大坡度雙分裂導線高空自走平臺的研制與應用

鐘明亮 詹禹曦 李自步 楊進翔 白俊平 馬小云 王伊 楊廷學 王峰飛 申紅新

【摘要】為了滿足輸電線路大坡度特殊段的高空檢修行走的便捷，需要有一個平臺能夠把人員輸送到指定檢修段。本文設計研制了一種新型自走式高空檢修平臺。根據現場導線的坡度，可以有效調節動力輪與導線的摩擦阻尼，安全行走在高度陡坡段，并有效通過間隔棒、壓接管等障礙物。對高空平臺的關鍵部件進了動力荷載試驗、安全承載試驗、整平臺工作空間校核。結果表明，本文設計的自走平臺在本體強度、工作性能都滿足色劑要求，適用輸電線路特殊段檢修應用。

【關鍵詞】新型自走式高空檢修平臺的設計；研制與應用

1、引言

隨著電網的迅速發展，標準化要求的逐步提高。輸電線路驗收、檢修作業對人員的數量、安全要求更高。導線檢修是高空作業過程中的一項重要工作，加強加大導線檢修的工作便利、提高檢修工作效率和安全防護是亟待解決的重要問題。目前在導線檢修環境，一方面是采用的人走方式；一方面是采用的飛車行走方式。這些方式都存在很大的安全隱患和工作效率問題，尤其一些坡度較陡的線路段沒辦法輕松順利到達工作點。為此，針對現有的作業器具還有作業環境，我們團隊展開研究，研發高空自走平臺作業方式，解決陡坡線路故障點檢修問題，降低檢修工作負荷，實現可多人、安全、快速、可靠檢修。

2、現有飛車、平臺分析

目前國內外飛車一般動力有采用人力、電力、引擎等幾種方式，但是，無論采取哪一種動力，由于動力輪與導線的摩擦接觸面有限（如圖1示），造成了現有的飛車平臺最大的爬坡不會超過35°坡。國內的人力飛車最大的爬坡設計是25°，電動飛車最大的爬坡設計是20°，相對45°的導線坡度，可應用性為零。國外有引擎類平臺（如德國ZECK的），設計的最大爬坡可以達到35°，但是本體重量超過了160kg，如果是施工現場還好說，但是針對線路的檢修，要把這么重的一個平臺搬到山里現場并吊裝在線路上，這個可應用性也基本上為零。

所以，針對國內外現有的飛車、平臺結構的研究分析，我們必須要針對導線與動力輪之間摩擦力效用做出研究分析，設計一個合理的結構，使得在導線坡度達到45°或以上的時候，我們的工作平臺也不會出現在導線上打滑的現象，以保障高空作業的安全。

3、導線在45°破時，動力輪的摩擦效用研究與分析

3.1動力輪的選材與設計

動力輪作為整個平臺的主要動力與支撐部件，針對受力分析時，它需要帶有一定的強度和韌性，起到的效用與汽車的輪胎基本上一樣。同時，考慮到平臺整體的輕巧性，選擇高強12#航空鋁合金作為主體材質比較合適，根據常規導線規格（240-400mm2）作為參考依據，并且考慮到導線的接續管，輪子的槽寬設計應該大于等于48mm。另外，導線材質是鋁質，考慮到磨損問題，動力輪的槽內必須要有柔性材料（如橡膠），不然動力輪與導線進行摩擦，會損傷導線。該柔性材料的選擇才是重中之重，它關系到動力輪的耐用性及有限接觸面積的情況下，摩擦效用的最大化。

實驗選擇了4種常規材料（丁腈橡膠、MC尼龍、聚胺脂、鐵氟龍）作為輪槽壓膠進行了模擬試驗，其中丁腈橡膠的摩擦效用最好，但是太軟不耐磨，于是在這個材料的基礎上，我們重新加入了無紡耐磨砂布，加強了它的耐磨性，在不考慮美觀的情況下，我們基本上優先選它。聚氨酯的通透性相對美觀一些，在不添加砂布的情況下，可以保障良好的耐磨性，并且在摩擦效用上僅排在丁腈橡膠之后，該材料也可以考慮作為備選。

另外，動力輪要過間隔棒，我們在其內側采用了花型設計，當動力輪遇到間隔棒的時候，不至于攀爬不過而打滑。

同時，還有一個因素與動力輪組相關……平臺行走的速度與動力輪的底徑成正比。我們正常人的地面行走速度為3-4kg/h左右，高空行走為了保證安全，我們設定的最大速度為2-3km/h之間比較合適，為了防止反轉，我們選定了20：1的蝸輪蝸桿減速箱（經試驗，15：1的減速箱在加載300kg的時候，出現反轉現象）；匹配電機0-3000RPM可調（3000RPM為額定轉速，輸出的扭矩值最大），那么我們的主動輪的底徑R不宜過大，也不宜過小。

最大時速V=πR*3000*60/20

考慮到輪徑過大會造成動力輪太大，整體會太笨重，以及正常飛車在天空的行走速度，我們最終選擇底徑為80mm，空中的最大時速為2.26km/h。（最終可以根據動力軸上的鏈輪齒數差，來增大最大實際行駛速度。）

