一種自適應(yīng)調(diào)節(jié)輪及其控制方法研究

蔡邱申 甄志明

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局，廣東江門529000）

0 引言

目前，在電網(wǎng)運(yùn)維過程中，對(duì)于威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行的樹障，常見的清除方法有以下幾種：

（1）人工使用砍刀或鏈鋸進(jìn)行樹障清除，該方法對(duì)人工體力消耗較大，使用過程中稍有不慎便會(huì)對(duì)人的身體健康造成傷害；

（2）使用高空斗車搭載人員進(jìn)行高空清除，該方法只能適用于平坦地面，地形適用率較低；

（3）使用爬樹砍伐裝置砍伐樹木，該裝置在使用過程中需人工調(diào)節(jié)松緊帶，以適應(yīng)樹木直徑從粗到細(xì)的變化。該方法需人工進(jìn)行同步調(diào)節(jié)，使用起來極其不方便，故需對(duì)該環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。

1 爬樹裝置存在的問題

現(xiàn)有爬樹裝置由兩個(gè)帶有固定輪的等徑半圓不銹鋼管組成，安裝時(shí)將兩個(gè)帶有固定輪的半圓管放置在等徑圓柱體兩側(cè)，使用繩子將兩個(gè)半圓管收緊，使其與等徑圓柱體保持夾緊狀態(tài)，啟動(dòng)電機(jī)使其上下攀爬。這種裝置搭載普通輪子只能適用于等徑大小的圓柱，不適用于直徑從下往上呈現(xiàn)從大到小的樹木。

2 確定課題

現(xiàn)研制一種搭載自適應(yīng)調(diào)節(jié)輪的爬樹裝置，與使用松緊繩進(jìn)行人工調(diào)節(jié)松緊的爬樹裝置相比，該自適應(yīng)調(diào)節(jié)輪可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)爬樹裝置的整體直徑大小，使其能夠保證上樹階段的輪子對(duì)樹的壓力，最終保證爬樹裝置自動(dòng)上樹。這一方面擺脫了人工調(diào)整的危險(xiǎn)，提高了人員的人身安全；另一方面可實(shí)現(xiàn)人工調(diào)節(jié)所到不了的高度，實(shí)現(xiàn)爬樹裝置在任意高度進(jìn)行作業(yè)的要求。

3 爬樹裝置的設(shè)計(jì)

3.1 提出方案

根據(jù)樹木生長規(guī)律，樹木從下往上其直徑呈現(xiàn)從粗到細(xì)的規(guī)律，使爬樹裝置能夠抱緊樹干的傳統(tǒng)方法是使用松緊繩進(jìn)行人工調(diào)整，這種方法只能滿足低空不高于2 m的作業(yè)高度。基于此，研制了一種自適應(yīng)調(diào)節(jié)輪裝置，其需滿足以下幾個(gè)條件：

（1）作業(yè)高度應(yīng)高于2 m以上。

要保證作業(yè)高度高于人工作業(yè)高度，需要使用遠(yuǎn)程遙控的方式或者使用傳感器加芯片的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。遠(yuǎn)程遙控會(huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)不靈敏的情況，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)爬樹裝置對(duì)樹干的壓力過大或者過小，壓力過大時(shí)會(huì)使爬樹裝置無法上樹及下樹，壓力過小時(shí)會(huì)出現(xiàn)爬樹裝置抓不緊的情況，最終導(dǎo)致爬樹裝置墜落。而使用傳感器加芯片進(jìn)行調(diào)節(jié)的方式，可避免出現(xiàn)爬樹裝置對(duì)樹干的壓力過大或過小的問題。

（2）輪子的耐磨性能應(yīng)滿足爬樹裝置完成整個(gè)上樹下樹過程。

根據(jù)耐磨性能的要求對(duì)輪子進(jìn)行選擇，有橡膠定向輪及麥克納姆輪兩種。麥克納姆輪單輪由16個(gè)輥?zhàn)咏M成直徑152 mm、寬44 mm的外輪廓面，是一種高靈活度的全向輪；而定向輪則采用天然橡膠材料，方向一旦固定便無法調(diào)整。現(xiàn)對(duì)兩種輪子的耐磨性能進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)橡膠定向輪在耐磨性能上遠(yuǎn)勝于麥克納姆輪，且爬樹裝置對(duì)輪子方向的要求并不高，最終選擇橡膠定向輪。

