摘 要：現(xiàn)階段高壓線路檢修人員在攀爬高壓電塔時存在安全隱患問題，在詳細(xì)分析整個作業(yè)流程的基礎(chǔ)上，針對無人機(jī)應(yīng)用需求設(shè)計一種輸電鐵塔高空作業(yè)安全防護(hù)裝置。創(chuàng)新設(shè)計安全防護(hù)裝置的自動固定機(jī)構(gòu)和釋放機(jī)構(gòu)，通過有限元方法分析自動固定機(jī)構(gòu)支架的受力狀況。利用ADAMS軟件搭建虛擬樣機(jī)，對整個安全防護(hù)裝置的工作過程進(jìn)行仿真驗證。結(jié)果表明：該安全防護(hù)裝置整體設(shè)計方案合理可行，為提高高空作業(yè)人員的安全防護(hù)提供了有效解決方案。

關(guān)鍵詞：高空作業(yè)；安全防護(hù)裝置；無人機(jī)技術(shù)；自動固定機(jī)構(gòu)；虛擬樣機(jī)仿真

中圖分類號：TH136" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" 文章編號：1671-5276（2024）05-0268-05

Design of Safety Protection Device for Overhead Operation of Transmission Tower

Abstract：To prevent the potential safety hazard of high-voltage line maintenance personnel climbing high-voltage tower and based on the detailed analysis of the whole operation process， a safety protection device for overhead operation of transmission tower is designed according to the application requirements of UAV. The automatic fixing mechanism and release mechanism of safety protection device are designed innovatively， and the stress state of the bracket of automatic fixing mechanism is analyzed by finite element method. ADAMS software is applied to build a virtual prototype， and the working process of the whole safety protection device is simulated and verified. The results show that the overall design scheme of the device is reasonable and feasible， which provides an effective solution to the improvemen of safety protection for aerial workers.

Keywords：aerial work；safety protection device；UAV technology；automatic fixing mechanism；virtual prototype simulation

0 引言

電能作為一種經(jīng)濟(jì)適用、易于傳輸和控制的清潔能源被廣泛應(yīng)用于動力、照明等各個領(lǐng)域［1-2］。近年來，隨著我國在高壓輸電技術(shù)領(lǐng)域的大量投入和深入研究，使得我國在此領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平?！拔麟姈|輸”工程的建設(shè)，進(jìn)一步推進(jìn)了我國在電力建設(shè)方面的發(fā)展［3］。

電力建設(shè)的高速發(fā)展，導(dǎo)致高壓電塔的數(shù)量急劇增加，高空帶電作業(yè)成為保障電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。高壓電塔為鐵制框架結(jié)構(gòu)，高度可達(dá)數(shù)十米，其結(jié)構(gòu)如圖1所示?，F(xiàn)階段，對電路的檢修需要檢修人員徒手攀爬至高壓電塔頂端完成，過程如圖2所示。在工人攀爬電力鐵塔過程中會受環(huán)境溫度、鐵塔高度、人員身體狀況等諸多因素影響，同時還需攜帶大量工具、工件等物品進(jìn)行塔上作業(yè)，給作業(yè)人員帶來較大負(fù)擔(dān)。因此，亟需一種集安全防護(hù)、部署靈活、便捷高效等特點于一身的安全防護(hù)裝置以解決上述問題。

1 問題分析及方案確定

1.1 問題分析

檢修人員通過徒手攀爬至鐵塔頂端的檢修方式是現(xiàn)階段的必要手段，短期內(nèi)難以利用其他技術(shù)手段來有效替換?，F(xiàn)有檢修人員的工作流程如圖3所示。首先需要首位檢修人員攜帶作業(yè)工具和安全裝置，在攀爬電塔之前利用塔身懸掛安全繩，由于人體手臂長度有限，安全繩懸掛點只能位于頭部高度。因此，在向上攀爬過程中需頻繁移動安全繩懸掛點，經(jīng)過多次交替移動安全繩懸掛點逐步攀爬至作業(yè)高度。在塔身橫梁處將牽引繩懸掛后，牽引繩下垂至地面，后續(xù)檢修人員利用牽引繩懸掛滑動防墜器，攀爬鐵塔至作業(yè)高度進(jìn)行作業(yè)。完成檢修作業(yè)后利用牽引繩下降至地面，最后一位檢修人員取下牽引繩裝置，再通過交替向下移動安全繩的方式逐步下降至地面。

