高壓輸電線路除冰防凍機器人設計

謝曉全 張曉龍 梁文凱 楊磊青 高鵬

摘要：為了解決我國西南山區高壓輸電線路覆冰問題，在總結和分析國內外現有除冰技術基礎上，以強力除冰、有效防冰為目標，提出“除冰為主，除防結合”的新型除冰、防冰理念。應用模塊化設計，對機器人整體架構、本體機構、除冰機構、防凍噴涂機構以及控制系統進行詳細設計說明，對機器人關鍵零部件進行有限元分析。結果顯示，該除冰方案結構設計合理，適用于西南地區高壓線纜除冰、防冰工作。該機器人具有結構緊湊、重量輕、簡單高效、實用性強等特點，為輸電線路除冰、防凍提供了一種新思路，具有較好的社會效益和應用前景。

關鍵詞：輸電線路;冰災事故;除冰防凍機器人

DOI：10.11907/rjdk.192283 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）006-0102-05

0 引言

包括我國在內的世界上很多國家都經常發生高壓輸電線路冰災事故。2008年初，冰凍事故給中國西南方人民生產生活帶來了深重影響，其中南方電網損失極其嚴重，中國西南地區高原山區高壓輸電線遭受到大量覆冰侵害而造成高壓線塔倒塌、線路短路，供電工作受到了前所未有的挑戰。與此同時，國外包括美國、日本等發達國家在內的很多國家都受到了冰災事故的嚴重侵害，線路覆冰已成為亟待解決的問題。

高壓線路除冰技術包括熱力法融冰、機械法破冰、被動除冰等3類，其中機械除冰法具有安全性高、無傷亡、不需轉移負荷和停電的特點而被廣泛采用。日本東京技術大學Debenest等設計了一款輸電線路自動巡線機器人Expliner，該機器人可實現遠程無線操控，在執行巡檢任務時可通過調節平衡位置以調節重心，保證機器人行走平穩，但該機器無法完成防凍噴涂工作;中科院沈陽自動化研究所（SIACAS）肖時雨等設計了四臂巡檢機器人，該機器人采用尺蠖爬行的行進方式，可以實現越障功能，但該機器人過于笨重，行走不夠靈活;加拿大魁北克Quebec研究院的Toth等研制了輸電線路巡線裝置Line Scout Mobile Platform，該裝置除具備一定越障能力外，還具有防水、GPS定位和重心調節等功能，但沒有加裝防凍噴涂裝置;遼寧理工學院高露等設計了一套三臂高壓線除冰裝置，該裝置包括除冰系統、越障系統和行走系統，可通過銑削和敲打實現除冰，但該裝置結構復雜，不便于維護。

上述技術方案都是在覆冰形成以后被動除冰，無法防患于未然，而且這些機器人的行走機構多采用將行走輪直接掛靠在線纜上的固定方式，無法適應我國西南山區坡多且陡的地理環境。本文針對我國西南山區的特殊地形和氣候條件，設計一款應用于高原山區的輸電線路除冰防凍機器人。該機器人除設有行走機構和除冰機構外還增加了防凍噴涂機構，已可對已除冰電纜進行防凍噴涂作業，有效防止電纜二次結冰。該機器人的行走機構采用四輪相對卡緊的結構設計，可以在高地起伏的山區輸電線路上平穩攀爬。此外，該機器人具有體積小、重量輕、結構簡單和易于維護等優點，適合在線纜覆冰地區推廣使用。

1 除冰防凍機器人總體方案

目前，國內外沒有方案成熟的除冰防凍機器人，大多數方案都只重視機械除冰，而忽略了除冰完成后對線纜的防凍保護問題。針對此問題，本文設計了一種高壓線路除冰防凍機器人。該方案既可以滿足對覆冰線路的除冰工作，又可以對已除冰線纜進行防凍噴涂作業，能有效避免輸電線路二次結冰。機器人采用模塊化設計，組成模塊包括主體行走機構、除冰機構、防凍噴涂機構、水箱等。機器人采用SolidWorks進行三維建模，如圖1所示。

