衛(wèi)曉東，梅 佳，熊 鵬，劉 達(dá)，周立民，王志軍

(北京國(guó)網(wǎng)富達(dá)科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100070)

0 引言

我國(guó)架空輸電線路里程長(zhǎng)[1]，輸電鐵塔高度隨著電壓等級(jí)提升也越來越高。目前輸電鐵塔及線路檢修仍然以人力登塔巡檢為主，登塔檢修人員工作量大，而且檢修人員要攜帶必要的檢修工器具攀爬鐵塔，人員的體力消耗大，工作效率低。針對(duì)自重較大的檢修物料，主要以人力運(yùn)輸和絞磨牽引運(yùn)輸為主，沒有專門用于物料運(yùn)輸?shù)淖鳂I(yè)設(shè)備。例如目前已經(jīng)廣泛研究應(yīng)用的輸電線路巡線機(jī)器人，主要在輸電線路導(dǎo)線或地線上工作，但其自重較大，需要檢修人員將巡線機(jī)器人從地面運(yùn)送到鐵塔頂部，并安裝到工作位置。對(duì)于檢修人員來說，在高空攀爬鐵塔的同時(shí)隨身攜帶巡線機(jī)器人難度相對(duì)較大，如何快速安全地完成運(yùn)輸任務(wù)是一項(xiàng)亟需解決的現(xiàn)實(shí)問題[2-5]。

針對(duì)輸電線路檢修作業(yè)過程中物料及工器具的運(yùn)輸需求，設(shè)計(jì)了一種輸電線路檢修用物料輸送裝置，對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)等進(jìn)行了研究，生產(chǎn)了樣機(jī)，并通過了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證。該裝置的研究可有效解決檢修作業(yè)中存在的物料及工器具運(yùn)輸問題，減輕檢修人員的作業(yè)強(qiáng)度，保證檢修人員安全，提高檢修作業(yè)的工作效率及自動(dòng)化程度。

1 物料輸送裝置組成

物料輸送裝置沿固定安裝于輸電線路鐵塔塔腿的導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，用于輸送檢修用的物料以及工器具等，可避免復(fù)雜的鐵塔結(jié)構(gòu)識(shí)別問題，物料輸送裝置自身重量為20 kg，額定載荷為100 kg，其機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由本體框架、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及承載平臺(tái)等構(gòu)成。其中本體框架是物料輸送裝置的主體結(jié)構(gòu)，作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及承載平臺(tái)等的載體；承載平臺(tái)用于固定物料及工器具等運(yùn)輸載荷。物料輸送裝置控制系統(tǒng)包含動(dòng)力電池、遙控系統(tǒng)及本體控制系統(tǒng)等。其中，動(dòng)力電池采用直流48 V鋰電池作為物料輸送裝置的動(dòng)力來源；遙控系統(tǒng)包含發(fā)射機(jī)與接收機(jī)，接收機(jī)位于本體框架內(nèi)部，接收機(jī)射頻天線設(shè)置于物料運(yùn)輸裝置本體框架外部。

2 物料輸送裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

物料輸送裝置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由四組外導(dǎo)向輪與內(nèi)導(dǎo)向輪組成。如圖1所示，內(nèi)導(dǎo)向輪固定在物料輸送裝置內(nèi)側(cè)凹壁結(jié)構(gòu)上，外導(dǎo)向輪固定于導(dǎo)軌外側(cè)。外導(dǎo)向輪與內(nèi)導(dǎo)向輪均為圓弧結(jié)構(gòu)，兩者共同作用夾緊導(dǎo)軌四周的圓柱結(jié)構(gòu)，僅保留物料輸送裝置在圖示z軸方向的平移自由度，以引導(dǎo)物料輸送裝置的運(yùn)動(dòng)方向，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可有效簡(jiǎn)化物料輸送裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，提高實(shí)用性及運(yùn)行可靠性。外導(dǎo)向輪和內(nèi)導(dǎo)向輪均為不可拆卸的固定式結(jié)構(gòu)，由于物料輸送裝置體積小、重量輕，直接從導(dǎo)軌底部裝入導(dǎo)軌，可節(jié)省檢修人員的安裝和拆卸時(shí)間。

