一種架空輸電線路自鎖型物料輸送裝置的構型與分析

吳正樹, 方剛, 何鵬

（1.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司南寧局，南寧 510000；2.深圳市新南潤電力科技有限公司，廣東 深圳 518000）

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，檢修人員要攜帶必要的檢修工器具攀爬鐵塔，體力消耗大、工作效率低[2]。目前自重較大的物料的高空運輸主要以人力運輸和為主，已經廣泛研究應用的線路巡線機器人也因造價高、自重較大的特點在使用中受到限制，如何快速安全地完成物料的運輸任務是一項亟需解決的現實問題[3-4]。

根據市場調研及文獻檢索，目前應用的幾種結構形式的高空物料傳輸裝置主要有如下不足[5-7]：1）吸附式，存在吸附力不可靠的安全隱患；2）齒輪傳動式，結構復雜，體積龐大；3）滑軌式，自鎖器在剛性導軌上的順暢性和安全性不足。

基于安全無小事，其事關國家、集體及個人利益的人本理念[8]，本文提出了一種具備雙重自鎖特點、掛-拆便利的設計方案。該裝置借助無人機輔助掛接，利用裝置重心調整使線-機分離，擺臂的限位結合夾座的抱緊實現雙重自鎖，具有很高的安全系數，在物理樣機的實驗中表現良好。

1 整體構型設計與分析

高空傳遞裝置整機結構如圖1所示，由機架、防脫擺臂、夾座、解鎖圓環等組成部分。裝置工作時需要無人機攜帶掛接控制繩繞過高空輸電導線，隨即地面作業人員通過拽拉掛接控制繩端部使導線滑入常開的左、右夾座之間并抱緊導線，受裝置重心位置調整，防脫上、下擺臂繞軸同步旋轉后鎖住高壓導線。

圖1 物料傳遞裝置的整機結構示意圖

正常工作時防脫擺臂從上、下兩個方向限制導線與裝置間的相對運動。同時，在裝置及其負載作用下，導線與夾座接觸臂的作用力會使通過輪齒嚙合的左右夾座抱緊導線，并且負載越大時抱緊力越顯著，因此該裝置具備雙重自鎖的功能，能較好地滿足高空作業的裝置安全系數高的技術要求。

2 掛-拆動作過程拆解

掛接與拆卸是本裝置正常工作的基本動作，必須依照規定的動作流程才能保證設備的正常使用。

1）掛接動作過程（如圖2）。

圖2 設備掛接流程圖

掛接動作過程如下。

步驟一：無人機牽引掛接控制繩越過高壓導線，隨后無人機釋放牽引繩落至地面。

步驟二：操作人員拽拉掛接控制繩，由于掛接控制繩與裝置連接端的特殊角度，上、下擺臂受裝置重心影響自動打開，其張開角度恰好與導線吻合，此時裝置處于待掛入導線的狀態。

步驟三：裝置受地面作業人員拽拉，瞬間掛入架空輸電線路導線，此時上、下擺臂因裝置的重心調整而改變角度，導線位于兩者之間且處于閉合鎖止狀態，同時裝置的重心移動至導線與滑輪中心連線上。

2）拆卸動作過程（如圖3）。

圖3 設備拆卸流程圖

拆卸動作過程如下。

步驟一：作業完畢后,操作人員再牽引傳遞繩尾部設置繩結，繩結能通過滑輪輪槽且尺寸大于解鎖圓環孔。在拽拉力作用下解鎖圓環脫離圓形強磁鐵，此時拆除控制繩與牽引傳遞繩并為一條繩。

步驟二：在拽拉力作用下擺臂旋轉,隨后上、下擺臂打開并解鎖，上擺臂以及夾座瞬間從導線上表面滑脫。

步驟三：地面作業人員同步“拉”牽引傳遞繩和“放”掛接控制繩，可將裝置從高空緩慢降落至地面。

3 自鎖型物料輸送裝置的性能分析

3.1 夾座與輸電導線鎖緊摩擦力的計算

夾座與導線接觸面受力分析如圖4所示。本研究截取微量單位弧長的接觸段dl為分離體，對應的包角為dφ，微弧兩端的拉力為T、T+dT，導線作用在微弧段dl 上的正壓力dN為：

圖4 接觸力受力分析

單位弧長上的壓力為

夾座與導線的接觸段為圓弧面，圓弧面比壓分布如圖5所示。

圖5 接觸面比壓分布圖

從圖5中可以看出，弧底的比壓最大，兩側上緣最小，比壓按正弦分布，即

設p2為微量長度導線對接觸弧面產生的壓力，p2與比壓成正比，在接觸面中也按正弦分布：

p1和p2是同一個微量長度導線在接觸弧面上某點的同一個壓力，p1是在接觸弧圓周正面上表述，p2是在與接觸弧圓周正面呈90°方向的剖面上表述，因此有:

