國(guó)網(wǎng)青海省發(fā)電公司西寧供電公司 王常明 樊昌軍 李 強(qiáng) 王 森

當(dāng)輸電線路出現(xiàn)上述較小的故障進(jìn)行檢修及處理時(shí)，為保證用戶的正常用電，通常會(huì)進(jìn)行帶電消缺作業(yè)[1]。作業(yè)過(guò)程中一般會(huì)由操作人員進(jìn)行帶電操作。為保證作業(yè)人員的安全，防止誤觸電等危險(xiǎn)的發(fā)生，絕緣的作業(yè)工具及絕緣的保護(hù)工具是作業(yè)人員必備裝備。絕緣繩又是檢修作業(yè)的重要輔助工具。檢修人員在作業(yè)過(guò)程中通常需多條絕緣繩協(xié)助作業(yè)，尤其是在大跨距的電桿及電塔上工作時(shí)，需使用通徑φ16及以上的絕緣繩，且絕緣繩的長(zhǎng)度會(huì)依據(jù)作業(yè)半徑而相應(yīng)調(diào)整[2]。

由于絕緣繩的重要作用是進(jìn)行打結(jié)及施加拉伸力，因此絕緣繩的硬度較軟，多根絕緣繩同時(shí)作業(yè)過(guò)程中易于出現(xiàn)相互纏繞及打結(jié)等工況，這會(huì)造成施工人員不得不將絕緣繩事先盤好、以便作業(yè)過(guò)程中能夠順利的釋放絕緣繩，減少作用過(guò)程中由于多根繩子一起釋放發(fā)生的相互纏繞等問(wèn)題造成的作業(yè)時(shí)間增長(zhǎng)等問(wèn)題[3]。

1 工作原理

針對(duì)φ16及以上通徑的絕緣繩釋放及盤收過(guò)程的作業(yè)方式，提出了研制一種應(yīng)用于作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)盤放絕緣繩的電動(dòng)式盤放裝置[4]。該裝置采用卷盤驅(qū)動(dòng)裝置與驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制裝置相連接，并且采用了自動(dòng)排線結(jié)構(gòu)對(duì)絕緣繩進(jìn)行有序排布，實(shí)現(xiàn)絕緣繩的自動(dòng)有序盤放[5]。該方法在保證作業(yè)人員的安全的前提下，有效的提高了絕緣繩的盤放效率，且人力、物力、資源投入較小，工作效率高，能夠達(dá)到輸電線路安全檢修的目的。

該裝置的主要設(shè)計(jì)思路式通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)變速箱旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)變速箱的降速增扭矩的轉(zhuǎn)換后輸出到卷盤驅(qū)動(dòng)軸，卷盤驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì)有手動(dòng)及自動(dòng)兩個(gè)切換齒輪，利用齒輪的切換將卷盤的動(dòng)作分為電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式及手動(dòng)式模式。在裝置的尾部設(shè)計(jì)有相應(yīng)的絕緣繩排布裝置，該裝置利用軸的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)絕緣繩能夠整齊的排布在卷筒上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣繩的順利盤放（圖1）。通過(guò)轉(zhuǎn)速控制器控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，經(jīng)過(guò)減速機(jī)的扭矩轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化驅(qū)動(dòng)卷盤驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，從而提供絕緣繩盤放力矩。利用絕緣繩自動(dòng)排繩裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣繩的整齊排放。

圖1 工作原理結(jié)構(gòu)框圖

絕緣繩現(xiàn)場(chǎng)盤放裝置是應(yīng)用于作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)絕緣繩進(jìn)行有序盤放的裝置，該裝置中主要包括電源、轉(zhuǎn)速控制裝置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速裝置、手動(dòng)自動(dòng)切換裝置、卷盤驅(qū)動(dòng)裝置、手動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置以及自動(dòng)排繩裝置組成。絕緣繩的自動(dòng)盤放主要通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成，隨車電源提供電力，經(jīng)由轉(zhuǎn)速控制裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了卷盤的旋轉(zhuǎn)速度。減速機(jī)直接與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)力經(jīng)過(guò)減速機(jī)的轉(zhuǎn)化作用，提高了輸出扭矩，降低了輸出速度，從而得到驅(qū)動(dòng)卷盤旋轉(zhuǎn)的合理速度。

