模塊式高壓電線除冰器設計

郭文鳳 張啟功

（沈陽理工大學裝備工程學院 遼寧 沈陽 110159）

模塊式高壓電線除冰器設計

郭文鳳 張啟功

（沈陽理工大學裝備工程學院 遼寧 沈陽 110159）

在分析高壓輸電線路覆冰的形成機理和覆冰的種類基礎上，設計了一種新型的模塊化高壓電線除冰器。該除冰器采用模塊化設計理念，引入仿生學原理，實現積木式拼接，有效實現越障，并利用機構不同組合搭配完成除冰工作。該設備具有構造簡單，設計巧妙，實用性強等特點，為研制高壓電線除冰器提供了一種新的思路，具有一定的應用價值。

模塊化高壓電線除冰器；越障；除冰

0 引言

高壓輸電線路覆冰不僅會影響運行日常維護工作，嚴重時還會導致碰線短路、絕緣子閃絡、線路故障停運，甚至交、直流線路大量倒塔和斷線引發大面積停電等災難性事故影響人們的生產、生活[1]。輸電線路覆冰隨著風速、氣溫、水滴大小等條件的不同，主要可分為雨凇、霧凇、雪凇、混合凇、白霜[2]。對于不同機理、種類的覆冰雖然現在的防冰除冰方法較多，有的已應用于實際線路，并取得了一定的效果，但操作困難，消耗較大，技術不成熟，不能因冰施技等缺點；即效果不高又使高壓電線出現二次損傷的可能。

為了保證電力系統的安全可靠，提高高壓電線除冰的效果，保護工人的安全，提高除冰方法的簡便性和可操作性，開發一種構造簡單，設計巧妙，實用性強的新設備去代替或部分代替人工除冰一直是國內、外研究的方向。因此，通過分析設備所處的環境，所要面對的覆冰情況，操作工人的能力范圍，及分析提高設備利用率等方面；研制安全有效的除冰機械設備以代替人工進行高壓電線除冰具有較好的應用前景和實用意義。文章提出的一種模塊式高壓電線除冰器即通過多方面分析考慮設計的一種安全有效的除冰設備。

1 模塊式高壓電線除冰器整體方案

通過調研分析表明不同天氣變化所生成不同冰體結構，存在不同的電線附著能力。目前，面對不同冰情冰況，除冰設備卻在除冰力度、單位除冰效果及對電線的二次傷害等方面制約除冰設備實用化。針對這種情況設計了一種新型實用的模塊化高壓電線除冰器，該除冰器由兩個除冰模塊，兩個輔助模塊和一種驅動模塊組成。具有以下特點：該除冰器在電線上以間歇的方式平穩行走，具有一定的驅動爬坡能力，可以平穩跨越電線上的障礙物；利用不同的除冰模式除冰，并保護電線不受二次傷害。

1.1 擊錘模塊的設計

為了提高打擊力度、減少高壓電線二次損傷、提高機構的可調節性、提高機構的維修性，擊錘模塊采用打擊桿、分置兩側的蓄力裝置及保護裝置等，實現敲擊、擠壓透明堅固，比重大粘附力強的冰體完成清除電線上的覆冰工作。

擊錘模塊為左右對稱結構，打擊桿由下部中軸連接分置兩側。打擊桿與冰層接觸的凹面上的齒面能減小打擊面積，增大打擊力，從而提高除冰效率。可更換打擊桿為易損部件，故設計為可拆卸式，便于操作工人維修，也能根據冰層厚度及線路結構的差異更換尺寸、強度不同的打擊桿，提高機構的可調節性和機構的維修性。

圖1 擊錘機構結構圖

蓄力模塊為打擊桿提供能量。利用多彈簧的勢能轉換，在同等長度下能儲存更多的能量。在打擊桿中軸位置安裝彈簧裝置，提高打擊 力度。當打擊桿離開電線時，在齒條部蓄力模塊儲能的同時，在中軸彈簧裝置同時積聚勢能。當打擊桿作用冰面時，蓄力模塊和彈簧裝置釋放能量，給打擊桿提供更大的敲擊力量。在打擊桿敲擊冰面后，不完全齒輪帶動打擊桿對冰面進行擠壓，達到更好的除冰效果。

保護裝置由彈簧、滑塊、卡銷等組成，能防止打擊桿過度擠壓電線而造成損傷，預防不完全齒輪與齒條出現卡死情況。通過調節齒條螺栓改變齒條位置，使不完全齒輪與齒條在一定的位置接觸和脫離。調節頂頭螺栓位置的移動，蓄力模塊的變形量發生改變，改變打擊力度及打擊垂直距離。提高擊錘模塊的可調節性。

1.2 振擺模塊的設計

本設計振擺模塊采用對稱結構，基于二自由度的五連桿機構，由齒輪傳動機構、凸輪機構連桿機構組合而成，通過工作輪的振動和擠壓的方式有效去除粘附力較弱的薄的覆冰體。本設計根據工作要求的軌跡和位置導引進行設計，通過調節主、從動曲柄的起始位置角可獲得不同的連桿點軌跡。工作輪表面的類銑刀設計，能提高除冰效率。