3.2摩擦效用與壓緊力及坡度關系分析

我們所承受的摩擦力應為滾動摩擦力，滾動摩擦力的計算公式如下：

滾動摩擦力=正壓力*滾動摩擦系數

導線的接觸面本身并不會發生形變，而動力輪槽發生形變時，在正壓力作用下，接觸面的摩擦力增大而不會移位，所有動力輪的滾動實質為變形后的翻轉，但支點O′在往前移。同理，此時重力G與支持力N的力偶矩為物體滾動的阻力矩，且M阻=Nδ。然后，隨著坡度的增加，滾動摩擦力相應承載重力G的值相應增大，在接觸面不變的情況下，增大中心傳動軸的點扭矩，改變不了動力輪整體下滑的趨勢，所以只有增大動力輪與導線之間的正壓力來提高滾動摩擦力。

由于計算滾動摩擦力相對復雜，我們做了一個45°坡導線模擬現場，根據設計的理論重量及馬達提供的轉扭力來測試正壓力與承載范圍的極限。我們發現，在坡度保持在45°不變的情況下，隨著承載重量的增加，需要的正壓力也需要增加，同時對馬達的轉扭力需求也在增加，具體的測試數據近似值如下（選定的分別是丁腈橡膠和聚氨酯）：

根據表1數據分析，我們需要馬達的轉扭力值至少為2.4N.m，也就是馬達在48V電源的情況下，功率不能低于780W，考慮30%的功率盈余，功率在1100W左右為合適。且馬達輸出軸直徑不要低于19mm。

同時，我們也統計了在選定的馬達情況下，用最大可承受的正壓力設定值，我們模擬測試了承載重量與最大坡度的關系：

4、續航與安全控制研究設計

4.1持航

根據采用的電機功率1.1kW，為了便于野外作業，只能匹配直流電源。同時，供電電壓越高，電路負荷的電流就越低，但是，電壓過高，就會導致電源本體過大過重。綜合匹配，我們優選48VDC。

I=W/U。（下轉第頁）

（上接第頁）

電源工作時間h=C/I

根據以上公式，我們在滿負荷的情況下，電源的電容量不能小于22.92Ah。由于電機不可能處于常態滿負荷，我們以60%滿負荷作為平均常態，那么一個小時的耗電量為13.75Ah，那么我們設定電源的電容量為30Ah48VDC，這樣可以保障電機常態持續運行約2個小時，后備1個26Ah48VDC電源，那么可以保障4個小時的常態持續運行。如果線路比較平緩，平均常態負載將連60%都不夠，運行時間也將超過4小時。就算100%滿負載，也可以保障電機持續運行3個小時以上。

4.2安全控制

根據飛車的剎車原理，飛車的剎車采取的剎車方式其實和陸地上的自行車是一樣的方式，是針對輪子鎖死。由于工作平臺采用的電動馬達加歐輪蝸桿減速機作為主傳動結構，本身便具有防逆向傳動能力（只能從馬達方向傳動主動輪，主動輪不能傳動馬達），也就是說檢修平臺不存在飛車輪子逆走的情況（在大坡度時輪子在導線上打滑通過耦合擠壓方式解決了輪子打滑的問題，小坡度不會打滑，耦合擠壓方式同樣可以作為保障方式）。

另外，平臺下掛裝置與行走裝置采用外包方式連接，在導線外側形成一個閉合圈，不會出現從高空掉落的情況。同時，動力輪采用內側低外側高的設計方式，極大避免了行走裝置脫線的情況。

5、自重與安全可承載研究設計

5.1自重研究

為了野外的檢修工作的方便，在達到目標效果的前提下，本體重量當然是越輕越好，根據各種金屬的屬性，及機械性能、安全承載等因素分析，在不同的部件選用的主體材質都將不一樣。（6063#密度2.72X103kg/m3，12#及7075密度2.81X103kg/m3）

行走裝置：

馬達：銅線芯、鋁合金外殼 X1

變速箱：40Cr調制蝸輪蝸桿、鋁合金外殼X1

傳動軸：40Cr調制鋼X3

鏈條鏈輪：工業級12.5 X3

搭載臺板：12#航空鋁合金+承力筋（氧化加強）X2

龍骨角鋁：6063航空鋁合金50*25*5（氧化加強）X1

主動輪：12#航空鋁合金+丁腈橡膠（氧化加強）X4

軸座：12#航空鋁合金（氧化加強）X6

耦合壓緊裝置：鋁合金光軌+45C鋼螺紋棘輪軸X2

外殼：1mm鋁合金X1

下掛裝置：

筐子：6063#航空鋁合金（氧化加強）X1

筐子底板：6063#3mm防滑鋁合金打孔板X1

連接板：12#航空鋁合金（氧化加強）X4

固定連接桿：12#鋁合金空心管（氧化加強）X2

棘輪裝置：45C鋼 +8mm鋼絲繩 X2

5.2可安全承載試驗

參考DL/T636-2006標準，我們的安全承載靜負荷系數需要達到2.5倍以上，動負荷系數需達到1.5倍以上。也就是說，我們在45°坡的靜荷載500kg的情況下不打滑，動載300kg能正常行走。動負載在前面的動力和摩擦力狀態分析已經得到解決。只要保證45度坡度的情況下，只要能保障500kg靜載不滑動，即為安全試驗通過。

6、結束語

本平臺可以廣泛應用于水平雙分裂輸電線路的施工與檢修工作中，尤其體現在西北等多山區地帶，有效的解決了高坡度施工、檢修人員的安全及便捷性問題。存在極大的市場推廣價值。