自動(dòng)排繩裝置能夠根據(jù)卷盤的旋轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)位置，從而保證絕緣繩能夠整齊順利的排布在卷盤上。手動(dòng)模式下，可以防備電源無(wú)電情況下對(duì)卷盤進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣繩的順利收放。

2 方案設(shè)計(jì)

在充分分析輸電線路作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)絕緣繩盤放的工況需求的基礎(chǔ)上，得到了主要要實(shí)現(xiàn)的目的為通過(guò)電控驅(qū)動(dòng)的方式完成絕緣繩的電動(dòng)盤放，從而降低作業(yè)人員的手動(dòng)盤放作業(yè)需求，提高作業(yè)效率；另外在盤放過(guò)程中需要對(duì)絕緣繩的進(jìn)行有效整理，以便絕緣繩能夠有序的盤卷在卷盤上，保證絕緣繩不會(huì)出現(xiàn)“打結(jié)現(xiàn)象”。在以上兩個(gè)工況需求下，分別對(duì)其電控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)方案以及排繩機(jī)構(gòu)等裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2.1 電控系統(tǒng)框圖

搭建的電氣控制系統(tǒng)框架如圖2，對(duì)電機(jī)的控制主要包括兩種模式，一種是在線模式，也就是直接通過(guò)控制器上面的旋鈕及按鈕對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。另一種是遙控模式，通過(guò)遙控器發(fā)出指令到電機(jī)控制器上，然后電機(jī)控制器輸出相應(yīng)的控制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由鋰離子蓄電池供電，并將供給的電能轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)電流提供給被驅(qū)動(dòng)的電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速及扭矩的控制。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制器在應(yīng)用過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)遙控功能，該遙控功能是利用遙控器對(duì)控制器發(fā)出指令，由控制器上安裝的通訊模塊進(jìn)行接收，經(jīng)控制器對(duì)遙控信號(hào)處理后輸出到被控電機(jī)處，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控電機(jī)的遙控。

圖2 電控系統(tǒng)框圖

在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工作過(guò)程中，傳統(tǒng)工作模式下基本需要人對(duì)絕緣繩的長(zhǎng)度進(jìn)行估算，由經(jīng)驗(yàn)得出絕緣繩的長(zhǎng)度大概是多少。在此設(shè)計(jì)方案中設(shè)計(jì)有對(duì)絕緣繩長(zhǎng)度的測(cè)量裝置，該測(cè)量裝置主要通過(guò)安裝在排繩機(jī)構(gòu)處的計(jì)米器完成。該計(jì)米器主要包括一個(gè)計(jì)量輪、計(jì)量用的高精度編碼器、以及電控?cái)?shù)顯系統(tǒng)組成，計(jì)量輪與排繩機(jī)構(gòu)的滾筒相接觸，當(dāng)滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)計(jì)量輪旋轉(zhuǎn)，從而編碼器跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出脈動(dòng)信號(hào)供給電控?cái)?shù)顯器。電控?cái)?shù)顯系統(tǒng)主要是計(jì)算從編碼器輸出的脈沖信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理，計(jì)算得出的長(zhǎng)度值通過(guò)數(shù)顯系統(tǒng)顯示出來(lái)。

2.2 驅(qū)動(dòng)方案確定

在該絕緣繩盤放裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，需要對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行選擇，常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要包括直流和交流兩種，其中交流電機(jī)需要三相或者單相交流電，在野外工作過(guò)程中會(huì)因供電電源導(dǎo)致電動(dòng)模式不一定能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此采用了直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過(guò)對(duì)直流有刷電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析，選擇直流無(wú)刷電機(jī)來(lái)作為本次設(shè)計(jì)工具的主要元件。通過(guò)對(duì)絕緣繩現(xiàn)場(chǎng)盤放裝置的盤繩扭矩計(jì)算選擇250W，電壓24V，3000r/min 的直流無(wú)刷電機(jī)(圖3)。