圖1 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

物料輸送裝置運(yùn)動(dòng)方式基于齒輪齒條傳動(dòng)[6]，導(dǎo)軌表面加工有齒形孔，作為齒條結(jié)構(gòu)，齒輪固定安裝于物料輸送裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中電機(jī)經(jīng)RV減速器驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與導(dǎo)軌上的齒形孔嚙合，在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的限制引導(dǎo)作用下，帶動(dòng)物料輸送裝置沿導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)，達(dá)到輸送檢修物料的目的。物料輸送裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中齒輪為不銹鋼材質(zhì)，導(dǎo)軌為鋁合金材質(zhì)，齒輪在與導(dǎo)軌的齒形孔傳動(dòng)嚙合過程中，會(huì)造成導(dǎo)軌不可逆的磨損損壞，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和可靠性的降低，增加設(shè)備的維護(hù)成本。而導(dǎo)軌為附屬于鐵塔的固定式結(jié)構(gòu)，要求使用年限與鐵塔一致，更換磨損損壞的導(dǎo)軌難度較大。如圖2所示，為降低齒輪對(duì)導(dǎo)軌的磨損，齒輪由一體式結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)為模塊化結(jié)構(gòu)(分為齒輪主體和齒輪殼)，齒輪主體外部的齒輪殼為聚甲醛材質(zhì)，其硬度低于鋁合金，在與導(dǎo)軌齒形孔傳動(dòng)嚙合時(shí)，齒輪殼比鋁合金磨損的優(yōu)先級(jí)高，以齒輪殼先磨損的方法來保護(hù)導(dǎo)軌不被磨損。為保證安全性，齒輪主體仍采用不銹鋼材質(zhì)，當(dāng)齒輪殼磨損到一定程度后，可快速進(jìn)行齒輪殼的維護(hù)更換工作。

圖2 齒輪結(jié)構(gòu)

3 物料輸送裝置力學(xué)計(jì)算

物料輸送裝置為高空作業(yè)設(shè)備，對(duì)安全性要求較高，采用Solidworks軟件對(duì)其主要受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)計(jì)算分析。力學(xué)計(jì)算基于有限元方法及第四強(qiáng)度理論，在軟件中基于有限元方法仿真計(jì)算出物料輸送裝置的米澤斯等效應(yīng)力。當(dāng)計(jì)算的米澤斯等效應(yīng)力不大于對(duì)應(yīng)材質(zhì)的許用應(yīng)力，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就滿足使用要求，結(jié)構(gòu)安全。第四強(qiáng)度理論相應(yīng)的米澤斯準(zhǔn)則為[7]：

式中：為米澤斯等效應(yīng)力，MPa；[σ]為許用應(yīng)力，MPa。

物料輸送裝置本體框架為鋁合金材質(zhì)，承載平臺(tái)為Q235材質(zhì)。

鋁合金材質(zhì)許用應(yīng)力為：

式中：σb為抗拉強(qiáng)度，MPa；nb為安全系數(shù)，取2.5。

Q235材質(zhì)許用應(yīng)力[8]為：

“上帝”為啥創(chuàng)造這些搬弄是非的人呢？長(zhǎng)此下去，這些好事之徒、長(zhǎng)舌之君難免有意無意地宣傳丑化她，想待下去，可不容易??！

式中：σs為屈服強(qiáng)度，MPa；n為安全系數(shù)，取1.5。

在Solidworks軟件中對(duì)物料輸送裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化，保留主要受力結(jié)構(gòu)，按照額定載荷工況條件下，對(duì)物料輸送裝置進(jìn)行載荷和位移邊界條件約束并劃分網(wǎng)格，利用有限元仿真計(jì)算分布云圖。

采用米澤斯準(zhǔn)則(式(1))對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行判斷分析。從米澤斯等效應(yīng)力云圖可知：Q235材質(zhì)的承載平臺(tái)位置米澤斯等效應(yīng)力最大值為83.0 MPa，小于Q235材質(zhì)的許用應(yīng)力156 MPa，滿足米澤斯準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)安全。

鋁合金材質(zhì)構(gòu)件處米澤斯等效應(yīng)力最大值為63.9 MPa，小于對(duì)應(yīng)材質(zhì)的許用應(yīng)力80 MPa，滿足米澤斯準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)安全。最大位移為1.077 mm，滿足剛度使用要求。

4 物料輸送裝置控制系統(tǒng)

