張 棟 張宏煜 方子帆,3 傅志浩 劉 進(jìn)

（1.佛山電力設(shè)計院有限公司, 廣東 佛山 528000；2.三峽大學(xué) 機(jī)械與動力學(xué)院, 湖北 宜昌 443002；3.三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 宜昌 443002）

隨著日常生產(chǎn)對供電可靠性要求的提高,帶電作業(yè)技術(shù)在電力系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)及管理中的地位越來越重要.然而,目前大多數(shù)企業(yè)對帶電作業(yè)技能培訓(xùn)以及技術(shù)創(chuàng)新的資源投入有限,不能滿足日后帶電作業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展要求,不利于帶電作業(yè)專業(yè)技能的整體發(fā)展[1-2].因此,針對不同桿塔確定檔距與呼高尤為重要[3].本文設(shè)計的輸電線路變檔距實(shí)驗(yàn)平臺是一種將軌道車輛和輸電桿塔有效結(jié)合后形成的新型電力試驗(yàn)設(shè)備.為貼合實(shí)際工程需要,軌道車采用單電機(jī)驅(qū)動方式,即電機(jī)安裝在傳動軸中間,通過傳動軸進(jìn)行力矩的傳輸,結(jié)構(gòu)上可以實(shí)現(xiàn)小型緊湊化、合理簡單化,能夠有效實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺的即停即啟.

研究軌行式移動平臺諸多的行駛性能時,移動平臺動力學(xué)研究對象的建模、分析與求解始終是一個關(guān)鍵性問題.移動平臺本身是一個復(fù)雜的多體系統(tǒng),外界載荷的作用更加復(fù)雜[4-5].研究的主要阻礙之一在于無法有效地處理復(fù)雜受力下多自由度分析模型的建立和求解問題[6].

計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,使得處理復(fù)雜問題的能力產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍.可視化多體動力學(xué)仿真分析軟件ADAMS可以避免建立繁雜的系統(tǒng)微分方程,具有快速建模及仿真分析能力,通過此軟件可對移動平臺進(jìn)行有效的運(yùn)動學(xué)仿真分析[7-8].

1 平臺功能與組成

實(shí)驗(yàn)平臺的驅(qū)動方式通常包括自驅(qū)式和牽引式.在實(shí)際使用工況中,平臺的行駛距離要求為50 m.采用卷揚(yáng)機(jī)牽引驅(qū)動時,牽引繩索的拖曳會導(dǎo)致移動平臺的啟動及制動存在延時,極大地影響到平臺的運(yùn)動控制和安全性.而采用電機(jī)自驅(qū)式能夠很好地實(shí)現(xiàn)平臺的即停即啟,從而實(shí)現(xiàn)檔距變換.

輸電線路變檔距實(shí)驗(yàn)平臺為配網(wǎng)帶電作業(yè)技術(shù)的新方法、新工器具提供配套的實(shí)踐驗(yàn)證場所,滿足檔距變換、桿型變換、安全可靠等功能和需求.

為滿足實(shí)際工況要求,軌行式移動實(shí)驗(yàn)平臺需保證運(yùn)行平穩(wěn),滿足可變檔、變桿型的要求.移動實(shí)驗(yàn)平臺主要包括輸電桿、車體和軌道3部分,且輸電桿與車體二者之間采用螺栓緊固連接.車體結(jié)構(gòu)由車架、承壓板、電機(jī)、減速器、傳動軸以及車輪組成,可移動式輸電線路變檔距實(shí)驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)功能如圖1所示,具體結(jié)構(gòu)組成如圖2所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)功能圖

2 平臺關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

2.1 軸距與輪距設(shè)計

考慮到場地、環(huán)境、施工以及經(jīng)濟(jì)性,整個平臺小車的設(shè)計控制在2.5 m×2.5 m 的范圍之內(nèi).軸距越短,平臺小車的抗風(fēng)側(cè)傾能力降低,平臺小車的制動性能和操縱穩(wěn)定性能會降低,還會給傳動裝置的布置帶來問題且容易發(fā)生倒塔和坍塌現(xiàn)象.因此選擇前軸軸距和后軸軸距為2 m,不僅滿足環(huán)境施工條件,同時也可以防止整個平臺的抗傾翻等問題.輪距的大小與平臺小車的結(jié)構(gòu)與布置有關(guān),前后輪距取決于整個平臺的寬度以及平臺與滑軌之間運(yùn)動機(jī)構(gòu)有運(yùn)動間隙且不發(fā)生干涉,因此選擇前后輪距為2 m.

