輸電線路檢修用物料輸送裝置研究

衛曉東，梅 佳，熊 鵬，劉 達，周立民，王志軍

(北京國網富達科技發展有限責任公司，北京 100070)

0 引言

我國架空輸電線路里程長[1]，輸電鐵塔高度隨著電壓等級提升也越來越高。目前輸電鐵塔及線路檢修仍然以人力登塔巡檢為主，登塔檢修人員工作量大，而且檢修人員要攜帶必要的檢修工器具攀爬鐵塔，人員的體力消耗大，工作效率低。針對自重較大的檢修物料，主要以人力運輸和絞磨牽引運輸為主，沒有專門用于物料運輸的作業設備。例如目前已經廣泛研究應用的輸電線路巡線機器人，主要在輸電線路導線或地線上工作，但其自重較大，需要檢修人員將巡線機器人從地面運送到鐵塔頂部，并安裝到工作位置。對于檢修人員來說，在高空攀爬鐵塔的同時隨身攜帶巡線機器人難度相對較大，如何快速安全地完成運輸任務是一項亟需解決的現實問題[2-5]。

針對輸電線路檢修作業過程中物料及工器具的運輸需求，設計了一種輸電線路檢修用物料輸送裝置，對其機械結構及控制系統等進行了研究，生產了樣機，并通過了實驗室測試驗證。該裝置的研究可有效解決檢修作業中存在的物料及工器具運輸問題，減輕檢修人員的作業強度，保證檢修人員安全，提高檢修作業的工作效率及自動化程度。

1 物料輸送裝置組成

物料輸送裝置沿固定安裝于輸電線路鐵塔塔腿的導軌運動，用于輸送檢修用的物料以及工器具等，可避免復雜的鐵塔結構識別問題，物料輸送裝置自身重量為20 kg，額定載荷為100 kg，其機械結構主要由本體框架、導向機構、傳動機構及承載平臺等構成。其中本體框架是物料輸送裝置的主體結構，作為導向機構、傳動機構及承載平臺等的載體；承載平臺用于固定物料及工器具等運輸載荷。物料輸送裝置控制系統包含動力電池、遙控系統及本體控制系統等。其中，動力電池采用直流48 V鋰電池作為物料輸送裝置的動力來源；遙控系統包含發射機與接收機，接收機位于本體框架內部，接收機射頻天線設置于物料運輸裝置本體框架外部。

2 物料輸送裝置機械結構

2.1 導向機構

物料輸送裝置導向機構由四組外導向輪與內導向輪組成。如圖1所示，內導向輪固定在物料輸送裝置內側凹壁結構上，外導向輪固定于導軌外側。外導向輪與內導向輪均為圓弧結構，兩者共同作用夾緊導軌四周的圓柱結構，僅保留物料輸送裝置在圖示z軸方向的平移自由度，以引導物料輸送裝置的運動方向，導向機構的設計可有效簡化物料輸送裝置的傳動機構，提高實用性及運行可靠性。外導向輪和內導向輪均為不可拆卸的固定式結構，由于物料輸送裝置體積小、重量輕，直接從導軌底部裝入導軌，可節省檢修人員的安裝和拆卸時間。

圖1 導向機構

2.2 傳動機構

物料輸送裝置運動方式基于齒輪齒條傳動[6]，導軌表面加工有齒形孔，作為齒條結構，齒輪固定安裝于物料輸送裝置，傳動機構中電機經RV減速器驅動齒輪轉動，與導軌上的齒形孔嚙合，在導向機構的限制引導作用下，帶動物料輸送裝置沿導軌上下運動，達到輸送檢修物料的目的。物料輸送裝置傳動機構中齒輪為不銹鋼材質，導軌為鋁合金材質，齒輪在與導軌的齒形孔傳動嚙合過程中，會造成導軌不可逆的磨損損壞，進而導致設備運動平穩性和可靠性的降低，增加設備的維護成本。而導軌為附屬于鐵塔的固定式結構，要求使用年限與鐵塔一致，更換磨損損壞的導軌難度較大。如圖2所示，為降低齒輪對導軌的磨損，齒輪由一體式結構優化設計為模塊化結構(分為齒輪主體和齒輪殼)，齒輪主體外部的齒輪殼為聚甲醛材質，其硬度低于鋁合金，在與導軌齒形孔傳動嚙合時，齒輪殼比鋁合金磨損的優先級高，以齒輪殼先磨損的方法來保護導軌不被磨損。為保證安全性，齒輪主體仍采用不銹鋼材質，當齒輪殼磨損到一定程度后，可快速進行齒輪殼的維護更換工作。

圖2 齒輪結構

3 物料輸送裝置力學計算

物料輸送裝置為高空作業設備，對安全性要求較高，采用Solidworks軟件對其主要受力結構進行力學計算分析。力學計算基于有限元方法及第四強度理論，在軟件中基于有限元方法仿真計算出物料輸送裝置的米澤斯等效應力。當計算的米澤斯等效應力不大于對應材質的許用應力，其結構強度就滿足使用要求，結構安全。第四強度理論相應的米澤斯準則為[7]：

