最終保證爬樹裝置自動上樹。這一方面擺脫了人工調(diào)整的危險(xiǎn),提高了人員的人身安全;另一方面可實(shí)現(xiàn)人工調(diào)節(jié)所到不了的高度,實(shí)現(xiàn)爬樹裝置在任意高度進(jìn)行作業(yè)的要求。

        3 爬樹裝置的設(shè)計(jì)

        3.1 提出方案

        根據(jù)樹木生長規(guī)律,樹木從下往上其直徑呈現(xiàn)從粗到細(xì)的規(guī)律,使爬樹裝置能夠抱緊樹干的傳統(tǒng)方法是使用松緊繩進(jìn)行人工調(diào)整,這種方法只能滿足低空不高于2 m的作業(yè)高度?;诖?,研制了一種自適應(yīng)調(diào)節(jié)輪裝置,其需滿足以下幾個(gè)條件:

        (1)作業(yè)高度應(yīng)高于2 m以上。

        要保證作業(yè)高度高于人工作業(yè)高度,需要使用遠(yuǎn)程遙控的方式或者使用傳感器加芯片的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。遠(yuǎn)程遙控會出現(xiàn)調(diào)節(jié)不靈敏的情況,進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)爬樹裝置對樹干的壓力過大或者過小,壓力過大時(shí)會使爬樹裝置無法上樹及下樹,壓力過小時(shí)會出現(xiàn)爬樹裝置抓不緊的情況,最終導(dǎo)致爬樹裝置墜落。而使用傳感器加芯片進(jìn)行調(diào)節(jié)的方式,可避免出現(xiàn)爬樹裝置對樹干的壓力過大或過小的問題。

        (2)輪子的耐磨性能應(yīng)滿足爬樹裝置完成整個(gè)上樹下樹過程。

        根據(jù)耐磨性能的要求對輪子進(jìn)行選擇,有橡膠定向輪及麥克納姆輪兩種。麥克納姆輪單輪由16個(gè)輥?zhàn)咏M成直徑152 mm、寬44 mm的外輪廓面,是一種高靈活度的全向輪;而定向輪則采用天然橡膠材料,方向一旦固定便無法調(diào)整?,F(xiàn)對兩種輪子的耐磨性能進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)橡膠定向輪在耐磨性能上遠(yuǎn)勝于麥克納姆輪,且爬樹裝置對輪子方向的要求并不高,最終選擇橡膠定向輪。

        (3)根據(jù)輪子對樹的壓力不同,自動調(diào)節(jié)輪子的長度。

        只有保證輪子對樹的壓力不變,才能夠保證爬樹裝置抱緊樹干,故需該爬樹輪能夠根據(jù)爬樹裝置重量的不同來調(diào)節(jié)輪子自身長度。

        根據(jù)方案需求,結(jié)合當(dāng)前技術(shù)思路,得出方案圖,如圖1所示。

        圖1 方案圖

        3.2 設(shè)計(jì)初步使用圖

        首先繪制出控制圖,如圖2所示,并查找元器件相關(guān)資料。

        使用AutoCAD畫出模型圖,如圖3所示。

        圖2 控制圖

        3.3 技術(shù)原理

        自適應(yīng)調(diào)節(jié)輪主要分為以下幾個(gè)模塊:

        (1)硬件調(diào)節(jié)模塊:在輪子上方加裝彈簧及可調(diào)節(jié)收縮桿,在彈簧及收縮桿的上方加裝壓力傳感器。

        (2)傳感器模塊:由壓力傳感器組成,作用于輪子與樹干之間,實(shí)時(shí)收集輪子對樹干的壓力值大小。

        (3)芯片控制模塊:使用可編程芯片,實(shí)時(shí)收集壓力傳感器的數(shù)值,編寫程序進(jìn)行分析,通過壓力值的大小調(diào)節(jié)收縮桿的長度,進(jìn)而調(diào)節(jié)彈簧及整個(gè)輪子的高度,完成爬樹裝置的上下樹過程。

        (4)電池模塊:由高密度鋰電池及穩(wěn)壓電路組成,實(shí)現(xiàn)對芯片模塊、傳感器模塊以及硬件調(diào)節(jié)模塊的供電,確保整個(gè)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