（3）根據(jù)輪子對(duì)樹的壓力不同，自動(dòng)調(diào)節(jié)輪子的長度。

只有保證輪子對(duì)樹的壓力不變，才能夠保證爬樹裝置抱緊樹干，故需該爬樹輪能夠根據(jù)爬樹裝置重量的不同來調(diào)節(jié)輪子自身長度。

根據(jù)方案需求，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)思路，得出方案圖，如圖1所示。

圖1 方案圖

3.2 設(shè)計(jì)初步使用圖

首先繪制出控制圖，如圖2所示，并查找元器件相關(guān)資料。

使用AutoCAD畫出模型圖，如圖3所示。

圖2 控制圖

3.3 技術(shù)原理

自適應(yīng)調(diào)節(jié)輪主要分為以下幾個(gè)模塊：

（1）硬件調(diào)節(jié)模塊：在輪子上方加裝彈簧及可調(diào)節(jié)收縮桿，在彈簧及收縮桿的上方加裝壓力傳感器。

（2）傳感器模塊：由壓力傳感器組成，作用于輪子與樹干之間，實(shí)時(shí)收集輪子對(duì)樹干的壓力值大小。

（3）芯片控制模塊：使用可編程芯片，實(shí)時(shí)收集壓力傳感器的數(shù)值，編寫程序進(jìn)行分析，通過壓力值的大小調(diào)節(jié)收縮桿的長度，進(jìn)而調(diào)節(jié)彈簧及整個(gè)輪子的高度，完成爬樹裝置的上下樹過程。

（4）電池模塊：由高密度鋰電池及穩(wěn)壓電路組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片模塊、傳感器模塊以及硬件調(diào)節(jié)模塊的供電，確保整個(gè)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

3.4 技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

（1）電源選用高密度可充鋰電池，由于體積空間的限制，選用電池容量為500 MAh，充滿電時(shí)間為30 min，連續(xù)作業(yè)可使用3 h。

（2）硬件調(diào)節(jié)模塊中使用的收縮桿，其材料選用高硬度的鋁合金材料，可承受700 MPa的壓力，收縮桿外接電源正負(fù)極，信號(hào)線接可編程芯片，芯片通過信號(hào)線傳輸伸出與縮回的信號(hào)，當(dāng)芯片發(fā)出“1”指令時(shí)，收縮桿執(zhí)行伸出的指令，當(dāng)芯片發(fā)出“0”指令時(shí)，收縮桿執(zhí)行縮回的指令，進(jìn)而調(diào)節(jié)收縮桿的長度。

（3）傳感器模塊使用應(yīng)變片壓力傳感器，是在較薄的樹脂材料的點(diǎn)絕緣體上，先將金屬箔刻成柵格的形狀，再安裝引出導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)。應(yīng)變片使用半導(dǎo)體材料制成，其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，這種效應(yīng)的簡述如下：當(dāng)半導(dǎo)體材料中的一個(gè)軸受到外界的作用力時(shí)，它的電阻率會(huì)隨之變化。本次設(shè)計(jì)將應(yīng)變片固定在彈簧及收縮桿的上方，即輪子與爬樹裝置的接觸面上，當(dāng)接觸位置發(fā)生應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片上的敏感柵也會(huì)隨之變形，進(jìn)而使電阻發(fā)生變化，將采集的數(shù)值通過芯片分析計(jì)算，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為所需要的電阻值。

4 產(chǎn)生的效益

本項(xiàng)目成果效益明顯，經(jīng)過調(diào)試實(shí)驗(yàn)，搭載自適應(yīng)調(diào)節(jié)輪的爬樹裝置擺脫了人工調(diào)節(jié)，提高了人員使用爬樹裝置的安全性，減少了作業(yè)時(shí)間，給日常砍樹工作帶來了積極效益，符合人機(jī)功效原則。該成果還可以在車輛減震系統(tǒng)等領(lǐng)域中應(yīng)用，一經(jīng)研發(fā)便可批量投入使用，具備較佳的應(yīng)用價(jià)值和推廣意義。

（1）經(jīng)濟(jì)效益：每次作業(yè)減少人員數(shù)量2人，平均砍樹時(shí)間為1.45 h，操作人員時(shí)薪按60元計(jì)算共減少費(fèi)用約1.45×60×2=174元；每次作業(yè)減少工作人員工時(shí)約0.87 h，每次作業(yè)減少操作人員工耗費(fèi)約0.87×60×2=104.4元。

（2）安全效益：通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用搭載自適應(yīng)調(diào)節(jié)輪的爬樹砍樹裝置，只需在作業(yè)前期對(duì)裝置進(jìn)行安裝，作業(yè)過程實(shí)現(xiàn)了無人操作，一方面減少了作業(yè)人員工作量，另一方面大大提高了作業(yè)人員的安全性，通過避免裝置在爬樹過程中人員與植物直接接觸，降低了觸電風(fēng)險(xiǎn)，減少了人身傷害，提高了安全系數(shù)。

（3）無形效益：該自適應(yīng)調(diào)節(jié)輪使用了鋰電池，對(duì)環(huán)境污染可忽略不計(jì)，并且該裝置的能耗低，充一次電可連續(xù)作業(yè)3 h，減少了工作步驟時(shí)間，從而縮短了作業(yè)總耗時(shí)，達(dá)到提高工作效率的效果。

5 結(jié)語

該自適應(yīng)調(diào)節(jié)輪的研制，解決了爬樹裝置攀爬不等徑樹木的難題，提高了人員的安全性。本次只針對(duì)爬樹裝置進(jìn)行試驗(yàn)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)輪還可以應(yīng)用在車輛減震系統(tǒng)等領(lǐng)域，下一步將對(duì)自適應(yīng)調(diào)節(jié)輪進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)，希望能夠在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用，造福人類。