新疆送變電有限公司 王 伊 牛 偉

近年來，隨著輸電線路運(yùn)維長度的不斷增加，線路高空檢修作業(yè)量也不斷增加。其中，繩索是檢修中必不可少的工具之一。工作結(jié)束后，作業(yè)人員需要花費(fèi)大量的時(shí)間需要進(jìn)行繩索收納，無形增加了工作人員勞動(dòng)量。目前繩索的收納主要以人工收納為主，其主要使用流程如圖1所示。

圖1 繩索使用流程圖

由表1可知，單次檢修作業(yè)繩索平均使用時(shí)間為50.7min，其中梳理繩索和繩索收納占比（繩索收納28.62/53.24≈54%+梳理繩索17.3/53.24≈32%）為86%。因此，需要研制一款繩索收納工具，該工具由電池驅(qū)動(dòng)，不僅便于攜帶，在繩索收納時(shí)不出現(xiàn)打結(jié)現(xiàn)象，使檢修作業(yè)繩索收納時(shí)長大幅度降低。

表1 繩索收納用時(shí)統(tǒng)計(jì)占比圖

1 材質(zhì)選擇與測試

圍繞本次創(chuàng)新需求，集合課題內(nèi)容及借鑒思路，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，查找相關(guān)資料，收集信息，運(yùn)用“頭腦風(fēng)暴法”提出了如圖2所示的便攜式收繩工具方案。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

1.1 整體材質(zhì)選擇

收繩器的外觀、材質(zhì)是關(guān)乎機(jī)器整體安全性能的重要因素，研究小組通過市場調(diào)研及網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn)查閱，依據(jù)熔點(diǎn)≥200℃，密度≤1.20g/cm3，拉繩強(qiáng)度≥5MPa三個(gè)選擇條件，通過對常用的PLA材質(zhì)、PC材質(zhì)、ABS材質(zhì)三種材料，分別取直徑1.75mm，長度50mm材料作為試驗(yàn)原料，對其進(jìn)行拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)見表2。

表2 PLA材質(zhì)、PC材質(zhì)、ABS材質(zhì)拉力試驗(yàn)

經(jīng)試驗(yàn)可知，利用拉伸強(qiáng)度公式（拉伸強(qiáng)度（MPa）=力（N）/截面積（mm2））可知，PC材料的拉繩強(qiáng)度為（26.95N/1.75mm2）8.81MPa，PC材料可承受拉力最高26.95N。此外，其最高熔點(diǎn)為220℃，密度為1.20g/cm3，故選擇了PC材質(zhì)作為整體外殼。

1.2 驅(qū)動(dòng)板選擇

驅(qū)動(dòng)板作為整個(gè)機(jī)器的“大腦”，其控制著機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的速率及穩(wěn)定性，小組成員對電商平臺銷量較好的三款型號進(jìn)行了對比分析，從功率≥300W，響應(yīng)速度≥10MIPS，工作溫度≤20℃三個(gè)方面作為選擇條件（見表3）。

表3 驅(qū)動(dòng)板選擇

通過耐受電壓，額定功率、響應(yīng)速度、負(fù)載能力扥等方面比對、測試，最終選擇小鋼炮16.8V鋰電鉆控制板。

1.3 開關(guān)選擇

開關(guān)是將物理信號轉(zhuǎn)換為電信號的媒介，不同的控制方式其控制精度也略不相同，小組成員對手電鉆中常用的幾款開關(guān)進(jìn)行對比分析，通過控制電壓為16.8V，額定電流≥15A，調(diào)速范圍1%～99%區(qū)間任意調(diào)速，選擇了2106/169開關(guān)，其支持電壓9～24V，調(diào)速方式為PWM任意調(diào)速。

1.4 電源選擇

電源用于為整套系統(tǒng)提供電量輸出，為了保證機(jī)械動(dòng)力的穩(wěn)定輸出。小組通過市場調(diào)研，初選鎳氫電芯和鋰電池方案，并對其進(jìn)行對比分析單節(jié)容量≥2000mAh，循環(huán)壽命≥500次，放電持續(xù)時(shí)間≥5h。經(jīng)試驗(yàn)，采用恒流放電的方式，在環(huán)境溫度約為25℃，終止電壓為0.5V時(shí)，鎳氫電池的電壓隨著的電池的使用內(nèi)部的電壓是一直在逐漸下降的，整個(gè)過程中，鎳氫電池持續(xù)約4小時(shí)58分，鋰電池持續(xù)約5小時(shí)19分，由此可見，鋰電池綜合性能高于鎳氫電池，因此小組選用鋰電池。

