配電線路絕緣包裹機器人機械本體結構研究

夏文超，魯彩江,高宏力，王 雨

（1.西南交通大學機械工程學院，四川 成都610031；2.西南交通大學先進驅動節能技術教育部工程研究中心，四川 成都610031）

1 引言

目前城鄉結合部和農村配電架空輸電線路70%以上還是裸導線，每當刮風下雨樹障致使配電線路頻繁跳閘，尤其是臨近房屋、樹木、魚塘等區域，更是配網跳閘和人員觸電死亡的重災區，嚴重影響了供電效益，產生了不良的影響。面對此類問題，傳統解決辦法是在停電的情況下，人工懸掛在高壓線路上對裸露導線進行包裹［1-4］。如圖1所示，a是用于絕緣包裹的絕緣皮；b是傳統的人工包裹方法。從圖中可以看出，人工安裝絕緣皮存在安全隱患，工作效率低。

圖1 輸電線絕緣皮的外觀及傳統絕緣改造方法Fig.1 Appearance of Cable Insulation Cover and Traditional Insulation Modification Method

此次研究的目的在于設計與開發一款架空裸露導線絕緣包裹機器人，在架空裸露導線通電情況下實現自動包裹。國內外近兩年開始著手于架空配電線路絕緣化改造項目的研究。2017年，華北電力大學研制了一款10kV架空線絕緣修復機器人，能對絕緣導線破損處實施包裹新的絕緣皮、完成線路修復。但機器不能完成對裸露導線的絕緣改造工作［5］；2018年2月，新加坡施普林格天然氣私人有限公司開發了一款高壓輸電絕緣機器人，通過橡膠輪驅動圓盤旋轉將電工膠布包裹在導線上［6］。該機器結構簡單，但用電工膠布包裹的方法可靠性差，需要人工上線安裝并放置初始位置，不能帶電操作。

為了解決架空裸露導線存在的問題，設計了一款架空裸露導線絕緣包裹機器人，機器人能對架空裸露導線有效包裹，實現自動化運行與帶電操作。

2 機械系統設計

2.1 總體結構

絕緣包裹機器人結構圖，如圖2所示。

圖2 絕緣包裹機器人總體結構Fig.2 Overall Structure of Cable Wrapping Robot

機器人主體為框架結構，機架上設有送料機構及用于機器人在導線上移動的行走機構；機架底面設有供線纜進入的開口；機架底層的橫梁上固定安裝升降機構，升降機構上安裝有位于行走機構之間、用于將絕緣皮扣合在線纜上的扣合機構；鄰近送料機構的行走機構前輪與扣合機構間的縱梁上安裝有進料支撐機構［7］。

2.2 進料支撐與行走機構

進料支撐機構示意圖，如圖3所示，舵機通過聯軸器與轉軸連接，夾爪固連在轉軸上，通過齒輪嚙合實現兩個夾爪反向轉動，舵機能有效的控制夾爪張合角度。在機器人上線前，將絕緣皮放置在夾爪卡槽內，夾爪的卡槽能卡住絕緣皮起到支撐作用。上線前夾爪張開，導線由夾爪空隙進入；上線后通過舵機帶動夾爪閉合使絕緣皮進入包裹準備狀態。

圖3 進料支撐機構Fig.3 Feeding Support Mechanism

機器人在線上的行走由行走機構驅動，如圖4所示，兩個行走輪各由一個無刷直流減速電機驅動，電機安裝在縱梁上，電機輸出軸與轉軸孔通過緊固螺釘相連，轉軸另一端安裝在軸承上。行走機構結構簡單緊湊、傳動平穩、維護更換方便。行走輪采用V型輪式結構。V型輪能夠適應一定范圍內的不同線徑，采用PVC材料并做表面粗糙處理以增大V型輪與線路之間的摩擦，在遇到線路爬坡情況下可以避免打滑現象［8-10］。

圖4 行走機構示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Walking Mechanism

2.3 進料機構

絕緣層自然狀態下是彎曲的，必須壓平方便進料，輪子夾緊絕緣層依靠靜摩擦力實現連續的送料。進料機構及工作時的截面示意圖，如圖5所示，電機輸出的動力通過同步帶傳輸到主動送料輪，主動送料輪與從動送料輪通過齒輪進行傳動。從動送料輪設計成帶擋邊的圓柱體，擋邊之間的距離等于絕緣層內圓周長，即等于絕緣層壓平狀態下兩邊的距離，從而絕緣層的左右位置被固定；主動輪的寬度等于絕緣層壓平狀態卡扣處突起間的距離，主動輪與從動輪的配合進一步消除了絕緣層的偏移的可能［11］。