物料輸送裝置控制系統(tǒng)主要由遙控系統(tǒng)和本體控制系統(tǒng)構(gòu)成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。由檢修人員操作發(fā)射機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，接收機(jī)置于物料輸送裝置內(nèi)部，接收發(fā)射機(jī)的控制信號(hào)，并傳輸?shù)奖倔w控制系統(tǒng)微控制器，將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)的控制指令，對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)進(jìn)行PID閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)物料輸送裝置的上升，下降和停止功能。由于物料輸送裝置沿導(dǎo)軌上下運(yùn)行，為保證物料輸送裝置在停止的工況條件下，可靠鎖止，不會(huì)由于自重及運(yùn)輸載荷原因?qū)е略O(shè)備下行，在電機(jī)上配備相應(yīng)的失電電磁制動(dòng)器，并由本體控制系統(tǒng)基于發(fā)射機(jī)的控制信號(hào)對(duì)其打開和閉合狀態(tài)進(jìn)行協(xié)同控制。本體控制系統(tǒng)流程見圖4。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 本體控制系統(tǒng)流程

遙控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，其無線傳輸采用2.4 GHz信號(hào)頻段。接收機(jī)由控制板、2.4 G模塊和射頻天線組成。相對(duì)于接收機(jī)，發(fā)射機(jī)還具備電池和輸入單元，由電池進(jìn)行供電，其輸入單元提供檢修人員操作的按鈕及開關(guān)，檢修人員根據(jù)實(shí)時(shí)的工作需求，操作輸入單元，控制板獲取輸入單元的狀態(tài)信號(hào)，對(duì)狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行分析并完成協(xié)議編幀，編幀完成后的控制信號(hào)通過2.4 G模塊進(jìn)行發(fā)送。接收機(jī)由物料輸送裝置動(dòng)力電池供電，持續(xù)等待接收發(fā)射機(jī)的控制信號(hào)。一旦接收到控制信號(hào)，由控制板對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行協(xié)議解析還原，解析還原后的控制信號(hào)發(fā)送到本體控制系統(tǒng)微控制器，完成遙控系統(tǒng)的工作任務(wù)。

圖5 遙控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為確保現(xiàn)場(chǎng)的控制信號(hào)可靠，遙控系統(tǒng)發(fā)射機(jī)及接收機(jī)具有硬件和軟件復(fù)位功能。當(dāng)操作不當(dāng)或其他原因造成接收機(jī)故障時(shí)，遙控系統(tǒng)可以及時(shí)復(fù)位，避免造成危險(xiǎn)。

5 結(jié)束語

基于齒輪齒條傳動(dòng)方式，設(shè)計(jì)了一種以鋰電池為動(dòng)力的物料輸送裝置，以滿足輸電線路檢修時(shí)物料及工器具的運(yùn)輸需求，避免了復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)及視覺導(dǎo)航方式，提高了物料輸送裝置的實(shí)時(shí)響應(yīng)特性、可靠性以及現(xiàn)場(chǎng)適用性能。通過輸電線路檢修用物料輸送裝置的研究，解決了物料輸送裝置在輸電線路鐵塔上的運(yùn)動(dòng)方式、遠(yuǎn)程控制以及可靠鎖止等問題，實(shí)現(xiàn)了物料運(yùn)輸?shù)墓ぷ髂繕?biāo)。本裝置的應(yīng)用，提高了輸電線路檢修人員的工作效率，保障了人員安全，提高了輸電線路檢修領(lǐng)域的自動(dòng)化水平。

以上對(duì)裝置的研究思路及方向、具體機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)搭建進(jìn)行了初步探討，取得了一定成效，未來還有以下幾方面需要深入研究。

(1) 輸電線路特別是超高壓及特高壓線路現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾問題相對(duì)復(fù)雜突出，對(duì)控制系統(tǒng)的抗電磁干擾性能要求較高，研究本體控制系統(tǒng)的可靠多冗余系統(tǒng)等抗電磁干擾系統(tǒng)是下一步的研究重點(diǎn)。

(2) 隨著5G信息技術(shù)及人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，未來可將圖像采集識(shí)別的AI技術(shù)以及5G信息技術(shù)融入到輸電線路檢修用物料輸送裝置中，使其不僅僅是物料及工器具的運(yùn)輸工具，也能成為檢修人員的智慧感知終端，幫助檢修人員識(shí)別鐵塔爬塔通道上的故障點(diǎn)，使檢修人員提前獲取相關(guān)信息并做好對(duì)應(yīng)的預(yù)案準(zhǔn)備，為檢修人員提供科學(xué)的決策依據(jù)。