牽引變電站帶電水沖洗機器人設計

， 　， 　， ， ，(. 西南交通大學 機械工程學院， 四川 成都　6003； . 朔黃鐵路發展有限責任公司， 河北 肅寧 06350)

引言

牽引變電站擔負著整個鐵路系統的用電安全，電氣化鐵路沿線牽引變電站污穢閃絡事故卻時有發生，已經成為電氣化鐵路的一大公害。為了避免污閃事故的發生，應對絕緣子進行清掃作業。現在很多供電段都已經采用了帶電水沖洗來代替傳統的人工清掃作業，提高了工作效率，降低了勞動強度，保證了鐵路運輸組織作業正常運行[1,2]。

但是由于經驗、技術和環境等因素，工作人員不能對影響水沖洗安全的每個因素進行準確的判斷，因此導致了許多事故的發生。所以為了保證工作人員的人身安全，針對110 kV牽引變電站，設計開發出一種新型的履帶式帶電水沖洗機器人。能夠通過遠程控制，完成大部分的水沖洗作業[3-6]。

1　總體設計方案

整個系統主要由輪式車輛平臺、2臺履帶式水沖洗機器人組成。輪式車輛平臺負責將水沖洗機器人等配套設備運送至牽引變電站內。再由工作人員將機器人從車上搬下，進行水沖洗作業。

1.1　輪式車輛平臺

輪式車輛平臺上搭載有柴油發電機、電動機、離心水泵、水箱等水沖洗的配套裝置[7]。平臺的動力由柴油發電機提供。柴油發電機為電動機供電繼而驅動水泵。水泵通過水壓系統向2臺水沖洗機器人供水。

水壓系統主要由離心泵、分流閥、電磁開關閥以及溢流閥等組成(圖1)。通過變頻器調節發電機的轉速進而調節離心泵流量和揚程來滿足不同沖洗要求。溢流閥來保證水壓系統的安全運行，通過控制電磁開關閥實現非工作狀態下的系統卸荷。從泵出來的水經過分流閥后均勻的輸送給兩臺機器人使用，并能夠通過兩個電磁開關閥單獨控制通斷。

圖1　水壓系統工作原理圖

1.2　水沖洗機器人

水沖洗機器人分為工作和行走兩大部分。工作部分要完成旋轉和俯仰動作[8]，結構如圖2所示。履帶式底盤具有道路適應性強，轉彎半徑小等優點，作為工作部分的載體，實現工作部分在場地內的移動。沖洗工藝選擇雙槍跟蹤法，兩臺水沖洗機器人協調作業。

圖2　工作部分結構

旋轉動作：控制下部旋轉伺服電機，通過齒輪傳動使旋轉支撐轉動，帶動其上的中間支架以及上支架的同步轉動，安裝在自制旋轉支撐上的噴槍也隨之轉動。

俯仰動作：控制上部俯仰伺服電機，而后經過減速增矩后帶動自制旋轉接頭轉動，從而實現噴槍的俯仰動作。由于采用了具有自鎖的蝸輪蝸桿傳動形式，在斷電時，噴槍能夠停止在工作位置。

水壓系統供應的水從下圖管道流入圖中下部軟管中，通過旋轉接頭進入上部金屬軟管，再流入自制旋轉接頭，最后通過噴槍噴出。

2　機器人關鍵部件設計

2.1　噴嘴設計

噴嘴是整個設計中很重要的一個部件，噴嘴的優劣直接影響到水沖洗的效果。分析比較幾種類型的噴嘴的結構和性能特點，最終選取圓柱形噴嘴。它具有高的水柱射程和水流密集度，水流不易散花，能夠有效地除去絕緣子表面的污垢。設計的噴嘴結構如圖3所示。

圖3　噴嘴結構圖

取進口壓力為1 MPa，出口直徑選擇中沖洗4 mm。出口速度約為44.7 m/s，反沖力大小約為25 N，流量為33.6 L/min。

使用流體仿真軟件對噴嘴性能進行計算，從得出的結果中可以看出：出口最大速度為44.7 m/s(如圖4)，流量為32.4 L/min，與理論計算結果對應，說明計算模型建立正確[9，10]。

圖4　噴嘴出口處速度云圖

現行電力設備帶電水沖洗導則中規定沖洗110 kV 時水柱長度不得小于3 m。保持一定的水柱長度是保證帶電水沖洗時人身安全的必要條件[11]。同時，為了具有較好的沖洗能力，水柱在此距離外還應具有一定的打擊力。而這些都在仿真結果中都有體現，從圖5不同位置處垂直于軸線流體速度分布曲線中，可以看到，在水柱直徑0.2 m處水流速度仍有4.6 m/s，能夠滿足水沖洗的去污要求。

圖5　距噴嘴4 m、5 m和6 m時垂直于軸線流體速度分布曲線

2.2　旋轉接頭設計

由于機器人要完成旋轉和俯仰動作，如果在兩個機構的重合部分不使用旋轉接頭，那么連接到旋轉軸上的水管就會不斷地被動彎曲，容易造成疲勞破壞，影響正常的生產作業。其性能的優劣對整個系統的長期可靠工作至關重要。

然而市面上沒有能夠直接滿足工作要求的旋轉接頭，所以在此處就自行設計了一種旋轉接頭，結構如圖6所示。旋轉接頭采用通軸形式，避免在接口處形成簡支軸同時，采用金屬軟管連接入流口，防止旋轉部分承受扭矩，造成疲勞破壞，保證旋轉接頭的密封性能，延長其工作壽命[12]。

圖6　自制旋轉接頭結構

3　機器人總體參數計算

(1) 重量：為了使沖洗機器人在工作時能夠保持靜止，在不增加結構復雜程度的情況下，依靠其自身與地面摩擦力來克服機器人的運動，這就對重量就有一定的要求。整臺機器人(包括地盤)的重量約為40 kg；

(2) 尺寸：在能夠滿足重量要求得前提下，盡量減小尺寸，方便車上放置以及人員搬運。最終尺寸定為 800 mm×600 mm×800 mm；

(3) 運行速度：因為運行場地道路狹窄，運行速度不宜過大，考慮到現場工作情況，選定運行速度為1 m/s；

(4) 轉彎半徑：底盤驅動采用兩個普通交流電機，前后布置，為差速轉向，理論轉向半徑為0，并且地盤長度尺寸較小，滿足現場作業道路要求；

(5) 轉角范圍：考慮到水沖洗準則要求水平和垂直沖洗角度都應小于45°。為了增加噴射范圍和操作靈活性，工作部分可以做360°回轉以及20°～90°的俯仰；

(6) 水管管徑：參照水在管道內流速常用值，應用場合為泵出口時，平均流速推薦值為1.0～3.0 m/s，現選取2.5 m/s。所以管徑選擇19 mm的夾布膠管。

4　結論

履帶式帶水沖洗機器人針對110 kV鐵路牽引變電站，嚴格按照電力設備帶電水沖洗導則進行設計。同時，使用了計算機仿真軟件予以輔助設計?？梢酝ㄟ^控制其俯仰和旋轉動作以及兩臺機器人之間的協調作業，實現多種水沖洗動作。能夠提高水沖洗作業的智能化程度和安全性能。

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