2.2 傳動系統(tǒng)方案設(shè)計

整個平臺小車的傳動裝置采用的是二級圓柱齒輪減速器,如圖3所示.該方案結(jié)構(gòu)尺寸小,傳動效率高,適用于在較差的工作環(huán)境下長期工作.選擇的電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,由電動機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速nm和車輪的轉(zhuǎn)速nw,可確定整個傳動裝置的總傳動比,即:

⑩測量尺寸，調(diào)整“X磨損”的余量，再編輯程序，在G71之前加“；”，之后用1號刀精車一遍,最后用切斷刀加工Φ19.5的槽，再加工R2的圓弧。

圖3 二級圓柱齒輪減速器

在多級減速的傳動裝置中,其總傳動比為各級傳動比的連乘積,即:

計算出總傳動比后,即可分配各級傳動比.傳動比的分配合理與否直接影響到傳動裝置的外輪廓尺寸、質(zhì)量大小、潤滑條件以及整個平臺小車的工作能力等,所以合理分配傳動比十分重要.依據(jù)設(shè)計手冊,選取的二級圓柱齒輪減速器,取

式中:i1、i2分別為高速級和低速級的傳動比,i為總傳動比.

2.3 平臺穩(wěn)定性設(shè)計

輸電線路變檔距實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)合了輸電線路工程和車輛工程.輸電桿和車體在直線工況下運(yùn)行時,由于整體質(zhì)心高度升高,實(shí)際環(huán)境中存在風(fēng)阻,必須考慮其整體穩(wěn)定性,保證輸電平臺不會出現(xiàn)傾覆.移動平臺受力情況如圖4所示.

圖4 移動平臺受力圖

平臺受風(fēng)載和自重的作用,其抗傾覆穩(wěn)定性校核計算式為:

式中:M為彎矩；G1為車體自重；G2為輸電桿自重；L為車體輪間距；Mf為電機(jī)驅(qū)動力矩；Fg為輸電桿所受風(fēng)壓；Fc為車體所受風(fēng)壓；I1為輸電桿慣性力；I2為車體的慣性力.

其中:

查表得相應(yīng)的桿塔風(fēng)力系數(shù)C1＝1.3；車體的風(fēng)力系數(shù)C2＝1.6；ρ為空氣密度,正常的干燥空氣可取1.293 g/L；A1為桿件的迎風(fēng)面積；A2為車的迎風(fēng)面積；v為物體與空氣的相對運(yùn)動速度.

3 虛擬樣機(jī)仿真模型

ADAMS具有非常強(qiáng)的線性和非線性動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)仿真功能,但是其建模模塊尚待優(yōu)化,尤其是對一些復(fù)雜的模型更顯遜色.所以,有必要利用其它三維軟件建立模型,并將其導(dǎo)入ADAMS中,將三維模型轉(zhuǎn)化為多體動力系統(tǒng)模型以適應(yīng)ADAMS 環(huán)境.根據(jù)設(shè)計方案的實(shí)際參數(shù),利用Solid Works建立實(shí)驗(yàn)平臺的三維實(shí)體模型,輸電線路變檔距實(shí)驗(yàn)平臺三維實(shí)體模型如圖5所示.

圖5 輸電線路變檔距實(shí)驗(yàn)平臺三維實(shí)體模型

由于對整車動力學(xué)的分析沒有必要過多地關(guān)注車身之間結(jié)構(gòu)的互聯(lián),因此可以對車輛的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)某橄?、簡?對整車動力學(xué)模型作出如下假設(shè)[9-11]:

1)主要考慮軌道移動平臺是否能滿足設(shè)計要求的功能和穩(wěn)定性能,因此對影響這些研究性能的非主要因素可以進(jìn)行簡化,比如給傳動軸一個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動,保證平臺能夠以設(shè)計速度在軌道上移動；

2)在整車系統(tǒng)中,零件均認(rèn)為是剛體,在仿真分析過程中不考慮它們的變形；

3)不關(guān)注系統(tǒng)總成內(nèi)各部分零件,只關(guān)注總體屬性；

4)對于運(yùn)動副的定位點(diǎn),取其實(shí)際受力點(diǎn),且忽略各運(yùn)動副內(nèi)的摩擦力.