        3.4 技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

        (1)電源選用高密度可充鋰電池,由于體積空間的限制,選用電池容量為500 MAh,充滿電時(shí)間為30 min,連續(xù)作業(yè)可使用3 h。

        (2)硬件調(diào)節(jié)模塊中使用的收縮桿,其材料選用高硬度的鋁合金材料,可承受700 MPa的壓力,收縮桿外接電源正負(fù)極,信號線接可編程芯片,芯片通過信號線傳輸伸出與縮回的信號,當(dāng)芯片發(fā)出“1”指令時(shí),收縮桿執(zhí)行伸出的指令,當(dāng)芯片發(fā)出“0”指令時(shí),收縮桿執(zhí)行縮回的指令,進(jìn)而調(diào)節(jié)收縮桿的長度。

        (3)傳感器模塊使用應(yīng)變片壓力傳感器,是在較薄的樹脂材料的點(diǎn)絕緣體上,先將金屬箔刻成柵格的形狀,再安裝引出導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)。應(yīng)變片使用半導(dǎo)體材料制成,其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng),這種效應(yīng)的簡述如下:當(dāng)半導(dǎo)體材料中的一個(gè)軸受到外界的作用力時(shí),它的電阻率會隨之變化。本次設(shè)計(jì)將應(yīng)變片固定在彈簧及收縮桿的上方,即輪子與爬樹裝置的接觸面上,當(dāng)接觸位置發(fā)生應(yīng)變時(shí),應(yīng)變片上的敏感柵也會隨之變形,進(jìn)而使電阻發(fā)生變化,將采集的數(shù)值通過芯片分析計(jì)算,進(jìn)而轉(zhuǎn)換為所需要的電阻值。

        4 產(chǎn)生的效益

        本項(xiàng)目成果效益明顯,經(jīng)過調(diào)試實(shí)驗(yàn),搭載自適應(yīng)調(diào)節(jié)輪的爬樹裝置擺脫了人工調(diào)節(jié),提高了人員使用爬樹裝置的安全性,減少了作業(yè)時(shí)間,給日常砍樹工作帶來了積極效益,符合人機(jī)功效原則。該成果還可以在車輛減震系統(tǒng)等領(lǐng)域中應(yīng)用,一經(jīng)研發(fā)便可批量投入使用,具備較佳的應(yīng)用價(jià)值和推廣意義。

        (1)經(jīng)濟(jì)效益:每次作業(yè)減少人員數(shù)量2人,平均砍樹時(shí)間為1.45 h,操作人員時(shí)薪按60元計(jì)算共減少費(fèi)用約1.45×60×2=174元;每次作業(yè)減少工作人員工時(shí)約0.87 h,每次作業(yè)減少操作人員工耗費(fèi)約0.87×60×2=104.4元。

        (2)安全效益:通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)使用搭載自適應(yīng)調(diào)節(jié)輪的爬樹砍樹裝置,只需在作業(yè)前期對裝置進(jìn)行安裝,作業(yè)過程實(shí)現(xiàn)了無人操作,一方面減少了作業(yè)人員工作量,另一方面大大提高了作業(yè)人員的安全性,通過避免裝置在爬樹過程中人員與植物直接接觸,降低了觸電風(fēng)險(xiǎn),減少了人身傷害,提高了安全系數(shù)。

        (3)無形效益:該自適應(yīng)調(diào)節(jié)輪使用了鋰電池,對環(huán)境污染可忽略不計(jì),并且該裝置的能耗低,充一次電可連續(xù)作業(yè)3 h,減少了工作步驟時(shí)間,從而縮短了作業(yè)總耗時(shí),達(dá)到提高工作效率的效果。

        5 結(jié)語

        該自適應(yīng)調(diào)節(jié)輪的研制,解決了爬樹裝置攀爬不等徑樹木的難題,提高了人員的安全性。本次只針對爬樹裝置進(jìn)行試驗(yàn),自適應(yīng)調(diào)節(jié)輪還可以應(yīng)用在車輛減震系統(tǒng)等領(lǐng)域,下一步將對自適應(yīng)調(diào)節(jié)輪進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn),希望能夠在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用,造福人類。

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