架空裸導線涂覆機器人作業關鍵因素分析及其參數優化

陳水勝，楊博 ，蔡志國，陳俊，王君

(1.湖北工業大學機械工程學院，湖北武漢430068；2.武漢華儀智能設備有限公司，湖北武漢430100)

0 前言

架空線路作為配電網的主要組成部分，是我國電力傳輸的主要形式。架空線路覆蓋廣闊，輸電距離長。其安全穩定運行與配電網的安全可靠息息相關[1]。市區配電網線路往往穿越人口密集區域，市郊、山區等地區的架空裸導線經常會跨越池塘、植被及村落等區域。因為裸導線及破損導線直接或間接造成的人員傷亡、森林火災等事故時有發生。傳統的絕緣處理方法為在停電情況下，人工懸掛在電線桿上直接更換絕緣電纜[2-3]或進行絕緣護套包覆處理[4]。這種采用人工的方式效率極低，而且作業人員安全性得不到保障。因此，研發先進的裸導線絕緣化技術及裝備顯得尤為重要。

機器人是可以代替人工的智能化裝置，也是我國研究的重要領域。現有機器人絕緣處理裸導線的方式主要分為3種：包裹式機器人、纏繞式機器人及涂覆式機器人。纏繞式機器人需對纏繞后的絕緣帶進行加熱收縮，加熱過程可能會影響導線性能[5]。包裹式機器人電工膠布安裝不牢固，需要人工上線安裝[6]，且膠布卷材體積過大，運行中易觸碰其他導線而引起事故。涂覆式機器人主要采用絕緣涂料進行帶電作業，可以利用小體積料筒實現長距離絕緣處理功能，但存在漏膠缺膠問題，影響涂覆質量[7-8]。

針對以上問題，本文作者設計一種輕型架空線路絕緣涂覆機器人并分析其注膠系統。將注膠系統結構及注膠壓力作為變量，設計注膠系統正交仿真試驗。使用極差分析法分析多因素作用下的注膠模出口流體速度、注膠流體速度穩定性及膠管出口壓力的影響程度和變化形勢，并利用多目標遺傳算法(MOGA)對該問題進行多目標優化求解，獲得能實現較優涂覆效果的注膠系統結構與工作參數。并結合研究所得進行機器人樣機試制，經過機器人行走、涂覆及涂覆后導線耐壓測試[9]，表明機器人運行可靠，涂覆質量良好。

1 涂覆機器人機械結構

該涂覆機器人的機械結構主要由導線行走裝置、涂料注膠系統、機器框架及軟連接四部分組成。機器人主要依靠導線行走裝置實現在架空導線上的移動，裸導線包覆絕緣涂料作業則由涂料注膠系統完成。作業時，涂覆機器人由作業人員乘坐絕緣斗臂車放置安裝于裸導線上，之后作業人員利用遠程遙控的方式控制行走輪運動及噴涂裝置注膠，以實現涂覆作業。涂覆機器人結構如圖1所示。

圖1 涂覆機器人結構

1.1 導線行走裝置

機器人行走裝置采用雙輪獨立驅動，選用體積小巧、定位精度高的伺服一體電機配上大減速比的諧波減速器，能有效驅動行走輪，使機器人在裸導線上運行穩定。電機通過非標連接件與諧波減速器固定，諧波減速器利用螺栓連接安裝于固定板上。行走輪內孔安裝定制套筒，減速器輸出軸與套筒使用鍵連接。行走輪采用V形輪結構，V形輪能適應一定范圍內的不同裸導線線徑，選用聚氨酯材料并做花紋輪面，以增大V形輪與導線之間的摩擦力，提高機器人爬坡運行中防打滑能力[10]。