將三維實(shí)體模型進(jìn)行必要簡化,最終形成桿件、車體、車輪、軌道、地基4個組成部分,仿真構(gòu)件幾何形體的質(zhì)量、質(zhì)心位置、慣性矩等信息從零部件實(shí)體模型中提取.輸電線路變檔距實(shí)驗(yàn)平臺虛擬樣機(jī)模型如圖6所示,平臺整車的參數(shù)見表1.

圖6 輸電線路變檔距實(shí)驗(yàn)平臺虛擬樣機(jī)模型

表1 平臺整車的參數(shù)

為了使各個相對運(yùn)動的部分形成有機(jī)的整體,根據(jù)構(gòu)件之間相對運(yùn)動,在模型中利用ADAMS/view中的約束工具為各構(gòu)件之間引入約束,其中添加多個固定副及轉(zhuǎn)動副,軌道移動平臺車的主要約束見表2.

表2 軌道移動平臺虛擬樣機(jī)主要約束

4 行駛特性分析

4.1 虛擬樣機(jī)仿真

為了評估軌行式移動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性,發(fā)現(xiàn)設(shè)計中潛在的問題,對移動平臺進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真.觀察所設(shè)計的移動平臺在仿真時行駛是否順利,在負(fù)載作用下以設(shè)計速度運(yùn)行時是否會出現(xiàn)不平穩(wěn)、傾覆等狀況.

為模擬移動平臺真實(shí)的行駛過程,在施加驅(qū)動時結(jié)合STEP函數(shù)實(shí)現(xiàn)移動平臺在軌道上做出加速啟動、平穩(wěn)運(yùn)行和減速停止等3 個動作.其格式為STEP(x,begin,initial value,End,Final value).它用一個二次多項(xiàng)式構(gòu)造一個階躍函數(shù),其中x是獨(dú)立變量,(begin,initial value)決定起始點(diǎn),(End,Final value)決定終止點(diǎn).輸出移動平臺沿軌道方向和垂直于軌道方向的位移和速度變化曲線,觀察移動平臺的速度和位移曲線是否符合設(shè)定預(yù)期,以檢測移動平臺運(yùn)行是否順利.

由圖7可以看出,移動平臺在平行軌道方向(Z軸向)上運(yùn)行良好,位移和速度曲線基本符合預(yù)期設(shè)定,實(shí)現(xiàn)了加速啟動、勻速行駛、減速停車3個階段.這時的移動平臺行駛速度約為18 m/min,符合預(yù)期設(shè)計時速5～20 m/min,保證了移動平臺穩(wěn)定的行駛特性.

圖7 移動平臺質(zhì)心平行軌道方向(Z 軸)位移和速度曲線

圖8主要反映了移動平臺上輸電桿質(zhì)心垂直軌道方向(X軸向)的速度變化.可以看出,輸電桿在啟動和停車階段速度震蕩幅度較大,中間平穩(wěn)運(yùn)行,符合預(yù)期,有輕微左右搖晃趨勢,但總體在可控安全范圍內(nèi).

圖8 輸電桿質(zhì)心垂直軌道方向(X 軸)速度曲線

考慮到輸電線路變檔距移動平臺的實(shí)際工作環(huán)境存在風(fēng)載,移動平臺在軌道上運(yùn)行時的穩(wěn)定性受到影響,需要研究所受環(huán)境風(fēng)力下移動平臺的橫向位移量.模擬運(yùn)行環(huán)境風(fēng)載條件為8級風(fēng)(v＝20 m/s),在仿真過程中添加固定風(fēng)載作用,得到輸電桿質(zhì)心橫向位移.

圖9主要反映了無風(fēng)載條件下輸電桿質(zhì)心垂直軌道方向(X軸向)的位移變化.可以看出,桿件并非筆直前行,在行駛過程中,只在啟動和停車階段時垂直于軌道的位移出現(xiàn)較大往復(fù)變化,最大橫向偏移位移小于10 mm,勻速行駛階段總體平穩(wěn)安全,不會出現(xiàn)橫向傾覆.

