張俊 何嘉良

引言

電網(wǎng)的發(fā)展日新月異，斷路器應(yīng)用的可靠性也與時(shí)俱進(jìn)，不斷提升。以南方電網(wǎng)公司為例，3～35kV電壓等級(jí)的斷路器主要整合于室內(nèi)高壓開關(guān)柜之中，作業(yè)包括接受、分配電能以及控制開關(guān)分合等等。結(jié)合工作實(shí)際，室內(nèi)高壓開關(guān)柜包含固定式和移開式（手車式）兩類[1]。移開式（手車式）所占空間小，防塵和防止小動(dòng)物干擾的功能強(qiáng)大，運(yùn)行可靠性強(qiáng)，兼具五防功能，維護(hù)較為便捷，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛[2]。

一、開關(guān)小車轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的痛點(diǎn)分析

（一）路面不平整，情況復(fù)雜

10kV斷路器狀態(tài)的轉(zhuǎn)換操作占變電運(yùn)行專業(yè)操作一半以上的操作量，因此，10kV斷路器操作過(guò)程中使用的工器具，是否輕便安全易使用，影響著操作人員使用中的安全與效率。若站內(nèi)沒(méi)有配置合適的轉(zhuǎn)運(yùn)小車平臺(tái)，由于開關(guān)柜前方電纜溝蓋板凹凸不平等原因，不同變電站電纜溝蓋板的高度差不一樣，有的甚至?xí)嬖?～2cm高度差，影響小車轉(zhuǎn)運(yùn)的平穩(wěn)性，增加了小車在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的安全隱患。

（二）小車搬運(yùn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，存在安全隱患

目前，在10kV斷路器轉(zhuǎn)為檢修狀態(tài)的過(guò)程中，要借助人力將斷路器由開關(guān)柜小車室轉(zhuǎn)移到10kV斷路器操作小車平臺(tái)上，然后再次借助人力推至合適的位置。而現(xiàn)在常用的10kV斷路器操作小車平臺(tái)都比較笨重，一般會(huì)用到螺絲刀或者撬棍進(jìn)行輔助拆卸，再利用螺桿螺母將小車開關(guān)的高度調(diào)節(jié)到位。以上操作所需的力量較大，有些運(yùn)行值班員，尤其是女性值班員，他們的力量不夠，難以完成，故而工作效率和安全性則會(huì)大打折扣[3]。同時(shí)，工作人員只能通過(guò)人力搬、抬等方式將其手動(dòng)對(duì)位，而10kV斷路器操作小車平臺(tái)自身體積大、重量大，再加上斷路器本身自帶的重量，把斷路器推回開關(guān)柜小車室進(jìn)行對(duì)位時(shí)，難度加大，容易因碰撞損壞10kV斷路器操作小車平臺(tái)及10kV斷路器本體設(shè)備。甚至?xí)驗(yàn)橐苿?dòng)困難，對(duì)位不正確導(dǎo)致閉鎖脫鉤，對(duì)人身造成傷害。

（三）對(duì)位困難

此外，將10kV斷路器操作小車平臺(tái)與開關(guān)柜小車室導(dǎo)軌準(zhǔn)確對(duì)位及固定一直以來(lái)是運(yùn)行人員作業(yè)過(guò)程中的痛點(diǎn)難點(diǎn)，普遍存在多次移動(dòng)對(duì)位方能勉強(qiáng)實(shí)現(xiàn)的情況。某變電站曾由于10kV斷路器操作小車平臺(tái)在未對(duì)位及固定的情況下，運(yùn)行人員拉出斷路器時(shí)造成斷路器掉落損壞、人身傷害的事件。

本文基于以上問(wèn)題，針對(duì)現(xiàn)有的10kV斷路器，研制了一種履帶式開關(guān)柜自主對(duì)位操作輔助平臺(tái)。

二、履帶式開關(guān)柜自主對(duì)位操作輔助平臺(tái)設(shè)計(jì)