1.2 涂料注膠系統設計

涂料注膠系統是涂覆機器人的核心結構，由注膠模塊、膠桶、滾珠絲桿螺母副、快插接頭、同步帶及減速直流無刷電機組成，如圖2所示。涂料噴涂裝置參照注射器壓力式供膠原理設計，減速電機固定于中間連接板上，減速電機與絲桿螺母副通過同步帶輪傳動，推桿通過滾珠絲桿上的非標件與螺母副連接。減速電機經同步帶傳動系統帶動絲桿轉動并前后移動，絲桿傳動時帶動推桿推動絕緣膠桶末端的密封活塞，將絕緣膠勻速擠出膠桶口。膠桶口與注膠模之間利用PL、PC快插接頭及注膠管導通，使得絕緣膠能均勻注滿注膠模塊。絕緣膠桶固定于膠桶固定外殼內，用于存儲絕緣膠。

圖2 螺桿注射式結構

1.3 高黏度絕緣注膠模設計

新型的高黏度絕緣注膠模經軟連接與移動車體相連，結構如圖3所示。裸導線從其中心穿過，該注膠模采用兩半對稱機械結構，以便套設在裸導線上。采用鐵氟龍材料注塑加工噴頭內芯、采用光敏樹脂材料3D打印定位芯，鐵氟龍及光敏電阻材料均具有良好的不黏性、絕緣性及潤滑性，確保了絕緣膠在噴涂階段不會粘到注膠模上。注膠模內芯與定位芯之間采用彈簧彈性固定4個均布安裝的卡線定位銷。根據裸導線線徑不同，定位銷彈簧形變量改變，以實現對導線自適應定位。在電力線行走方向，噴頭內腔設計有特定內傾角以刮涂膠料。注膠模經過4根對稱的膠管接頭導入絕緣膠，以實現絕緣膠的均厚和勻速涂覆。

圖3 高黏度絕緣注膠模結構

2 注膠系統優化分析

2.1 數學模型

2.1.1 擠壓流動過程的控制方程

流體擠壓流動滿足質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。

微分法是對質點及空間進行研究的方法，可用于解決復雜的流體流動問題。故以微分形式的三大基本定律作為硫化硅橡膠擠壓流動的控制方程[11]。

2.1.2 基本假設

考慮仿真計算的收斂性問題，對硫化硅橡膠流體的穩態流動提出如下基本假設：

(1)硫化硅橡膠在流域的流動是穩態層流，且環境溫度為恒溫。

(2)硫化硅橡膠在流域的流動不可壓縮。

(3)硫化硅橡膠的黏性很大，忽略重力影響。

2.1.3 本構方程

硫化硅橡膠屬于不可壓縮的非牛頓體，根據相似原則及試驗要求，將硫化硅橡膠取作冪律流體[12]，其公式如下：

τ=k(λγ)n-1

(1)

式中：τ為剪切應力，Pa·s；k為黏稠系數，也稱冪律系數，Pa·s；γ為剪切速率，s-1；λ為松弛時間，s；n為流性指數。

2.2 注膠系統的結構設計

基于注射器式壓力注膠擠出過程中，硫化硅橡膠在注膠桶活塞的恒壓力作用下，以穩定的流率通過膠管注入注膠模中，實現擠出。注膠裝置物理模型如圖4所示。

圖4 注膠裝置物理模型

2.3 正交試驗設計

通過對比膠筒結構尺寸、膠管內徑對注膠性能及膠體流量的影響，選出性能較優的結構，以達到注膠模塊送膠連續、出膠效率高的目的。通過分析噴涂裝置注膠擠出影響因素，主要從3個因素(注膠桶收斂角β、注膠壓力p和膠管內徑d)進行仿真試驗。依據表1進行L9(34)正交試驗設計。其中膠桶入口直徑D、膠桶出口直徑D1和膠桶長度L為常數，D=120 mm，D1=60 mm，L=300 mm。

表1 注膠影響因素水平

2.4 流域仿真試驗

2.4.1 流域網格劃分

繪制9組正交試驗所需的注膠系統模型，對試驗5注膠模型進行網格劃分，由于該模型結構復雜，故采用四面體網格劃分方法。細化注膠系統雙出口網格，流域區域外壁設置膨脹層，以提高仿真精度。模型及網格見圖5。