1.1 主體行走機構設計

國內外主體行走機構常采用兩種方式：步進式和滾輪式。對于不作越障要求的巡線機器人，采用輪式滾行式比較普遍，該機構結構簡單、行走速度快、制造成本低。結合西南地區山多坡陡的特點，采用輪式行走機構比較合理。

如圖2所示，主體行走裝置主要包括驅動電機、渦輪、蝸桿、傳動齒輪、行走輪等。行走機構由驅動電機提供動力，經渦輪、蝸桿、傳動齒輪將動力傳遞給行走輪，以實現行走機構的前進后退。對比分析國內外現有輪式行走機構，以兩輪掛式行走機構居多，三輪、四輪，甚至多輪行走機構也都有出現，考慮到機器人能夠滿足在西南山區輸電線路上行走的穩定性，最終選擇四輪輪式行走機構，行走機構上下各兩個行走輪，可牢牢卡緊在輸電線路上，保證了在西南山區爬坡作業時的穩定性。由于輪子直接與高壓線纜接觸，因此行走輪應選擇絕緣材料，考慮到線纜上有覆冰，輪子容易打滑，應選擇摩擦力較大的材料并在滾輪中間開槽。驅動電機選擇安裝在行走機構的下方，使整個機器重心更加穩定，不易遇風搖擺。

1.2 除冰機構設計

在經過一系列探索對比之后，最終設計了一個以雙銑刀和雙楔形塊組合的除冰方案，具體結構如圖3所示。除冰裝置主要由兩個除冰電機、兩個除冰楔形塊、一個除冰機構底座、一個楔形塊固定面板、兩個固定螺栓以及若干連接螺釘組成。

該除冰方案工作原理：除冰機構通過底座與除冰機器人本體連接在一起，與本體行走輪固定在同一條直線上，由于該除冰機構是開放式設計，可使除冰機器人在上線下線時非常方便地從側邊空隙卡人，工作時通過控制啟動除冰電機，除冰電機帶動除冰刀高速旋轉，對高壓輸電線兩側的覆冰進行銑削式破除，而緊跟其后的兩個楔形塊在行走機構的推動作用下，實現對垂直方向覆冰的刮鏟破除，完成立體式高效除冰。該除冰機構可以通過調節兩電機之間的距離調整銑刀與電纜覆冰的距離，并且通過調節上楔形塊的間隙調整兩個除冰楔形塊相對于電纜之間的距離，在保證不損壞輸電線的前提下實現對不同直徑輸電線路的高速有效除冰。

1.3 防凍噴涂機構設計

防冰指在輸電線覆冰前采取措施，使冰雪在輸電線上不能堆積，將總的覆冰載荷控制在輸電線可承受范圍內。常用防冰方法有臨界法電流防冰、微波防冰、防冰涂料技術等。其中，防水涂料技術能有效降低冰與導線之間的粘附力，故選擇在線纜上噴涂防凍涂料的方案較為合適。選擇ZS-611防冰雪涂料，該涂料具備很好的憎水性，憎水角可達150°之上，滾動角小于8°，適用于多種方法涂裝，能在常溫下固化，涂層在30um以下，就能防冰雪附著，并具備抗腐蝕、耐磨損、防老化、表面自潔等功能。

防凍噴涂模塊如圖4所示，主要由水箱、水箱支架、水泵、噴嘴、藥劑回收箱和回收箱支架組成。由于行走機構對輸電線路的安裝采用嵌入夾緊方法，因此噴頭機構設計為部分開口，以便于輸電線路能裝進噴頭弧形部分。噴涂機構工作在架空輸電線上，藥劑大量灑落不可避免，這不但會浪費藥劑，還會污染壞境，故在噴頭部分設計一個藥劑回收箱，用以回收灑落出來的藥劑。噴頭部分固定于液體回收箱上部，液體回收箱固定在回收支架上，通過M6的螺釘將回收支架固定安裝在主體行走機構上，水箱固定在支架上，水箱支架再經M6螺釘固定在主體行走機構下方，水箱、水泵和回收箱之間用水管相連。防凍噴涂機構工作原理：水泵將水箱內的防冰雪涂料輸送給兩個噴嘴，噴嘴將防冰雪涂料均勻噴涂在輸電線路上，灑落的涂料被回收箱收集，經過回流管道流回水箱。

