一種不停電螺栓緊固作業裝置研究與應用

宋紅為 趙志海 馬建文 馬云飛

摘? ?要：在本研究中，針對高壓輸電線路引流板螺栓作為研究對象，并提出能夠沿高壓輸電線行使且由雙作業臂攜帶的一種螺栓緊固工具，進一步實現那耐張線夾引流板螺栓緊固帶電作業裝置，提出四臂移動作業的螺栓緊固裝置，即移動機器人雙臂攜帶螺栓末端的機械手和攜帶螺栓擰緊末端機械手，研究帶電作業裝置機械結構，分析了攜帶螺栓連接末端和作業末端性能的動力學模型，通過實際應用完成帶電作業檢測，進一步驗證了該設計方案的正確性。

關鍵詞：不停電? 螺栓緊固? 作業裝置? 研究? 應用

中圖分類號：TM75? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）11（a）-0026-02

由于高壓輸電線路運行環境較差，外界環境包括履冰，微風振動等都會出現導線振動，進而使耐張線夾引流板螺栓出現松動，由于接觸不良而導致電阻增加，使引流板溫度快速升高，接觸面氧化情況惡化，長時間會導致出現引流板燒毀問題，出現安全事故，這對于電網運行來說是十分不利的。帶電作業是電網常用的檢修方法，可實現在不停電的情況下完成電網檢修，當前耐張線夾螺栓緊固作業是在人工等電位狀況下完成的，容易受到帶電作業距離因素的影響，工作人員很難實現這一動作，無法達到螺栓緊固扭矩的相關要求，甚至使用扳手套通無法套住螺栓。而帶電作業裝置可克服這種問題，進一步提高耐張線夾引流板螺栓緊固作業的安全性。因此在本研究中提出能夠沿高壓輸電線路行駛，且由雙作業臂攜帶螺栓緊繃末端工具，完成引流板螺栓緊固帶電作業檢修的裝置。

1? 螺栓頸部作業裝置設計

首先從螺栓緊固中作業對象分析來看，耐張桿塔線路結構主要涉及導線，耐張絕緣子串，跳線，壓縮型耐張線夾，其中在導線固定的作用下壓縮型耐張線夾能夠固定與耐張絕緣子串中，進而實現跳線導線的相互連接。壓縮型耐張線夾結構是有引流板，鋼錨，管體和線夾構成的，六角螺栓能夠用于連接引流線夾和引流板，帶電裝置可對該螺栓構件完成緊固操作。

從裝置的結構設計方案上來看，在人工開展螺栓緊固時通常需要固定螺栓，另一邊還需要借助扳手完成螺母的擰緊操作，而帶電作業裝置能夠模仿人的結構，利用雙作業臂完成操作，其中一個機械臂用于螺栓固定，另一個用于螺母的擰緊操作，且作業末端使用內角套筒能夠與外六角螺栓進行緊密配合，因此該裝置作業臂需要調節末端作業裝置，相對外六角螺栓位置，進而可以使螺母與內六角套筒處于同一種線，同時為實現螺母與套筒的連接作業末端，還需要具備一定的旋轉自由度，可以使內六角套筒與螺母實現微調，此外由于耐張桿塔線路轉角塔桿類型不同，在引流板和垂直面間存在夾角，這也為對接末端裝置提出更高要求，因此在結構上作業末端裝置需要對夾角有一定的自適應要求。針對上述要求提出裝置結構模型主要是由裝置本體結構，螺母擰緊結構裝置和螺栓固定裝置共同構成的，帶電作業裝置本體及平臺為移動機器人雙作業機械臂，能夠固定在機體的前端，整個移動機器人是由雙固定臂，行走輪，機體等電位輪共同構成的，在機體中雙作業臂能夠保持一定距離，實現反對稱布置，固定臂與行走輪連接并沿導線行走，行走輪的一側安裝的夾爪裝置能夠用于護線，在夾爪裝置旁存在等電位輪能夠確保裝置與導線實現等電位。在機體兩側分別布置了作業臂，采用移動關節和旋轉關節串聯的方式構成一種開放式運動鏈。