（一）輔助平臺(tái)工作原理

履帶式開關(guān)柜自主對(duì)位操作輔助平臺(tái)的前視圖和俯視圖如圖1所示：

圖1 履帶式開關(guān)柜自主對(duì)位操作輔助平臺(tái)

1.通過(guò)遙控驅(qū)動(dòng)履帶底盤1，將裝置橫向移動(dòng)到所需要的位置，貼近距離小于10cm；

2.通過(guò)按鈕3.2使得升降機(jī)2起降升降平臺(tái)3，升降機(jī)分為左右兩套系統(tǒng)，可以調(diào)節(jié)左右水平，使得平臺(tái)與小車的底盤滑輪高度一致并左右平衡；

3.通過(guò)調(diào)節(jié)平臺(tái)定位插片3.5來(lái)適應(yīng)開關(guān)小車輪距；

4.通過(guò)前后調(diào)節(jié)裝置4的手輪4.1，使得平臺(tái)3可以向前移動(dòng)，頂?shù)介_關(guān)柜體，并將定位插片3.5插入小車軌道口。

5.手動(dòng)拉出開關(guān)小車，由于平臺(tái)3的臺(tái)面上布滿了萬(wàn)向輸送球，所以小車從柜子里拉出到平臺(tái)時(shí)不費(fèi)力；

6.小車完全拉到平臺(tái)3后，用機(jī)械鎖定鉤3.4鉤住小車?yán)植㈡i定；

7.轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，先搖動(dòng)手輪4.1，使得平臺(tái)回到本裝置原始位置；

8.裝回小車的操作與上送1—4項(xiàng)一致，鎖定插片3.5到位對(duì)準(zhǔn)后，脫開機(jī)械鎖定鉤3.4；

9.由于萬(wàn)向輸送平臺(tái)3上的萬(wàn)向輸送球的多向轉(zhuǎn)動(dòng)，可以手動(dòng)移動(dòng)小車對(duì)準(zhǔn)小車軌道并推入開關(guān)柜。

（二）輪式和履帶式行走機(jī)構(gòu)優(yōu)劣對(duì)比以及材料選擇

輪式行走機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于方便、快速、靈活，常見于平坦路面上，而履帶式行走機(jī)構(gòu)在高速、靈活、容易控制、能耗低方面略遜一籌，但其穩(wěn)定性和適應(yīng)能力出眾，能夠勝任日常復(fù)雜路況下的工作，尤其在布滿斜坡、空隙、凹凸不平的路面下，應(yīng)用更為廣泛。

重量一致的情況下，履帶式機(jī)構(gòu)的牽引力達(dá)到輪式的1.4-1.8倍，牽引效率方面，輪式上根據(jù)統(tǒng)計(jì)是0.55-0.65，履帶式則為0.7-0.8，兩者相減可知，相同動(dòng)力下，輪式機(jī)構(gòu)的有效功率要比履帶式低十五個(gè)百分點(diǎn)左右。此外，履帶式行走機(jī)構(gòu)的重心偏下，并且摩擦系數(shù)大，故而其抗傾覆能力強(qiáng)，上下坡更為平穩(wěn)。同時(shí)，它還具有轉(zhuǎn)彎半徑小的機(jī)動(dòng)性、爬坡能力強(qiáng)的越野性等特點(diǎn)[4]。

履帶的材料最終選擇的是橡膠，橡膠履帶的優(yōu)勢(shì)有以下5點(diǎn)：

（1）橡膠履帶相較于鋼質(zhì)履帶、橡膠輪胎，通過(guò)性能優(yōu)越，尤其是在偏軟質(zhì)的路面上，這得益于其接地比壓?。核慕拥乇葔涸谇Х种牡桨俜种着羺^(qū)間范圍內(nèi)，輪式車輛的輪胎則在百分之十到十五兆帕之間。橡膠履帶行走機(jī)構(gòu)可參與的作業(yè)場(chǎng)景更為廣泛，可適應(yīng)環(huán)境復(fù)雜的情況下的作業(yè)，提升機(jī)械設(shè)備在多變工況下的表現(xiàn)。