根據式（3）和式（5）可得

如圖4（b）所示，在接觸弧面某截面上的微量摩擦力應等于單位長度的比壓乘以摩擦因數：

單位長度接觸弧面的摩擦力為

式中，μ為摩擦因數。

接觸弧面圓周上的摩擦力的分布如圖4（a）所示：

將式（7）和式（9）代入式（11）整理得

接觸弧面的摩擦力F是面上各點摩擦力的總和，是分布在包角α范圍內的。在一定的條件下，該摩擦力有一極限值，若弧面兩端的拉力差過大且超過了這一極限值時，導線將在弧面上打滑導致設備滑移。

3.2 拆卸時傾翻解鎖能力的分析

由于設備在遠程操作下進行作業，缺乏人為直接干預的可行性，因此解鎖拆卸的便捷性至關重要，本裝置主要利用設備的偏載實現解鎖，解鎖狀態的受力分析如圖6所示。

圖6 解鎖受力分析簡圖

圖7 相關參數與分析方法

設備拆卸時導線與掛鉤主體間的水平滑移和繞導線旋轉兩個動作實現解鎖。水平滑移使掛鉤主體的開口逐漸滑向導線，當F拉sin α＞Fcos γ，導線靠近掛鉤主體開口；F拉sin α≤Fcos γ，導線相對掛鉤主體相對靜止或者滑向內側。

以O1為支點的合力矩為

以O2為支點的合力矩為

由于MO1（FR）≠MO2（FR），因此掛鉤主體和擺臂間存在相對轉動，當上、下擺臂間的開口與掛鉤主體的開口對齊時，配合掛鉤主體的滑移動作便可使高壓導線滑出，完成裝置的解鎖。

4 輸送裝置關鍵部件的敏感性仿真分析

4.1 夾緊力對夾座尺度的敏感性分析與優化

左、右夾座是保證物料不沿導線滑移的關鍵部件，其中夾座與導線間的法向力是提供彼此間摩擦力的關鍵基礎力。本文利用Creo軟件分析設備在負重100 kg條件下與該力相關性較強的敏感性尺寸，隨后優化使夾緊力優于目標設計值。

對上述尺寸進行敏感性分析，結果如圖8所示。

圖8 夾緊力敏感因素分析曲線

由圖8可知，上述3因素對夾緊力均有顯著的影響，其中以夾臂角影響最為顯著，力臂一和力臂二的敏感性強但區間較窄。

經分析，當前設計尺度下夾座與導線間的作用力為121.5 N，略低于設計最低要求200 N，為避免設備工作時滑移所帶來的不確定安全因素，結合敏感分析提出如下優化方案：

設計目標：夾緊力200≤F且趨近于最大值。

設計約束：10≤l1＜20，保證前緣可靠觸碰導線；20≤l2＜40，保證下緣位于導線中心下方，可靠抱緊導線；F≥200 N，保證設備工作時不滑移。

采用MDS優化方法進行迭代，優化迭代曲線及優化前后的尺度參數對比如圖9和表1所示。

表1 敏感參數優化前后對比

圖9 夾緊力優化迭代曲線

優化后夾緊力提升了76.8%，效果顯著，說明調整敏感參數為提升夾緊力提供了良好的優化途徑。

4.2 掛鉤主體承載能力關鍵參數敏感性分析

掛鉤主體是主要的承力部件，材料為高強鋁合金6061，由于其為懸臂結構且承受偏載，因此對其強度提出了更高的要求。假定設備承重100 kg，忽略裝置的自重，將載荷添加于掛鉤主體的下方連接孔中，靜力學分析后結構如圖10（a）所示，最大應力為81.5 MPa。

圖10 掛鉤主體的靜態應力分析

為進一步優化掛鉤主體的幾何尺寸并使其具備更強的承載能力，嘗試尋找影響其性能的顯著參數，結果如圖11和圖12所示。

圖11 安裝孔尺度參數-最大應力敏感分析

圖12 擺臂入口尺度參數-最大應力敏感分析

由圖11可知，安裝孔寬度較小時對掛鉤主體承載影響不明顯，大于38 mm時則顯著增強；安裝孔長度則在37～42 mm間時影響顯著，其他區間不敏感，但總體而言，長度尺寸的敏感度要強于寬度尺寸。由圖12可知，下擺口寬度＞78 mm時對應力影響度顯著增加；下擺口長度則在28～34 mm間影響顯著，其他區間的影響較為平緩。

上述分析說明，應該慎重設計掛鉤主體的開孔尺寸，以免壁厚過小從而降低承載能力。

5 結論

1）通過對裝置的構型特征進行分析，表明本機構自鎖可靠，結構穩定性強，掛、拆方便，對高空運輸具有良好的適應性。

2）通過計算可知，導線與夾座接觸力的大小與彼此間的摩擦因數、接觸面的弧長（包角）及夾緊力呈正相關；解鎖拉力是導線先對掛鉤主體滑移和擺臂與導線相對轉動實現解鎖的關鍵。

3）仿真分析表明，夾座的尺寸對夾緊力的影響顯著，優化后夾緊力提升76.8%；設計掛鉤主體缺口時要關注缺口尺寸對其承載能力的影響，避免壁厚過薄，尤其是下擺口的長和寬尺寸。