圖9 無風(fēng)載條件下輸電桿質(zhì)心垂直軌道方向(X 軸)位移曲線

圖10主要反映了環(huán)境風(fēng)速輸電桿受風(fēng)載作用垂直軌道方向(X軸)的位移變化.總體趨勢與無風(fēng)載作用時相近,最大位移偏移量依舊出現(xiàn)在移動平臺加速啟動和減速制動階段,這也說明在實(shí)際運(yùn)行過程中應(yīng)加強(qiáng)移動平臺啟制動階段的安全監(jiān)測.輸電桿質(zhì)心開始時X軸向位置為X＝—32.7 mm,勻速運(yùn)行階段輸電桿質(zhì)心始終在初始位置微弱震蕩,且偏移量較小并呈穩(wěn)定趨勢,移動平臺總體運(yùn)行平穩(wěn)安全.

圖10 風(fēng)載條件下輸電桿質(zhì)心垂直軌道方向(X 軸)位移曲線

圖11與圖12分別反映了無風(fēng)載條件下和風(fēng)載條件下移動平臺的4個車輪與軌道之間的法向接觸力的變化.

圖11 無風(fēng)載條件下移動平臺輪軌間的法向接觸力

圖12 風(fēng)載條件下移動平臺輪軌間的法向接觸力

在無風(fēng)載作用時,迎風(fēng)側(cè)的輪軌法向接觸力(contact_2,contact_4)與背風(fēng)側(cè)的輪軌法向接觸力(contact_1,contact_3)兩者大致相等.在有風(fēng)載作用時,迎風(fēng)側(cè)的輪軌法向接觸力與背風(fēng)側(cè)的輪軌法向接觸力兩者不等；背風(fēng)側(cè)接觸力大于迎風(fēng)側(cè)的接觸力,符合實(shí)際運(yùn)行情況.總體來看,不管是有風(fēng)載還是無風(fēng)載作用,車輪與軌道之間一直存在法向接觸力,表明輪軌接觸良好,不會出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象,進(jìn)一步驗(yàn)證了移動平臺行駛特性良好.

4.2 物理樣機(jī)驗(yàn)證

根據(jù)上述設(shè)計數(shù)據(jù),在指定場地完成了輸電線路實(shí)驗(yàn)平臺物理樣機(jī)的搭建,如圖13所示.并根據(jù)現(xiàn)場工況進(jìn)行物理樣機(jī)的穩(wěn)定性試驗(yàn).

圖13 輸電線路實(shí)驗(yàn)平臺物理樣機(jī)

經(jīng)實(shí)地測算,現(xiàn)場風(fēng)速為19.3 m/s,通過電氣柜控制實(shí)驗(yàn)平臺行進(jìn)速度為18 m/s,進(jìn)而測算實(shí)驗(yàn)平臺的運(yùn)動特性,實(shí)驗(yàn)與仿真參數(shù)對比見表3.

表3 實(shí)驗(yàn)平臺穩(wěn)定性參數(shù)指標(biāo)對比

由數(shù)據(jù)分析可知,虛擬樣機(jī)仿真和物理樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果相差無幾,均滿足穩(wěn)定性要求.

5 結(jié) 論

根據(jù)輸電線路變檔距實(shí)驗(yàn)平臺的功能需求,設(shè)計了可移動軌行式平臺,利用Solid Works軟件建立三維實(shí)體模型；基于虛擬樣機(jī)技術(shù),在ADAMS 環(huán)境下,建立了軌行式移動平臺虛擬樣機(jī)模型,并對其進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真.仿真結(jié)果顯示,移動平臺在特定工況下的行駛穩(wěn)定性和安全性符合預(yù)期,驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性.虛擬樣機(jī)模型的建立能夠有效反映移動平臺的行駛過程,可以方便、可視化地研究移動平臺的動態(tài)力學(xué)性能,減少或部分代替物理樣機(jī)試驗(yàn),既縮短了移動平臺的開發(fā)周期又降低開發(fā)成本,同時也能為參數(shù)優(yōu)化等后續(xù)研究提供依據(jù).輸電線路變檔距移動平臺將輸電線路工程和車輛工程結(jié)合在一起,為帶電作業(yè)開辟了新的研究思路.