（2）和鋼質(zhì)履帶相比，橡膠材質(zhì)對(duì)路面的破壞性減弱，與地面的接觸面為花紋側(cè)膠，機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)對(duì)路面的破壞幾乎為零，也不拘泥于單一路面環(huán)境。

（3）橡膠和鋼材對(duì)照，當(dāng)其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，各輪與履帶的摩擦方式發(fā)生改變，使得整個(gè)機(jī)構(gòu)的震動(dòng)和噪音減弱，有限降低了機(jī)械損耗和后期維護(hù)量。

（4）行走機(jī)構(gòu)的履帶若采用鋼材，包括支重輪、托輪、張緊輪在內(nèi)的各個(gè)部件，大大增加了與履帶和零件之間的磨損，這些零部件的損耗巨大，平日的正常維護(hù)量很大，零部件的拆卸、維修和更換也會(huì)更加頻繁。橡膠履帶的系統(tǒng)是一個(gè)整體，零部件無(wú)需也無(wú)法單個(gè)更換，此外，前面提到的支重輪、托輪、張緊輪在橡膠的間隙中運(yùn)動(dòng)，損耗量小，拆解維護(hù)方便。由于其使用壽命長(zhǎng)，即使機(jī)構(gòu)損壞嚴(yán)重，或達(dá)到了出廠年限，需整體進(jìn)行更換，所需總成本也會(huì)更低。

（5）橡膠的密度低于鋼材，摩擦力較小，履帶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦力造成的功率損耗則會(huì)降低，且橡膠和其他材質(zhì)的親和性很好，接觸面之間的作用力得到緩沖，故而，其震動(dòng)沖擊所產(chǎn)生的消耗大大降低。

綜上所述，履帶式行走機(jī)構(gòu)可以適應(yīng)開關(guān)柜附近由于電纜溝蓋板凹凸不平等原因?qū)е碌膹?fù)雜、不平穩(wěn)路況，提高行駛機(jī)構(gòu)的附著性能和減振性能，保證10kV斷路器操作小車轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)的順利進(jìn)行，而材料方面考慮選用橡膠。

（三）左右兩套升降系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)策略

本輔助平臺(tái)的升降系統(tǒng)由兩套四軸升降機(jī)組成，一左一右。若采用左右兩套獨(dú)立的系統(tǒng)，則平臺(tái)的平衡性很難保證，在調(diào)節(jié)的過(guò)程中，可能出現(xiàn)左右兩邊高度差過(guò)大，最終導(dǎo)致平臺(tái)失衡，小車傾倒。為此，需考慮左右兩套升降系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)?？紤]加入包括支持系統(tǒng)、能量系統(tǒng)、升降系統(tǒng)和壓差系統(tǒng)在內(nèi)的多個(gè)小系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)配合，其中支持系統(tǒng)包括底部平臺(tái)、大柱、聯(lián)結(jié)梁和聯(lián)結(jié)繩。此外，需引入伺服電機(jī)，以極低的誤差處理好左右兩邊的位移量，使得兩邊的高度差在可控范圍內(nèi)。伺服電機(jī)是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。這種發(fā)動(dòng)機(jī)旨在“變速”，同時(shí)可以精準(zhǔn)把控位移信號(hào)，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)。與之相配合的，通過(guò)傳動(dòng)連桿和聯(lián)結(jié)繩控制傳送平臺(tái)的垂直高度，而所能傳送的物體重量上限取決于傳動(dòng)連桿和聯(lián)結(jié)繩的直徑、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等，從而提高本輔助平臺(tái)升降系統(tǒng)的提升能力。如若發(fā)動(dòng)機(jī)或者傳動(dòng)連桿等出現(xiàn)異常，壓差系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，液壓桿維持原狀，儲(chǔ)油裝置豎直向上的拉力和傳送平臺(tái)上的物體自重達(dá)到平衡，從而將傳送平臺(tái)固定在安全位置，解決了部件出現(xiàn)故障，傳送物品墜落的問(wèn)題。