圖3 直流無(wú)刷電機(jī)圖

2.3 絕緣繩排繩裝置設(shè)計(jì)

絕緣繩在卷盤上卷曲期間，由于絕緣繩的繩間摩擦力的作用，會(huì)導(dǎo)致絕緣繩不自主的疊摞在一起，排布過(guò)程不流暢而且易于出現(xiàn)“脫扣”現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)排繩機(jī)構(gòu)非常必要（圖4）。自動(dòng)排繩裝置主要包括皮帶、帶輪、排布軸以及排繩器等零部件組成，帶輪驅(qū)動(dòng)排布軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)排繩器左右移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中絕緣繩能夠左右擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)絕緣繩的有序排列。圖中所示的皮帶一端連接在卷盤驅(qū)動(dòng)軸處，另一端與排繩裝置排布軸的帶輪相連，當(dāng)卷筒傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)該卷筒排繩器跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖4 絕緣繩排繩裝置圖

2.4 減速機(jī)選擇

在絕緣繩盤放裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)絕緣繩的盤放速度較低，且需要一定的自鎖能力，因此選擇蝸輪蝸桿減速器作為其主要的減速裝置（圖5）。常用的減速機(jī)構(gòu)主要包括齒輪式減速機(jī)渦輪蝸桿式減速機(jī)，其中齒輪式減速機(jī)需要多級(jí)齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)較大的減速比，當(dāng)齒輪級(jí)數(shù)較多時(shí)其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且整體重量較大，然而渦輪蝸桿式減速機(jī)的單級(jí)減速機(jī)就能得到很大的傳動(dòng)比（一般為5～100）、結(jié)構(gòu)緊湊、可加潤(rùn)滑油或油脂使用。傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音較小、大速比可實(shí)現(xiàn)自鎖性能等。小單級(jí)+大單級(jí)減速機(jī)聯(lián)接使用可增大總速比、增大扭矩等優(yōu)點(diǎn)，故而選用蝸輪蝸桿式減速機(jī)。

圖5 蝸輪蝸桿減速機(jī)

當(dāng)輸電線路檢修現(xiàn)場(chǎng)操作期間需要對(duì)絕緣繩進(jìn)行盤放，其工作時(shí)間不一定，所以在檢修期間可能車載電源可能電量不足，因此需要設(shè)計(jì)有手動(dòng)自動(dòng)切換裝置。卷盤的驅(qū)動(dòng)扭矩來(lái)源于減速機(jī)的輸出軸，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮減速機(jī)的輸出軸與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入軸之間的配合關(guān)系，將手動(dòng)與自動(dòng)切換裝置設(shè)計(jì)于此（圖6）。此裝置中主要包括撥叉機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)。其中齒輪包括兩個(gè)，一是與減速機(jī)相連接的主動(dòng)齒輪，另一個(gè)是與卷盤驅(qū)動(dòng)軸相連接的從動(dòng)齒輪，從動(dòng)齒輪還與撥叉結(jié)構(gòu)相連接。當(dāng)盤繩車處于電動(dòng)模式下，撥叉機(jī)構(gòu)將從動(dòng)齒輪與主動(dòng)齒輪相互嚙合，此時(shí)從動(dòng)齒輪在主動(dòng)齒輪的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)卷盤驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)卷盤的驅(qū)動(dòng)。

圖6 手動(dòng)自動(dòng)切換裝置

當(dāng)盤繩車處于手動(dòng)模式下，撥動(dòng)撥叉機(jī)構(gòu)，使得主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪相分離，此時(shí)主動(dòng)齒輪的輸出力就不在傳遞到從動(dòng)齒輪上，從動(dòng)齒輪與卷盤驅(qū)動(dòng)軸處于無(wú)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。利用手柄驅(qū)動(dòng)手輪卷盤另一側(cè)的卷盤驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)卷盤的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。