1.5 電機(jī)類型選擇

通過比對，選用無刷電機(jī)，其重量為190g，發(fā)出噪聲為12～22dB，使用壽命達(dá)7～10年。并經(jīng)測試，無刷電機(jī)轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)89.08%。

電機(jī)型號選擇：根據(jù)需求，設(shè)計(jì)動(dòng)力輪直徑為35mm，C輪=3.14×35=109.9mm，依據(jù)作業(yè)目標(biāo)5min內(nèi)盤整完150m繩索，傳送輪需要轉(zhuǎn)：150000 mm/109.9mm=1819.9（r/min）。為使機(jī)械擁有更大的扭矩，初選3：1作為參考比例。

1.6 傳遞機(jī)構(gòu)選擇

傳遞機(jī)構(gòu)之間的咬合情況是衡量作業(yè)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一，小組提出三點(diǎn)咬合結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行分析繩索脫出率≤5%，接觸面積≥75%。經(jīng)過在三點(diǎn)式機(jī)械結(jié)構(gòu)測試中得出，可以在不同張緊力及不同繩索直徑下穩(wěn)定輸出且脫出率小，因此本文選用三點(diǎn)式結(jié)構(gòu)（如圖3所示）。

圖3 三點(diǎn)式結(jié)構(gòu)傳遞結(jié)構(gòu)

2 研究項(xiàng)目測試應(yīng)用與效益

2.1 項(xiàng)目測試

小組對組裝完成后對機(jī)器整體性能進(jìn)行測試?？傮w測試其穩(wěn)定性、安全性、便捷性，以及體積、質(zhì)量和繩索是否脫出等情況。測試中，機(jī)器在平均5min內(nèi)完成繩索的收納工作，且機(jī)器整體運(yùn)行平穩(wěn)，收納過程中未出現(xiàn)繩索脫出現(xiàn)象，且外觀無明顯形變及裂紋，該研制滿足預(yù)期要求（見表4）。

表4 繩索脫出試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

2.2 現(xiàn)場應(yīng)用

2022年10月，小組在750kV伊庫一線及220kV皇林線進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)，對繩索使用后的收納進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。結(jié)論：經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)及圖表分析，使用便攜式電動(dòng)收繩工具收繩索的時(shí)間平均為4.5min，相較于傳統(tǒng)收繩方式收納時(shí)間大幅度縮短，達(dá)到本次課題設(shè)定目標(biāo)值。

表5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

2.3 其他效益

經(jīng)濟(jì)效益：2022年4～8月，北疆運(yùn)檢分公司開展檢修82條·次，使用繩索的檢修61條·次。使用便攜式電動(dòng)收繩器完成收繩工作平均需要4.5min，人工完成收繩工作平均需要50.7min。作業(yè)小組平均按5人/組計(jì)算，人工60元/h，所用車輛按450元/天/輛計(jì)算，誤餐費(fèi)50元/天/人，計(jì)算過程如下：約人工成本=（50.7min-4.5min）/60min×61條×60元/h=2818.2元；節(jié)約車輛費(fèi)用=（50.7min-4.5min）/60min×61條/8h×450元/天=2642.1元；節(jié)約誤餐費(fèi)=（50.7min-4.5min）/60min×61條/8h×50元/天=293.6元；經(jīng)濟(jì)效益總計(jì)=人工成本+車輛費(fèi)用+誤餐費(fèi)=2818.2元+2642.11元+293.6元=5753.91元。

安全效益：該項(xiàng)目的實(shí)施，減輕了人員的作業(yè)強(qiáng)度，保障人員的作業(yè)安全。通過采用新材料和新技術(shù)，降低了工器具的重量和作業(yè)的復(fù)雜程度，確保了特高壓運(yùn)行維護(hù)人員的作業(yè)安全；社會(huì)效益：通過運(yùn)用非電力行業(yè)的前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)特高壓電網(wǎng)運(yùn)行專用工器具的研究要求，解決了運(yùn)維技術(shù)發(fā)展的瓶頸制約，促進(jìn)了電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)的科技水平。

綜上，便攜式電動(dòng)收繩器的研制，根據(jù)檢修現(xiàn)場的需求，從根本問題出發(fā)，在功能上滿足高空檢修時(shí)繩索收納的實(shí)際需求，在安全性、實(shí)用性、便攜性指標(biāo)滿足行業(yè)規(guī)定和現(xiàn)場工作要求。填補(bǔ)了高空檢修作業(yè)時(shí)無法在短時(shí)間內(nèi)完成繩索收納的市場空白，減輕現(xiàn)場作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效提高了現(xiàn)場工作效率，全面提升檢修作業(yè)的工作水平。