便攜式電動收繩器的研制

新疆送變電有限公司 王 伊 牛 偉

近年來，隨著輸電線路運維長度的不斷增加，線路高空檢修作業量也不斷增加。其中，繩索是檢修中必不可少的工具之一。工作結束后，作業人員需要花費大量的時間需要進行繩索收納，無形增加了工作人員勞動量。目前繩索的收納主要以人工收納為主，其主要使用流程如圖1所示。

圖1 繩索使用流程圖

由表1可知，單次檢修作業繩索平均使用時間為50.7min，其中梳理繩索和繩索收納占比（繩索收納28.62/53.24≈54%+梳理繩索17.3/53.24≈32%）為86%。因此，需要研制一款繩索收納工具，該工具由電池驅動，不僅便于攜帶，在繩索收納時不出現打結現象，使檢修作業繩索收納時長大幅度降低。

表1 繩索收納用時統計占比圖

1 材質選擇與測試

圍繞本次創新需求，集合課題內容及借鑒思路，充分發揮主觀能動性，查找相關資料，收集信息，運用“頭腦風暴法”提出了如圖2所示的便攜式收繩工具方案。

圖2 裝置結構設計示意圖

1.1 整體材質選擇

收繩器的外觀、材質是關乎機器整體安全性能的重要因素，研究小組通過市場調研及網絡文獻查閱，依據熔點≥200℃，密度≤1.20g/cm3，拉繩強度≥5MPa三個選擇條件，通過對常用的PLA材質、PC材質、ABS材質三種材料，分別取直徑1.75mm，長度50mm材料作為試驗原料，對其進行拉伸強度試驗見表2。

表2 PLA材質、PC材質、ABS材質拉力試驗

經試驗可知，利用拉伸強度公式（拉伸強度（MPa）=力（N）/截面積（mm2））可知，PC材料的拉繩強度為（26.95N/1.75mm2）8.81MPa，PC材料可承受拉力最高26.95N。此外，其最高熔點為220℃，密度為1.20g/cm3，故選擇了PC材質作為整體外殼。

1.2 驅動板選擇

驅動板作為整個機器的“大腦”，其控制著機器運轉的速率及穩定性，小組成員對電商平臺銷量較好的三款型號進行了對比分析，從功率≥300W，響應速度≥10MIPS，工作溫度≤20℃三個方面作為選擇條件（見表3）。

表3 驅動板選擇

通過耐受電壓，額定功率、響應速度、負載能力扥等方面比對、測試，最終選擇小鋼炮16.8V鋰電鉆控制板。

1.3 開關選擇

開關是將物理信號轉換為電信號的媒介，不同的控制方式其控制精度也略不相同，小組成員對手電鉆中常用的幾款開關進行對比分析，通過控制電壓為16.8V，額定電流≥15A，調速范圍1%～99%區間任意調速，選擇了2106/169開關，其支持電壓9～24V，調速方式為PWM任意調速。

1.4 電源選擇

電源用于為整套系統提供電量輸出，為了保證機械動力的穩定輸出。小組通過市場調研，初選鎳氫電芯和鋰電池方案，并對其進行對比分析單節容量≥2000mAh，循環壽命≥500次，放電持續時間≥5h。經試驗，采用恒流放電的方式，在環境溫度約為25℃，終止電壓為0.5V時，鎳氫電池的電壓隨著的電池的使用內部的電壓是一直在逐漸下降的，整個過程中，鎳氫電池持續約4小時58分，鋰電池持續約5小時19分，由此可見，鋰電池綜合性能高于鎳氫電池，因此小組選用鋰電池。

1.5 電機類型選擇

通過比對，選用無刷電機，其重量為190g，發出噪聲為12～22dB，使用壽命達7～10年。并經測試，無刷電機轉換效率最高可達89.08%。

電機型號選擇：根據需求，設計動力輪直徑為35mm，C輪=3.14×35=109.9mm，依據作業目標5min內盤整完150m繩索，傳送輪需要轉：150000 mm/109.9mm=1819.9（r/min）。為使機械擁有更大的扭矩，初選3：1作為參考比例。

1.6 傳遞機構選擇

傳遞機構之間的咬合情況是衡量作業質量的標準之一，小組提出三點咬合結構，并對其進行分析繩索脫出率≤5%，接觸面積≥75%。經過在三點式機械結構測試中得出，可以在不同張緊力及不同繩索直徑下穩定輸出且脫出率小，因此本文選用三點式結構（如圖3所示）。

圖3 三點式結構傳遞結構

2 研究項目測試應用與效益

2.1 項目測試

小組對組裝完成后對機器整體性能進行測試。總體測試其穩定性、安全性、便捷性，以及體積、質量和繩索是否脫出等情況。測試中，機器在平均5min內完成繩索的收納工作，且機器整體運行平穩，收納過程中未出現繩索脫出現象，且外觀無明顯形變及裂紋，該研制滿足預期要求（見表4）。

表4 繩索脫出試驗測試數據

2.2 現場應用

2022年10月，小組在750kV伊庫一線及220kV皇林線進行應用試驗，對繩索使用后的收納進行試驗，試驗結果見表5。結論：經過現場實驗及圖表分析，使用便攜式電動收繩工具收繩索的時間平均為4.5min，相較于傳統收繩方式收納時間大幅度縮短，達到本次課題設定目標值。

表5 試驗數據統計表

2.3 其他效益

經濟效益：2022年4～8月，北疆運檢分公司開展檢修82條·次，使用繩索的檢修61條·次。使用便攜式電動收繩器完成收繩工作平均需要4.5min，人工完成收繩工作平均需要50.7min。作業小組平均按5人/組計算，人工60元/h，所用車輛按450元/天/輛計算，誤餐費50元/天/人，計算過程如下：約人工成本=（50.7min-4.5min）/60min×61條×60元/h=2818.2元；節約車輛費用=（50.7min-4.5min）/60min×61條/8h×450元/天=2642.1元；節約誤餐費=（50.7min-4.5min）/60min×61條/8h×50元/天=293.6元；經濟效益總計=人工成本+車輛費用+誤餐費=2818.2元+2642.11元+293.6元=5753.91元。

安全效益：該項目的實施，減輕了人員的作業強度，保障人員的作業安全。通過采用新材料和新技術，降低了工器具的重量和作業的復雜程度，確保了特高壓運行維護人員的作業安全；社會效益：通過運用非電力行業的前沿技術，實現特高壓電網運行專用工器具的研究要求，解決了運維技術發展的瓶頸制約，促進了電網運行維護的科技水平。

綜上，便攜式電動收繩器的研制，根據檢修現場的需求，從根本問題出發，在功能上滿足高空檢修時繩索收納的實際需求，在安全性、實用性、便攜性指標滿足行業規定和現場工作要求。填補了高空檢修作業時無法在短時間內完成繩索收納的市場空白，減輕現場作業人員的勞動強度，有效提高了現場工作效率，全面提升檢修作業的工作水平。