（四）萬(wàn)向球平臺(tái)的應(yīng)用

10kV斷路器操作小車自身體積大、重量大，傳統(tǒng)的小車轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)未采用萬(wàn)向球平臺(tái)，一方面，將其從小車柜子里拉出到平臺(tái)時(shí)較為費(fèi)力；另一方面，檢修作業(yè)時(shí)，需從不同角度對(duì)小車進(jìn)行仔細(xì)觀察和相對(duì)精密的操作，受限于作業(yè)的空間大小和檢修器材的擺放等條件。此外，小車對(duì)準(zhǔn)小車軌道并推入開關(guān)柜時(shí)，若小車不方便微調(diào)位置，將耽誤大量時(shí)間和精力。由此需要新的傳送平臺(tái)來(lái)解決這些痛點(diǎn)，省力，且便于對(duì)位，減小運(yùn)行人員的日常工作強(qiáng)度，于是考慮采用萬(wàn)向球平臺(tái)來(lái)替代傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)運(yùn)臺(tái)面。

萬(wàn)向球又稱萬(wàn)向輸送球、萬(wàn)向滾珠、牛眼軸承、鋼球輪等。它的優(yōu)勢(shì)在于多向的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，開關(guān)小車可以借其實(shí)現(xiàn)相當(dāng)靈活的滑移，省力的同時(shí)，對(duì)小車底部的磨損也降到最低。萬(wàn)向球的工作原理主要是將原動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩傳遞給從動(dòng)機(jī)。而萬(wàn)向球結(jié)構(gòu)在傳動(dòng)類的零部件中，有許多優(yōu)勢(shì)：

（1）受擊抵抗強(qiáng)度大：萬(wàn)向球平臺(tái)的組件包括了萬(wàn)向滾輪球、支持平臺(tái)。萬(wàn)向球平臺(tái)在制作過(guò)程中借助高精度加工機(jī)械進(jìn)行打磨處理，在材質(zhì)不變的前提下，越是接近完美的球體，該成品受擊抵抗的強(qiáng)度就越大。同時(shí)萬(wàn)向球的滾輪球、支持平臺(tái)之間的間隙就會(huì)減小到極限，極致的加工精度加上嚴(yán)格的出廠檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了萬(wàn)向球產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的高度密封性，物理穩(wěn)定性也極強(qiáng)。

（2）抗化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)：?jiǎn)渭円灾谱鞑牧蟻?lái)分類，目前市面上的萬(wàn)向球主要可分為兩種，即鋼制萬(wàn)向球和塑制萬(wàn)向球。前者的主材料采用45號(hào)鋼，高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳鋼，切削加工性能很強(qiáng)，該鋼含碳量在千分之四以上，耐磨性能強(qiáng)大。后者的材料得益于如今材料化學(xué)的發(fā)展，可選項(xiàng)較多，像聚酰胺纖維（錦綸）、POM、C3H6等都可以作為塑制萬(wàn)向球的原材料。兩類材質(zhì)的抗化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)，最終的成品能夠在較強(qiáng)的酸性或者堿性環(huán)境下保證化學(xué)穩(wěn)定性，其余強(qiáng)腐蝕性的化學(xué)藥品也難以破壞這種化學(xué)穩(wěn)定。

（3）更換周期長(zhǎng)：得益于萬(wàn)向球受擊抵抗強(qiáng)度大，抗化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)這兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，萬(wàn)向球平臺(tái)使用壽命極長(zhǎng)，后期的更換周期也就很長(zhǎng)。