分析整個檢修過程，最大安全隱患主要集中在首位檢修人員向上攀爬和最后一位檢修人員向下攀爬的過程中。在此過程中為最大程度保護(hù)攀爬人員，需選擇交替移動安全繩的方式實現(xiàn)。但此方式不僅會大量消耗檢修人員的體力，而且此種懸掛安全繩的方式難以有效保護(hù)檢修人員，并且在移動安全繩過程中也是極其危險的。其他檢修人員在向上或向下攀爬過程中利用牽引繩和滑動防墜器代替安全繩的作用，可有效避免交替移動安全繩的問題，極大提高了檢修人員的安全。

經(jīng)過上述分析，在檢修過程中如何減輕首位檢修人員的體力消耗，提高其攀爬過程的安全性已成為解決此問題的首要目標(biāo)。

1.2 方案確定

在整個作業(yè)過程中，若能提前將牽引繩懸掛完成，使得首位檢修人員和后續(xù)人員一樣，可利用牽引繩和滑動防墜器配合保證其攀爬過程的安全，則可有效解決上述問題。因此，本文利用無人機(jī)技術(shù)配合所設(shè)計的安全防護(hù)裝置實現(xiàn)此過程，其工作過程如圖4所示。

首先利用遠(yuǎn)程遙控技術(shù)操控?zé)o人機(jī)攜帶安全防護(hù)裝置及牽引繩釋放裝置飛至鐵塔適當(dāng)高度。利用攝像頭傳輸畫面尋找合理固定點，當(dāng)安全防護(hù)裝置順利落在鐵塔橫梁上之后，通過遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)控制固定機(jī)構(gòu)進(jìn)行導(dǎo)向、固定和鎖緊。牽引繩釋放裝置將牽引繩放下后，作業(yè)人員利用滑動防墜器做好相關(guān)防護(hù)工作后進(jìn)行攀爬。當(dāng)塔上檢修作業(yè)結(jié)束，工作人員安全返回地面后，通過遙控系統(tǒng)釋放塔上固定機(jī)構(gòu)，并由無人機(jī)攜帶安全防護(hù)裝置返回地面。該方案通過無人機(jī)技術(shù)實現(xiàn)牽引繩的懸掛，能最大程度保護(hù)爬塔人員的安全，可有效提高作業(yè)人員的安全防護(hù)和爬塔效率。

2 安全防護(hù)裝置的設(shè)計

2.1 整體設(shè)計

根據(jù)上述分析設(shè)計的整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。整體結(jié)構(gòu)主要由無人機(jī)和下端的安全防護(hù)裝置組成。無人機(jī)選用四軸設(shè)計，通過十字形支架固定無刷電機(jī)， 利用無刷電機(jī)驅(qū)動4片槳葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生向上的推力。由于4個電機(jī)軸距幾何中心的距離相等， 可保證對角2個軸產(chǎn)生的升力相同，使得力矩平衡， 確保四軸航向的穩(wěn)定。四軸無人機(jī)具有可以垂直起降、空中懸停、結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活等優(yōu)點［4］。無人機(jī)下端的安全防護(hù)裝置主要由自動釋放機(jī)構(gòu)、自動固定機(jī)構(gòu)和牽引繩釋放機(jī)構(gòu)組成。在無人機(jī)下端固定失電型電磁鐵作為自動釋放機(jī)構(gòu)。失電型電磁鐵可在失電狀態(tài)下產(chǎn)生強(qiáng)大的吸附力，而在通電狀態(tài)下不產(chǎn)生吸附力［5］。僅僅通過控制電源的通、斷即可實現(xiàn)無人機(jī)對安全防護(hù)裝置的自動釋放功能。安全防護(hù)裝置在被無人機(jī)放置在橫梁上后，可通過遠(yuǎn)程遙控固定機(jī)構(gòu)實現(xiàn)導(dǎo)向固定和鎖緊功能。固定機(jī)構(gòu)固定完成后牽引繩釋放機(jī)構(gòu)釋放牽引繩，檢修人員利用牽引繩可安全高效地完成爬塔作業(yè)。