式中：為米澤斯等效應力，MPa；[σ]為許用應力，MPa。

物料輸送裝置本體框架為鋁合金材質，承載平臺為Q235材質。

鋁合金材質許用應力為：

式中：σb為抗拉強度，MPa；nb為安全系數，取2.5。

Q235材質許用應力[8]為：

“上帝”為啥創造這些搬弄是非的人呢？長此下去，這些好事之徒、長舌之君難免有意無意地宣傳丑化她，想待下去，可不容易啊！

式中：σs為屈服強度，MPa；n為安全系數，取1.5。

在Solidworks軟件中對物料輸送裝置進行簡化，保留主要受力結構，按照額定載荷工況條件下，對物料輸送裝置進行載荷和位移邊界條件約束并劃分網格，利用有限元仿真計算分布云圖。

采用米澤斯準則(式(1))對結構強度進行判斷分析。從米澤斯等效應力云圖可知：Q235材質的承載平臺位置米澤斯等效應力最大值為83.0 MPa，小于Q235材質的許用應力156 MPa，滿足米澤斯準則，結構安全。

鋁合金材質構件處米澤斯等效應力最大值為63.9 MPa，小于對應材質的許用應力80 MPa，滿足米澤斯準則，結構安全。最大位移為1.077 mm，滿足剛度使用要求。

4 物料輸送裝置控制系統

物料輸送裝置控制系統主要由遙控系統和本體控制系統構成，控制系統結構如圖3所示。由檢修人員操作發射機發出控制信號，接收機置于物料輸送裝置內部，接收發射機的控制信號，并傳輸到本體控制系統微控制器，將控制信號轉換為電機的控制指令，對電機正反轉進行PID閉環控制，實現物料輸送裝置的上升，下降和停止功能。由于物料輸送裝置沿導軌上下運行，為保證物料輸送裝置在停止的工況條件下，可靠鎖止，不會由于自重及運輸載荷原因導致設備下行，在電機上配備相應的失電電磁制動器，并由本體控制系統基于發射機的控制信號對其打開和閉合狀態進行協同控制。本體控制系統流程見圖4。

圖3 控制系統結構

圖4 本體控制系統流程

遙控系統結構如圖5所示，其無線傳輸采用2.4 GHz信號頻段。接收機由控制板、2.4 G模塊和射頻天線組成。相對于接收機，發射機還具備電池和輸入單元，由電池進行供電，其輸入單元提供檢修人員操作的按鈕及開關，檢修人員根據實時的工作需求，操作輸入單元，控制板獲取輸入單元的狀態信號，對狀態信號進行分析并完成協議編幀，編幀完成后的控制信號通過2.4 G模塊進行發送。接收機由物料輸送裝置動力電池供電，持續等待接收發射機的控制信號。一旦接收到控制信號，由控制板對控制信號進行協議解析還原，解析還原后的控制信號發送到本體控制系統微控制器，完成遙控系統的工作任務。

圖5 遙控系統結構

為確保現場的控制信號可靠，遙控系統發射機及接收機具有硬件和軟件復位功能。當操作不當或其他原因造成接收機故障時，遙控系統可以及時復位，避免造成危險。

5 結束語

基于齒輪齒條傳動方式，設計了一種以鋰電池為動力的物料輸送裝置，以滿足輸電線路檢修時物料及工器具的運輸需求，避免了復雜的機械結構及視覺導航方式，提高了物料輸送裝置的實時響應特性、可靠性以及現場適用性能。通過輸電線路檢修用物料輸送裝置的研究，解決了物料輸送裝置在輸電線路鐵塔上的運動方式、遠程控制以及可靠鎖止等問題，實現了物料運輸的工作目標。本裝置的應用，提高了輸電線路檢修人員的工作效率，保障了人員安全，提高了輸電線路檢修領域的自動化水平。

以上對裝置的研究思路及方向、具體機械結構及控制系統搭建進行了初步探討，取得了一定成效，未來還有以下幾方面需要深入研究。

(1) 輸電線路特別是超高壓及特高壓線路現場電磁干擾問題相對復雜突出，對控制系統的抗電磁干擾性能要求較高，研究本體控制系統的可靠多冗余系統等抗電磁干擾系統是下一步的研究重點。

(2) 隨著5G信息技術及人工智能、物聯網技術的飛速發展，未來可將圖像采集識別的AI技術以及5G信息技術融入到輸電線路檢修用物料輸送裝置中，使其不僅僅是物料及工器具的運輸工具，也能成為檢修人員的智慧感知終端，幫助檢修人員識別鐵塔爬塔通道上的故障點，使檢修人員提前獲取相關信息并做好對應的預案準備，為檢修人員提供科學的決策依據。