圖5 注膠系統模型(a)及流域網格(b)

2.4.2 邊界條件設置

依據正交試驗方案，使用Fluent軟件對設計的9種流道模型進行仿真計算。試驗材料選用改良后的室溫固化硫化硅橡膠(RTV)[13]，其相關參數如表2所示。機器人在實際工作中，注膠桶和膠管相對位置保持不變，即相對速度為零，故采用壓力差模型[14]。邊界條件設置入口為壓力入口，壓力值為1.8×105～2.0×105Pa；出口為壓力出口，壓力值為大氣壓。流體為不可壓縮的非牛頓體，設置為層流[15]。流體壁面溫度為室溫，并假設壁面與流體無滑移。

表2 RTV材料相關參數

2.5 仿真分析

2.5.1 仿真結果

正交仿真試驗結果如表3所示，重點以注膠模出口(此出口指壓力出口1)流體速度均值v、速度標準差σ及膠管出口壓力(此出口指膠管出口1)值p1作為研究對象。9組仿真試驗速度場、壓力場分布狀態相似。以試驗5為例，仿真結果見圖6。由圖6(a)可以看出：注膠模流道速度總體穩定，隨流體流向注膠模壓力出口1的沿程速度逐漸提高。由圖6(b)(c)可以看出：因流道壁面流體產生黏性阻力，導致管內流速大于管壁流速。由圖6(d)(e)可以看出：膠管出口壓力穩定，膠管出口1的壓力略大，沿程壓力在膠體流向膠管出口的方向上逐漸減小。

表3 正交仿真試驗結果

圖6 試驗5仿真結果

2.5.2 極差分析

極差分析法是一種操作性強、具有主觀性的分析方法。通過計算R值來判斷因素的優劣情況，同時還可判斷某因素時的最佳水平情況，從而得到理想組合。

計算公式如下：

(2)

(3)

2.5.2.1 注膠模出口流體速度分析

由公式(2)(3)計算獲得注膠模出口流體平均速度的極差分析結果，見表4。可得：膠管內徑對出口流體速度均值影響顯著，膠管內徑與出口速度均值成正比關系。分析可得：相同壓差情況下，由于硫化硅橡膠為不可壓縮流體且黏度較大，管壁周圍對流體有黏性阻力，導致管壁流速低于管內速度，從而使平均速度降低。管徑越大，黏性阻力影響越小，平均流速越大。但考慮到膠管制造的工藝性，膠管內徑不能超過12 mm。

表4 注膠模出口流體速度均值極差分析結果

2.5.2.2 注膠模出口流體速度標準差值分析

同理，可得注膠模出口流體速度標準差值的極差分析結果，見表5。可得：與其他因子相比，膠管內徑對出口速度標準差值具有明顯影響，隨著膠管內徑的增大，出口速度標準差值也隨之增大。說明較小的管徑有利于流體穩定流動，但考慮到膠管的制造工藝性，膠管內徑不能小于4 mm。同時，其他因子對注膠模出口流體速度標準差值沒有顯著影響。

表5 注膠模出口速度標準差值極差分析結果

2.5.2.3 膠管出口壓力分析

同理，可得膠管出口壓力的極差分析表，見表6。可得：三因子對膠管出口壓力具有不同程度的影響，影響程度由大到小依次為注膠壓力、注膠桶收斂角、膠管內徑。當注膠壓力上升時，膠管出口壓力也上升。考慮到壓力越大流體更易從膠管擠出至注膠模，故盡可能選擇較大的注膠壓力。

表6 膠管出口壓力極差分析結果

通過以上分析可知，試驗因素對注膠模出口流體速度均值、速度方差及膠管出口平均壓力的影響程度各異。綜合考慮，將優化指標選為較高注膠模出口流體流速(v≤50 mm/s)和膠管出口壓力、較低速度標準差值，通過MOGA算法進行優化求解。