圖5 進料機構示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Feeding Mechanism

2.4 升降與扣合機構

升降機構由兩個步進電機驅動，電機安裝在機器的前后兩端，扣合機構的中心位于兩個步進電機中心位置，通過絲杠將電機的旋轉運動轉化為直線運動帶動扣合機構升降。在機器人上線包裹之前，升降臺處在底端，為機器人的上線留出空隙，當機器人被送上電線后抬升升降臺使其與夾爪中的絕緣皮同高，使得絕緣皮能夠進入其中實現包裹。

開口狀態的絕緣皮通過扣合器機構后變為扣合狀態，其上的夾緊輪左右兩排對稱分布且反向轉動，各對夾緊輪從入口處至出口處間距一次依次減小，擠壓絕緣皮扣合并輔助絕緣皮移動；傳動采用同步帶的方式，其傳動平穩，有一定的緩沖和吸振能力，機構簡單，維護方便［12］。夾緊輪凹槽與絕緣皮形狀適配，保證夾緊過程絕緣皮不會從扣合器上脫落且能正確扣合。

圖6 扣合機構及扣合原理示意圖Fig.6 Fastening Mechanism and Principle Diagram of Fastening

2.5 爬坡分析

絕緣包裹機器人線上行走時，行走輪與導線并不直接接觸，行走輪壓在絕緣皮上，絕緣皮包裹了裸露導線。為了使機器人上、下坡時有足夠的牽引力和制動力，在線上行走不打滑，行走輪和絕緣皮之間要有足夠的摩擦。機器人的重力作用使得兩個行走輪之間的導線近似一條直線。機器人設計最大爬坡角度為15°，機器人行走受力分析圖，如圖7所示。

圖7 機器人行走受力分析簡圖Fig.7 Robot Walking Force Analysis Diagram

由圖7可知

整理得

當導線傾角θ=15°時，

由上述分析可知，絕緣皮與絕緣包裹機器人行走輪之間的動摩擦因數大于0.27時，機器人上、下坡時有足夠的牽引力和制動力。

2.6 工作流程

絕緣包裹機器人的工作流程大體分為三個階段：包裹準備階段、包裹階段、包裹結束階段。準備階段需要各個機構運動到初始位置，將絕緣皮經機架頂部的導向機構引入送料機構，經行走機構后卡入進料支撐機構內；工人使用絕緣支撐桿支撐包裹機器人完成機器人的上線、下線。包裹機器人詳細工作流程圖，如圖8所示。

圖8 機器人工作流程圖Fig.8 Robot Flow

3 實驗結果

經樣機制作與現場試驗，總結絕緣包裹機器人的主要技術指標，如表1所示。

表1 技術指標Tab.1 Technical Index

針對包裹機器人的包裹效率和爬坡能力，在模擬線路和實際線路上做了大量實驗，實驗結果表明，采用雙輪驅動方式為機器人提供了足夠的驅動力，行走輪與絕緣皮動摩擦系數為0.48大于0.27，最大爬坡角度超過設計要求最大角度15°；驅動輪采用V型結構能夠適應不同的線徑；絕緣皮能夠與扣合機構適配實現為裸導線包裹的功能；各機構電機轉速之間保持一定的線性關系實現機器人以5m/min的速度包裹；機器人整機的重心配在下方懸掛的填料盒中，有效避免了機器人在遇到大風情況下傾覆脫線的發生。

實驗表明，機器人運行正常，具備較好的包裹能力。為機器人樣機、驗測試及實驗結果圖，如圖9（a～d）所示。

圖9 機器人實物、實驗測試及實驗結果Fig.9 Real Robot、Experimental Test and Results

4 結論

本研究提出一款配電線路絕緣包裹機器人，用于覆蓋裸露導線。該機器人結構簡單、體積小、重量輕，與現有的電力機器人相比更具有應用價值。機器人具有以下功能：（1）實現包裹裸露導線；（2）包裹故障的絕緣導線，如熔化的電線和腐蝕。實驗表明，所開發的機器人系統是一款有效的配電線路絕緣包裹裝置。本文的主要貢獻在于：（1）設計了一個用于架空配電線路絕緣包裹的輪式移動機器人；（2）提出了一種架空導線包裹的新思路；（3）開發了實驗室規模的工作樣機。