2.2 安全防護(hù)裝置設(shè)計

常見高壓電塔均采用鍍鋅角鐵搭建而成，如何確保安全防護(hù)裝置與鍍鋅角鐵橫梁可靠連接是保證牽引繩懸掛安全可靠的關(guān)鍵。本文設(shè)計的安全防護(hù)裝置如圖6所示。整體主要由牽引繩釋放器、自動釋放機(jī)構(gòu)和自動固定機(jī)構(gòu)組成。整個安全防護(hù)裝置上方為失電型電磁鐵，可通過控制通、斷電路實現(xiàn)自動釋放功能。固定機(jī)構(gòu)由支架和上方設(shè)置的驅(qū)動電機(jī)、滑桿和絲杠組成，鎖扣與滑桿和絲杠配合處分別設(shè)置有直線軸承和螺母。當(dāng)安全防護(hù)裝置放置在橫梁上后，固定機(jī)構(gòu)運(yùn)行，通過電機(jī)驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動可帶動鎖扣沿滑桿移動，從而鎖緊鐵塔橫梁，達(dá)到可靠固定的效果。采用具有自鎖特性的絲杠螺母機(jī)構(gòu)，可保證在驅(qū)動電機(jī)斷電情況下鎖扣不會自行移動，提高了其安全性。在支架下端設(shè)置有導(dǎo)向桿，便于無人機(jī)將安全防護(hù)裝置放置在橫梁之上。支架側(cè)面固定有牽引繩釋放器，可自主釋放和回收牽引繩。整個安全防護(hù)裝置可實現(xiàn)牽引繩的可靠懸掛，大大提高了作業(yè)效率和安全性。

2.3 控制系統(tǒng)

整個控制系統(tǒng)框圖如圖7所示，包括無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)和安全防護(hù)裝置控制系統(tǒng)。無人機(jī)控制系統(tǒng)主要用于控制4個無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)自身飛行狀態(tài)的調(diào)整。無人機(jī)上安裝的攝像頭通過圖像傳輸模塊將實時畫面?zhèn)鬏斨吝h(yuǎn)程控制裝置［6］，便于操控人員對無人機(jī)飛行姿態(tài)的調(diào)整和安全防護(hù)裝置的放置。安全防護(hù)裝置控制系統(tǒng)用于控制自動固定機(jī)構(gòu)的鎖緊和牽引繩的釋放。當(dāng)無人機(jī)將安全防護(hù)裝置運(yùn)送至懸掛點附近后，利用實時回傳的圖像調(diào)整無人機(jī)姿態(tài)［7］，將安全防護(hù)裝置準(zhǔn)確放置在高壓鐵塔橫梁上后，發(fā)送鎖緊信號，自動固定機(jī)構(gòu)電機(jī)啟動，通過絲杠螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動鎖扣鎖緊。通過攝像頭畫面判斷可靠鎖緊后給失電型電磁鐵供電，使安全防護(hù)裝置與無人機(jī)脫離，操控?zé)o人機(jī)返回地面。發(fā)送信號控制啟動牽引繩電機(jī)啟動將牽引繩釋放，完成整個牽引繩懸掛作業(yè)。

在檢修人員完成作業(yè)全部返回地面后，發(fā)送信號使?fàn)恳K釋放電機(jī)啟動收回牽引繩，操控?zé)o人機(jī)至安全防護(hù)裝置附近，通過實時回傳畫面調(diào)整無人機(jī)接近安全防護(hù)裝置，失電型電磁鐵吸附在無人機(jī)下端支架后，遙控啟動自動固定機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電機(jī)，使固定機(jī)構(gòu)脫離橫梁，由無人機(jī)攜帶安全防護(hù)裝置返回地面。

3 分析與計算

3.1 自動固定機(jī)構(gòu)支架的有限元分析

支架作為自動固定機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，在人員發(fā)生跌落危險時起到主要受力作用，其設(shè)計的合理性和受力的安全性極其關(guān)鍵。因此對固定支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，以此驗證固定支架的可靠性，為后續(xù)的進(jìn)一步優(yōu)化提供方向。

固定支架選取普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（Q235），其彈性模量為2.1×1011N/m2，泊松比為0.3，抗拉強(qiáng)度為5×108N/m2，屈服強(qiáng)度為2.35×103N/m2。為確保安全，選取靜載荷為實際工況的3倍。檢修工人的身體質(zhì)量設(shè)為80kg，g取10N/kg，則設(shè)定載荷為2 400N。在固定支架與鎖扣和橫梁接觸處設(shè)置夾具為滾柱接觸，可發(fā)生一定的相對滑動。利用高品質(zhì)網(wǎng)格進(jìn)行分析計算，得出的有限元應(yīng)力分析云圖如圖8所示。