1.4 控制系統設計

該方案采用半自動控制方式，遙控器采用5通道，分別控制銑刀啟停、行走電機啟停、噴涂水泵開關、四輪夾緊機構開合以及自救系統啟停。詳細說明如表l所示。

方案主要以89C51/52或ATMEL64/128為基本控制芯片，外加無線接收芯片為輔助模塊。主控芯片和其輔助電路將無線接收芯片的數據進行轉換、解析，以便控制電機、水泵等機構作出相應動作，從而完成對除冰防凍機器人的邏輯控制。機器人控制流程如圖5所示。

2 關鍵零部件有限元分析

本文利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對除冰機器人的關鍵零部件進行受力變形有限元分析，并對結構中存在的不足進行優化設計。

2.1 行走輪有限元分析

除冰機器人在高壓輸電線上行走時，4個行走輪夾緊電纜線同時轉動，假設行走輪和電纜線之間不發生滑動摩擦，忽略齒輪傳動效率，4個行走輪的轉矩一樣，但在實際運動中，離電機最近的那個輪受力最大，只要此輪能滿足設計要求，其它輪均能滿足要求。

行走輪采用45鋼材料。45鋼密度為7.8x 10³kg/m³，泊松比為0.3，彈性模量為2.1x 10¹¹pa，先輸人材料各參數，再導人零件，進入模型界面后，對行走輪進行網格劃分，網格大小尺寸默認，對行走輪進行約束，施加作用力，該行走輪受到的力主要是電機輸出的扭矩，對行走輪進行有限元分析，得到行走輪的形變和應力圖。如圖6所示，最大形變量為0.0014mm，最大應力為9.65Mp。對比材料彈性模量參數及實際工作情況，分析結果表明，行走輪能滿足強度要求。

2.2 除冰機構楔形塊有限元分析

除冰機構楔形塊的材料采用45鋼，對該零件的主要受力部位（楔形塊）的刀頭施加大小為500N的力，運用ANSYS對除冰機構楔形塊進行分析，具體情況如圖7所示。

通過形變圖可以看出，該除冰機構楔形塊的最大應變為0.57911mm，小于0.8mm，因此在形變方面，此方案可行。從應力圖中發現，除冰機構楔形塊受到的最大應力僅為6245.4MPa，小于其材料45鋼的屈服強度，因此該零件符合設計要求，可以承受預想的最大受力情況，方案可行。

2.3 水箱支架有限元分析

分析水箱支架受力情況，需要先算出支架所要承受水箱重量以及水箱放滿液體時的重量。水箱重量為水箱體積乘以水箱密度，通過Solidworks水箱模型可得出水箱體積，在選材時，選擇PC塑料水箱，查詢PC塑料水箱參數可知該PC塑料味玻纖增強25%，密度1.39g/cm³。1.39g/cm³為1390g/mm³，輸入質量屬性，得出水箱自身重量為97.89克，水箱裝滿防凍劑后，根據防凍劑密度1.25g/cm³，得出防凍劑質量為：

m=pV=1.25x440=550g （1）

水箱支架共計承重1197.89g，重量為：

G=mg=1197.89x10^-3x9.8=11.74N （2）

水箱體評估如圖8所示。

對水箱支架進行有限元分析，如圖9所示，得出水箱支架最大形變量為0.004mm，最大應力0.361MPa，都沒達到45鋼的最大許用應力和形變屈服極限，因此水箱支架滿足設計要求。

3 結語

本文在分析國內外現有除冰技術基礎上，提出了一種“除冰為主，除防結合”的新型除冰防冰理念，對機器人整體架構、本體機構、除冰機構、防冰噴涂機構以及控制系統進行了詳細設計說明。對機器人關鍵零部件進行有限元分析，結果顯示各關鍵零部件滿足強度設計要求。該機器人結構設計合理，適用于西南地區高壓輸電線路的除冰、防冰工作。但還存在一些問題需要解決，比如整機防水問題和如何增加續航時間問題。目前，正在對除冰防凍機器人作進一步改進，以便機器人能夠適應更復雜的工作環境。已除冰線纜防凍噴涂保護問題將成為除冰機器人研究的新方向。