圖2 振擺機構效果圖

擊錘模塊和振擺模塊同為除冰裝置根據不同的冰況，通過使用合適的除冰模式能夠達到保護線路，提高除冰效果。除冰模式可分為4種：

（1）無除冰模塊——裝配傳感器模塊可以用于日常的巡線；

（2）振擺機構——有效去除粘附力較弱的薄的覆冰體，可以在秋、冬季巡線或有薄覆冰體時使用，打斷覆冰生成的循環過程。以減少嚴重覆冰災難的出現；

（3）擊錘機構+振擺機構——先通過打擊桿的敲擊和擠壓的方式敲掉透明堅固，比重大粘附力強的冰體，然后通過振擺機構除去碎冰和殘余覆冰已達到對覆冰的去除；

（4）振擺機構+擊錘機構+振擺機構——先通過振擺機構除去覆冰表面的雪凇以減少對擊錘打擊的緩沖作用，提高擊錘的除冰效果，去除嚴重覆冰，減少災難性事故發生。

1.3 輔助模塊的功能設計

輔助模塊是由兩個結構不同的連接部積木式拼接而成。連接部“1”對整個系統起到導向的作用；連接部“2”對整個系統起到止退并對后方模塊提供穩定的工作環境的作用。

圖3 連接部1結構效果圖

連接部“1”由伸縮套和可變滑輪組合構成。伸縮套基于對螺紋的旋轉抬升的原理通過所需的高度和角度設計出的一套壁障機構。可變滑輪通過彈簧的作用隨冰層厚度調整滑輪的寬窄，使整個機構始終保持在電線垂直上方，沿線路直線運動。當遇到障礙時，滑輪和伸縮套相互配合能夠自動抬升有效地規避障礙，控制整個機構的行駛方向，對整個系統起到導向的作用。

連接部“2”由作用輪和彈簧軌道構成，兩個作用輪水平以非對稱組合而成，可以實現單向自鎖防止在爬坡過程的倒車現象，還可以保證驅動模塊的行走穩定性。靠近驅動模塊的作用輪有彈簧軌道的設計，可以實現連接部“2”隨時避障。

1.4 驅動模塊的功能設計

目前國內外已研究出許多輸電線行走方式，但面對除冰作業環境，驅動力、穩定性及與除冰機構的配合等方面制約除冰設備的除冰效果。針對這種情況設計了新型的驅動模塊。驅動模塊是整個除冰系統的載體，能夠保證整個除冰機構沿導線平穩行走；以間歇運動提高除冰效果并能依靠機械動作完成自動跨越障礙。

圖4 驅動機構結構效果圖

驅動模塊由兩個夾緊機構和行進機構組合而成。夾緊機構由機爪和伸縮套組成，保證整個模塊穩定懸掛在電線上。行進機構是驅動模塊的核心，在設計中引入仿生學理念，模仿蟲子蠕動動作。電線鎖桿在電機帶動下在電線上實現自鎖，以自鎖點為支點，向前移動。在電線鎖桿端部安裝耐磨性好的防滑套能夠避免機構在行進過程中出現打滑。當機構在行進過程中如遇到障礙，機爪能夠通過機械碰撞感知，上升旋轉實現避障，通過障礙后彈簧與伸縮套相互配合使機爪迅速回彈，保證機構始終懸掛于電線之上，從而提高除冰安全性和機構穩定性。

2 結論

通過對機構進行力學分析和校核，所有機構完全符合設計要求。對所設計的模塊化除冰器進行了樣機制作，通過模擬實驗驗證，該機構能夠實現順利行走，除冰效果基本符合設計需求。

本裝置對于貓頭塔，酒杯塔、直線塔等塔基構架的高壓電線線路的除冰工作基本適用，能有效清除電力輸變電線路，通信線路等電力設施上的覆冰。另外在非結冰期利用巡線模塊用于日常巡線，達到一機多能，提高設備利用率。本裝置模塊式高壓電線除冰器設計減少了人工除冰高空作業的安全隱患，減輕了寒冷作業的傷害，大大提高除冰效率。

［1］新疆電力公司生產技術部.新疆電網輸電線路覆冰故障分析[Z].2010.

［2］趙大樂,姚秀平,紀冬梅,等.高壓輸電線路覆冰問題研究[J].上海電力學院學報,2011(1):19-24.

［3］耿欣,周延澤.巡線機器人的爬行方案設計[J].機器人技術與應用,2002(4):19-21.

［4］成大先.機械設計手冊[M].北京:北京化學工業出版社,2010.

［5］成大先.機械設計手冊[M].北京:北京化學工業出版社,2004.

Design of Modular Deicing Machine for Transmission Lines

GUO Wen－fengZHANG Qi－gong
（School of Equipment and Engineering Shenyang Ligong University,Shenyang Liaoning,110159）

On the analysis of the overhead line cladding ice internal texture,the type of ice covering,designs a new type of modular deicing machine for transmission lines.The deicing machine adopts the design idea of modularization,uses the bionics design driver module,realizes the modular splicing,climbs over obstacles effectively,and completes deicing through the different combinations of modular machines.The equipment has the advantages of simple structure,artful design and practical features.The machine has a certain application value and supply a new thought for deicing machine research.

Modular deicing machine for transmission lines;Deicing;Climbing over obstacles

郭文鳳（1980—），女，漢族，遼寧遼陽人，碩士研究生，講師，主要研究方向為可靠性。

張啟功（1990—），男，漢族，遼寧沈陽人，在校本科生。

王洪澤］