3 基于多目標遺傳算法的優化設計

3.1 多目標遺傳算法原理

多目標遺傳算法(MOGA)具有全局搜索性，收斂速度快，可解得一系列的帕雷托解，并非是單一解。多目標遺傳算法運算流程[16]如圖7所示。

圖7 MOGA算法流程

3.2 優化方法

多目標優化問題是現實各個領域中普遍常見的問題，各目標相互限制，不可能同時達到最優。傳統多目標優化算法在尋優過程中往往會陷入局部最優解，故結合具有全局搜索能力的遺傳算法進行求解，可以得出各指標相對具有優勢的解集。定義多目標優化問題如式(4)(5)所示：

minF(x)=[f1(x),f2(x),…,fm(x)]Tx∈Rn

(4)

s.t.hi(x)≤0i=1,2,…,q

(5)

式中：x=[x1，x2，…，xn] ∈Rn，為n維歐氏設計變量；F(x)為n維目標函數；fi(x)為適應度函數，i=1，2，…，m，m∈R+；hi≤0為第i個約束條件；q為約束個數。

3.3 建立適應度函數

建立遺傳算法適應度函數對多目標優化問題進行求解計算[17]。試驗中優化指標為注膠模出口流體速度均值、速度標準差及膠管出口平均壓力，并使用MATLAB軟件對9組試驗數據進行多項式擬合分析。為獲得良好擬合程度的回歸方程，將多項式最高次項設置為3次[18]，從而分別得到β、p和d的3個回歸方程。

建立注膠模出口流體速度均值回歸模型：

v=90.128 1+4.728 5β-82.788 9p-0.965 1βd-

0.000 218 64β3+2.703 2p2d+0.04βd2+0.050 4βpd

使用聯合假設檢驗法對回歸方程進行檢驗，F0.1(7,1)=2.24×103，大于臨界值F0.1(7,1)=58.906，回歸方程可用。

建立注膠模出口流體速度標準差值回歸模型：

σ=4.152 7+0.259 2β-4.448 5p-0.053 9βd-

0.000 010 56β3+0.149 1p2d+0.002 5βd2+0.002 4βpd

使用聯合假設檢驗法對回歸方程進行檢驗，F0.1(7,1)=1.307×105，大于臨界值F0.1(7,1)=58.906，回歸方程可用。

建立膠管出口壓力回歸模型：

p=105.542 1+0.178 5β-4.113 7p-0.018 9βd+

0.000 049 52β3+0.163 5p2d+0.000 505 7βd2-0.005 8βpd

使用聯合假設檢驗法對回歸方程進行檢驗，F0.1(7,1)=253.98，大于臨界值F0.1(7,1)=58.906，回歸方程可用。

3.4 目標函數

建立自變量優化模型矢量表達式如式(6)所示，自變量為注膠桶收斂角β、注膠壓力p和膠管內徑d。

x=[β，p，d]T=[x1，x2，x3]T

(6)

令注膠模出口流體速度、速度標準差、膠管出口壓力回歸方程分別為y1(x)、y2(x)和y3(x)，優指標選用較大的注膠模出口流體速度、膠管出口壓力和較小的注膠模出口流體速度標準差，使用最小值求解法。使注膠模出口流體速度、膠管出口壓力取最大值，即min(-y1(x))、min(-y3(x))。使注膠模出口流體速度標準差取最小值，即miny2(x)。目標優化函數如式(7)所示：

minf(x)=[-y1(x)，y2(x)，-y3(x)]T

(7)

3.5 約束條件

基于正交試驗參數的選取范圍對自變量x1、x2、x3取值范圍進行約束，注膠桶收斂角范圍如式(8)所示，注膠壓力范圍如式(9)所示，膠管內徑范圍如式(10)所示：

(8)

(9)

(10)