由圖8可以看出，其應(yīng)力最大點位于牽引繩懸掛一側(cè)的折彎處，最大應(yīng)力為1.8×103N/m2，小于屈服強(qiáng)度，整個固定支架安全可靠。但從安全角度分析，在牽引繩懸掛一側(cè)的折彎處有較為明顯的應(yīng)力集中，可能會導(dǎo)致安全隱患，若后續(xù)要增加安全系數(shù)，則可在折彎處加厚，加工時注意過渡結(jié)構(gòu)為圓弧，防止應(yīng)力集中產(chǎn)生的危害。

3.2 失電型電磁鐵的選型

自動釋放機(jī)構(gòu)作為無人機(jī)攜帶安全防護(hù)裝置的關(guān)鍵部件，其吸附力大小需根據(jù)安全防護(hù)裝置質(zhì)量合理選型。利用建模軟件設(shè)定各部件材料，分析其質(zhì)量屬性得出整個安全防護(hù)裝置總質(zhì)量為14.2kg。根據(jù)需攜帶質(zhì)量選擇失電型電磁鐵型號為LS-P40/30S，該型號的各項參數(shù)如表1所示。

4 虛擬樣機(jī)搭建仿真與實驗

ADAMS作為現(xiàn)階段常用的多體動力學(xué)分析軟件，可對虛擬樣機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確仿真，快速評估各種載荷和作用力對運(yùn)動的影響［8］。安全防護(hù)裝置在橫梁上方的一定高度釋放，可否穩(wěn)定固定在橫梁之上，與安全防護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和穩(wěn)定性直接相關(guān)。因此使用虛擬樣機(jī)對此過程進(jìn)行仿真，便于后續(xù)進(jìn)一步改進(jìn)。使用SolidWorks完成建模后導(dǎo)入ADAMS中，根據(jù)實際工況設(shè)定相關(guān)參數(shù)，設(shè)定釋放高度15cm，仿真時長6s，步長600步。整個仿真過程如圖9所示。

設(shè)定橫梁方向為z軸，豎直和水平方向為x軸和y軸，安全防護(hù)裝置的不穩(wěn)定擺動主要體現(xiàn)在x軸和y軸。因此，整個仿真過程應(yīng)重點關(guān)注安全防護(hù)裝置在下落至橫梁上后x軸和y軸方向的擺動位移和速度。經(jīng)過仿真，得到自動固定機(jī)構(gòu)支架和鎖扣在整個運(yùn)行過程中x軸和y軸的位移與速度變化圖，如圖10和圖11所示。從圖中可以看出，在0.8s安全防護(hù)裝置下落至橫梁上，經(jīng)過短暫的擺動后基本處于穩(wěn)定，在3.5s鎖扣工作后整個安全防護(hù)裝置不再擺動。經(jīng)過仿真表明，整個安全防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，工作運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)語

在充分分析和調(diào)研現(xiàn)有檢修工人攀爬鐵塔檢修作業(yè)的現(xiàn)狀和詳細(xì)流程之后，明確了現(xiàn)有流程存在的主要安全隱患為牽引繩的懸掛。針對牽引繩的自主懸掛問題，結(jié)合無人機(jī)技術(shù)設(shè)計了一款輸電鐵塔高空作業(yè)安全防護(hù)裝置。重點對安全防護(hù)裝置的自動固定機(jī)構(gòu)和釋放機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對整體控制系統(tǒng)做了介紹。在考慮實際工況的情況下，對固定機(jī)構(gòu)支架的可靠性進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果表明固定機(jī)構(gòu)支架安全可靠，可承受3倍以上負(fù)載，并提出固定支架的優(yōu)化方向。對釋放機(jī)構(gòu)的失電型電磁鐵進(jìn)行了選型，其負(fù)載大于安全防護(hù)裝置質(zhì)量，結(jié)構(gòu)大小適中，選型合理。最后利用ADAMS軟件搭建了安全防護(hù)裝置的虛擬樣機(jī)，并對其工作過程進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明：該安全防護(hù)裝置設(shè)計合理，運(yùn)行可靠，為提高檢修人員的爬塔作業(yè)提供了可靠的安全防護(hù)，對進(jìn)一步推動電力行業(yè)的發(fā)展具有積極意義。

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