在作業臂中安裝螺母擰緊裝置，為使螺母擰緊裝置結構簡單實現最大化扭轉力矩，應當采用渦輪渦桿傳動進行扭矩的輸出，同時這一裝置具有良好的自鎖效能，螺母擰緊電機減速器可以帶動渦輪渦桿傳動，進而可以使旋轉軸旋轉，能夠為松開和擰緊螺母提供必要的扭轉力矩，并帶動內六角套筒實現微調操作。在螺母擰緊過程中，螺母被裹在前端內六角套筒中，為實現螺母和套筒的良好對接，在旋轉軸和套筒間設計十字角完成連接，在十字鉸架中同時還設置了旋轉彈簧，能夠確保在不受力的情況下內六角套筒可與旋轉軸實現同軸。在旋轉軸中還設置移動彈簧，當螺母與套筒前端接觸之后可以通過作業臂縱向移動進而壓縮移動彈簧，調節作業臂其他的關節位置使十字鉸能夠與螺母形成作用力，內六角套筒與旋轉軸調整角度后，可實現與螺母對接，工作人員在平面上相互垂直的兩個攝像頭可用于螺母和套筒位置的觀察，進而可對作業臂各關節和螺母擰緊裝置進行調節，螺栓固定裝置安裝在另一個作業臂中，其結構模型如上所示，該結構是與螺母擰緊裝置十分類似的，但相對來看，這一裝置沒有電機和渦輪渦桿，傳動機構只需帶有內六角套筒固定，且能夠壓住螺栓頭限制轉動即可。

從螺母擰緊裝置末端性能上來看，螺栓擰緊作業末端主要是利用十字鉸，進而可以使內六角套筒相對螺母具備位姿誤差補償能力，在本研究中需要對實現該補償功能十字鉸完成性能分析，能夠準確分析螺母末端整體對于螺栓位姿誤差的動態響應和相應捕獲能力，進而可以使螺母作業末端實現高效運行。

從螺母裝置末端傳遞扭矩上來看，在螺母擰緊裝置實現未知的補償功能的十字鉸的機構模型主要是單萬向鉸鏈機構，當垂直面與引流板存在夾角時，此時內六角套筒移動角度能夠與螺母進行位置調節，使其完全被覆蓋。

2? 螺栓緊固裝置動力學分析

在實際作業過程中，該裝置需要根據螺栓的具體位置進行作業臂的調整，各關節電機始終處于運行狀態，這對于裝置通道系統來說提出較高要求，動力學分析是連桿關節參數與驅動輪的關系分析，通過對裝置反射動力學分析可得到關節驅動力，進而能夠為實現動態控制提供參考。

動力學建模。該裝置動力學建模使用的是牛頓，歐拉方法，kane方法以及旋量對偶數法等，其中Lagrange方法能夠構建能量函數，通過能量建模無需求約束反作用力，能夠避免方程中不需要的內力項，推導過程比較簡便，利用該方法可以推導裝置作業臂動力學模型，利用該方法構建巡檢裝置動力學方程式，需要建立拉格朗日函數，該函數被定義為系統動能與位能之間差。根據系統動力學方程，拉格朗日方程如下所示。

在作業臂動力學仿真過程中，通過利用仿真功能模塊能夠對該模型完成仿真操作，比如我們可以設置end time為20s，步長為1000，完成仿真測試后檢測橫移關節，旋轉和伸縮，縱移關節，在整個運動中所受到的作用力矩和位移變化曲線，調用仿真處理模塊得出各關節作用力力矩與位姿變化關系。在驅動力作用，各個關節能夠按照預設軌跡確定運動關系到達最終的位置，比如對于橫向關節來說，在5s內雖不會產生運動，但由于旋轉關節運動會對其產生一定的耦合力，在前5s會受到作用力，并且出現對稱關系，通過進行仿真結果分析，發現多處關節驅動力距高于仿真實際檢測的力矩，滿足實際使用要求。

3? 結語

針對目前高壓輸電線路引流板在螺栓停工過程中的作業需求，在本研究中提出了螺栓螺栓緊固作業裝置結構模型，并完成動力學分析。

參考文獻

[1] 王志軍， 羅健斌， 陳韜，等. 一種不停電作業柔性電纜自動收放裝置的優化設計[J]. 電子世界， 2017（9）：88.

[2] 宋述停， 趙玉良， 沈曉麗. 高壓帶電作業破螺母工具控制系統的研制[J]. 微計算機信息， 2012（5）：58-59.

[3] 劉瑞慶， 王愛國. 10kV架空配電線路不停電作業的應用探討[J]. 電子制作， 2017（9）：95-96.