故自變量x1、x2、x3取值邊界約束條件如式(11)所示：

h(x)=[h1(x),h2(x),h3(x)]T

(11)

綜上，求解注膠系統結構多目標優化問題的模型為

(12)

3.6 求解最優解集

根據注膠系統設計要求，確定注膠系統結構及工作參數取值范圍如式(13)所示。使用MATLAB軟件調用多目標遺傳算法函數文件進行求解，所得Pareto前端最優解集如圖8所示。

(13)

圖8 Pareto前端最優解集

3.7 優選結果

分析結果可得：注膠模出口流體速度均值與膠管出口壓力成正比；速度標準差隨注膠膜出口流體速度增大而增大，當速度大于52.25 mm/s時趨近于同一值。為解決注膠模漏膠缺膠問題，應優先考慮較大出口速度。故解集優選參數為注膠桶收斂角22°～23°、膠管內徑12 mm、注膠壓力(1.9～1.95)×105Pa。表7中列舉了上述優選參數的仿真計算結果。可知：(1)膠管出口壓力處于較高水平，說明膠管內流體有較好的流動性，有利于膠體擠出進入注膠模；(2)注膠模出口流體速度處于較高水平，保證了在涂覆過程中流體不會擠出注膠模影響涂層厚度，提高了涂覆質量；(3)注膠模出口流體速度標準差處于較低水平，說明流體具有良好的穩定性，提高了涂覆精度。

4 樣機運行情況

選取上述注膠系統結構及推桿壓力，制作樣機并進行現場試驗，總結絕緣涂覆機器人的主要技術指標，如表8所示。

表8 技術指標

針對涂覆機器人涂覆效果和行走能力，在模擬線路和實際線路上進行試驗，并對涂覆后電纜進行耐壓試驗。試驗結果表明：采用雙輪驅動方式為機器人提供了足夠的動力，機器人行走過程穩定；考慮制作工藝及工況需求，采用注膠收斂角約23°、注膠壓力約1.925×105Pa和12 mm線徑的注膠系統結構，涂覆過程中注膠模未出現漏膠和缺膠的情況，涂覆效果良好；行走輪采用V形輪結構，能適應不同線徑；各機構電機轉速適配，維持一定的線性關系，使涂覆機器人行走速度達到3 m/min；兩個膠桶對稱放置于機器人底部，保證機器人重心穩定，有效避免機器人在大風情況下發生傾覆。涂覆后電纜在45 kV直流耐壓試驗中，1 min內未發現擊穿現象，滿足GB/T 34577—2017標準要求。機器人樣機行走和電纜涂覆后耐壓試驗如圖9所示。

圖9 樣機試驗

5 結論

本文作者設計一種輕型絕緣涂覆機器人，用于覆蓋架空裸導線。并利用ANSYS Fluent軟件，對機器人注膠系統進行流域正交仿真試驗。以提高涂覆質量和注膠模內黏性流體流動性為目標，以注膠桶收斂角、注膠壓力與膠管內徑為試驗變量，并以較小的注膠模出口流體速度標準差和較大的膠管出口壓力、注膠模出口流體速度均值為優化指標，通過對比流域云圖，得出注膠系統壓力場、速度場的分布趨勢。并對比流場仿真數據，得出以下結論：

對正交仿真試驗結果進行極差分析，得到每個指標在不同因素作用下的變化趨勢。其中，注膠壓力是膠管出口壓力均值最顯著的影響因子。注膠模出口流體速度均值、標準差最顯著的影響因子是膠管直徑。

基于多目標遺傳算法對注膠系統結構進行多目標優化求解，并考慮注膠系統實際的工藝性，得出在注膠桶收斂角22°～23°、膠管內徑12 mm、注膠壓力(1.9～1.95)×105Pa的情況下，注膠系統工作性能較優。

最后依據上述較優注膠系統結構參數進行樣機制作，并進行模擬線路及實際線路的試驗，試驗結果表明樣機運行及涂覆性能良好。