3 整體結(jié)構(gòu)及裝置創(chuàng)新之處

絕緣繩盤放裝置的各個(gè)執(zhí)行器件是安裝在底座上的，因此底座在整個(gè)裝置中起到了支撐其他零部件的作用，而且在工作過(guò)程中要求有一定的強(qiáng)度并能根據(jù)作業(yè)位置實(shí)時(shí)移動(dòng)，所以在設(shè)計(jì)底座時(shí)要充分考慮其整體零部件的布局及可移動(dòng)性，并要考慮當(dāng)卷盤完成絕緣繩的盤卷后重心位置是否發(fā)生移動(dòng)。因此設(shè)計(jì)了整體的框架式底盤，能在保證底盤整體剛度的同時(shí)又降低其重量。為實(shí)現(xiàn)裝置的移動(dòng)，在底座下部安裝有輪組以實(shí)現(xiàn)其自由移動(dòng)。通過(guò)對(duì)電控系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)及自動(dòng)排繩系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，分別得到電動(dòng)的卷盤扭矩傳動(dòng)系統(tǒng)、帶有手動(dòng)切換的機(jī)械式卷盤扭矩傳動(dòng)系統(tǒng)及與卷盤傳動(dòng)系統(tǒng)相互配合使用的自動(dòng)排繩系統(tǒng)（圖7）。

圖7 整體結(jié)構(gòu)圖

自動(dòng)式的絕緣繩盤放，提高了絕緣繩盤放的高效作業(yè)。設(shè)計(jì)了新型的絕緣繩現(xiàn)場(chǎng)盤放裝置，通過(guò)電機(jī)控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、遙控器及直流電機(jī)的高效配合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)盤繩。其中電機(jī)控制器中主要包括電機(jī)轉(zhuǎn)速以及電機(jī)轉(zhuǎn)向的控制，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制旋鈕能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，達(dá)到了能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作狀況調(diào)節(jié)盤繩速度的目的。通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)向的控制實(shí)現(xiàn)了卷盤的正傳及倒轉(zhuǎn)的方向控制，達(dá)到了絕緣繩的高效收卷以及釋放。

絕緣繩排繩裝置設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了絕緣繩的有序盤放。通過(guò)設(shè)計(jì)絕緣繩排繩裝置，使得絕緣繩在收卷過(guò)程中能夠有序的排放在卷筒上，實(shí)現(xiàn)了絕緣繩的順序盤放。絕緣繩排繩裝置中包含的皮帶與皮帶輪傳動(dòng)系統(tǒng)與卷盤驅(qū)動(dòng)軸直接相連接，當(dāng)卷筒旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)帶動(dòng)排繩機(jī)構(gòu)的排繩軸旋轉(zhuǎn)，排繩軸上的溝槽與排繩器相互配合，在卷筒旋轉(zhuǎn)過(guò)程中排繩器左右橫向移動(dòng)、帶動(dòng)絕緣繩左右移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)絕緣繩均勻的排布在卷筒上。該設(shè)計(jì)能夠避免絕緣繩一直處在一個(gè)位置收卷引起的“脫扣”現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文根據(jù)輸電線路作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)絕緣繩盤放工況的需求，設(shè)計(jì)了新型的絕緣繩現(xiàn)場(chǎng)盤放裝置，該裝置通過(guò)電機(jī)控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、遙控器以及直流電機(jī)的高效配合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)盤繩。其中電機(jī)控制器中主要包括電機(jī)轉(zhuǎn)速以及電機(jī)轉(zhuǎn)向的控制，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制旋鈕能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，達(dá)到了能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作狀況調(diào)節(jié)盤繩速度的目的。通過(guò)設(shè)計(jì)絕緣繩排繩裝置，使得絕緣繩在收卷過(guò)程中能夠有序的排放在卷筒上，實(shí)現(xiàn)了絕緣繩的順序盤放。在輸電線路作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐證明，該裝置能夠較大程度的提高作業(yè)效率，降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。