綜上所述，萬(wàn)向球的受擊抵抗強(qiáng)度大，抗化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)，更換周期也更長(zhǎng)。萬(wàn)向球平臺(tái)的加入，減小了小車在平臺(tái)上移動(dòng)時(shí)受到的摩擦力，更加省力，降低了工作強(qiáng)度，亦可以實(shí)現(xiàn)小車朝向的改動(dòng)，便于檢修作業(yè)的開展。對(duì)于整個(gè)平臺(tái)而言，更具穩(wěn)定性和耐用性，使用壽命大大增加。

三、履帶行走機(jī)構(gòu)性能試驗(yàn)

履帶行走機(jī)構(gòu)性能試驗(yàn)主要分為地面適應(yīng)性、爬坡、越障3類行走工況。

（1）地面適應(yīng)性性能試驗(yàn)。選取了有多處縫隙的且較為不平整的路面作為操作輔助平臺(tái)履帶行走機(jī)構(gòu)的地面適應(yīng)性性能試驗(yàn)的場(chǎng)地。該工況下，操作輔助平臺(tái)在行進(jìn)過(guò)程中行走平穩(wěn)，且未出現(xiàn)履帶下陷打滑、平臺(tái)晃動(dòng)幅度較大等情況，由此可見操作輔助平臺(tái)的地面適應(yīng)性較強(qiáng)。

（2）爬坡試驗(yàn)。操作輔助平臺(tái)在斜坡上進(jìn)行爬坡試驗(yàn)。結(jié)合工作實(shí)際，小車轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，可能會(huì)遇到一定的坡度，因?yàn)殡娎|溝下經(jīng)常會(huì)有電纜敷設(shè)等作業(yè)，需頻繁搬動(dòng)電纜溝蓋板，邊角會(huì)有一定損耗，或是有碎屑小顆粒掉入縫隙中，最終導(dǎo)致路面不平。但是這個(gè)坡度一般也不會(huì)過(guò)大，故而，在試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)置了一個(gè)10°的斜坡，該平臺(tái)在該坡面上往復(fù)行走5次，均表現(xiàn)為行走平穩(wěn)，未出現(xiàn)行走電機(jī)動(dòng)力不足或整個(gè)平臺(tái)失穩(wěn)等現(xiàn)象。

（3）越障試驗(yàn)。對(duì)操作輔助平臺(tái)履帶行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行越障試驗(yàn)，在履帶行走機(jī)構(gòu)前分別設(shè)置高度為20mm、40mm、60mm的障礙物。試驗(yàn)過(guò)程中，在每個(gè)障礙物上往復(fù)越障5次以上，移動(dòng)平臺(tái)仍舊行走穩(wěn)定，未出現(xiàn)越障失敗的現(xiàn)象[5]。

綜合以上三種行走工況下操作輔助平臺(tái)的表現(xiàn)，該平臺(tái)基本可以保證10kV斷路器操作小車在高壓室內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)的平穩(wěn)性。

結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有的10kV斷路器，研制了一種履帶式開關(guān)柜自主對(duì)位操作輔助平臺(tái)，從行走機(jī)構(gòu)、升降系統(tǒng)、萬(wàn)向球平臺(tái)等多個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行分析解讀，并且對(duì)履帶行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行了三種不同的性能試驗(yàn)，該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜路況下的平穩(wěn)運(yùn)行，滿足變電運(yùn)行專業(yè)10kV斷路器轉(zhuǎn)為檢修狀態(tài)的過(guò)程中，開關(guān)小車的轉(zhuǎn)運(yùn)。整個(gè)輔助平臺(tái)極大地提高了工作效率和安全性，未來(lái)將進(jìn)一步完善平臺(tái)的左右升降系統(tǒng)的同步和聯(lián)動(dòng)，同時(shí)考慮加入電子識(shí)別自主對(duì)位系統(tǒng)，提高整個(gè)系統(tǒng)的智能化程度。