輸電線路除冰機(jī)器人除冰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、第一章 緒言 1.1 引言 2008年 1 月，郴州市出現(xiàn)了連續(xù)近一個(gè)月的低溫雨雪冰凍天氣，遭受了歷 史罕見的冰雪災(zāi)害。 國(guó)家減災(zāi)委員會(huì)專家已定性為： “郴州發(fā)生的這次冰雪災(zāi)害， 是世界上一次大面積、 極端性氣候事件， 是江南地區(qū)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的一次雨雪冰 凍過程，影響地區(qū)的人口之多是世界罕見的” 。這次郴州冰災(zāi)造成中心城區(qū)正值 春節(jié)期間停電、停水 10多天，個(gè)別地方達(dá)到 20 多天，交通、通訊、電視均出現(xiàn) 不同程度的中斷，成為了一座與外界隔絕的“孤城” 。郴州成為我國(guó)南方冰雪災(zāi) 害最嚴(yán)重的地區(qū)之一。 特別是電力系統(tǒng)遭受毀滅性重創(chuàng)， 冰災(zāi)引起了倒塔 , 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查了 2008年湖南 冰災(zāi)期間

2、》220kV輸電線路的受損情況,發(fā)現(xiàn)倒塔線路覆冰厚度主要集中在 20? 60mm同時(shí)微地形和微氣象造成覆冰加重和覆冰的不均勻性，檔距、塔形等對(duì)線路 倒塔也存在影響。 分析倒桿斷線的形式認(rèn)為覆冰太厚超過設(shè)計(jì)值、 垂直荷載壓垮 和不平衡張力拉垮是造成線路倒塔。專家解說，高壓線高高的鋼塔在下雪天時(shí)， 可以承受 2-3倍的重量。但如果下雨凇，可能會(huì)承受 10-20 倍的電線重量。電線 結(jié)冰，遇冷收縮，風(fēng)吹引起震蕩，就使電線不勝重荷而斷裂。 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展， 超高壓大容量輸電線路越建越多， 線路走廊穿越 的地理環(huán)境更加復(fù)雜， 如經(jīng)過大面積的水庫、 湖泊和崇山峻嶺， 給線路維護(hù)帶來 很多困難．

3、而且在嚴(yán)冬及初春季節(jié)， 我國(guó)云貴高原、 川陜一帶及兩湖地區(qū)常出現(xiàn) 霧凇和雨凇現(xiàn)象，造成架空輸電線路覆冰，使線路舞動(dòng)、閃絡(luò)、燒傷，甚至斷線 倒桿，使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)遭到破壞，安全運(yùn)行受到嚴(yán)重威脅．在緊急情況下，尋道員用 帶電操作桿或其它類似的絕緣棒只能為很少的一部分覆冰線路除冰， 人工除冰有 很高的危險(xiǎn)性。 在國(guó)外，一些國(guó)家的地理與氣候情況與我國(guó)相似， 甚至一些國(guó)家的情況更加 惡劣，為了保證電力系統(tǒng)的可靠性，提高高壓輸電線除冰的效率，減少損失，維 護(hù)工人的安全，開發(fā)一種可以替代或部分替代工人進(jìn)行除冰作業(yè)的新型設(shè)備一直 是國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的熱點(diǎn)． 因此，研制安全有效的除冰機(jī)械以代替人進(jìn)行導(dǎo)線除 冰具有較好

4、的應(yīng)用前景和實(shí)用意義。 3示意圖 b實(shí)際T作圖 電動(dòng)機(jī)除冰裝置的示意圖和實(shí)際工作圖 1.2湖南省2008年冰災(zāi)的電網(wǎng)分析 全球氣候正經(jīng)歷以變暖為主要特征的變化，氣候變暖導(dǎo)致“厄爾尼諾”和“拉 尼娜”等極端天氣氣候事件的頻率與強(qiáng)度明顯增加， 輸電線路所處地質(zhì)條件復(fù)雜， 容易遭受冰災(zāi)等極端天氣的影響，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)已多次發(fā)生的輸電線路冰災(zāi)事故 進(jìn)行了相關(guān)的研究。2008年年初襲擊湖南的持續(xù)低溫、雨雪、冰凍天氣過程來I 臨之前，湖南溫度偏高、空氣干燥。湖南東、南、西部三面環(huán)山，向中部、北部 過渡為丘陵和平地，冷空氣襲擊湖南后，湖南降溫迅速，冷暖空氣交匯形成的鋒 面逆溫強(qiáng)度大，加上湖南北

5、低南高的地勢(shì)使逆溫層得以加強(qiáng)， 地勢(shì)陡增處南下冷 空氣因推進(jìn)受阻而徘徊駐留，隨著暖濕氣流不斷補(bǔ)充，易形成長(zhǎng)時(shí)間降雨、冰凍， 形成持續(xù)的雨淞。由于降溫迅速，湘西高海拔山區(qū)和緯度較高的湘北地區(qū)地表氣 溫低，但降水主要集中在湘南、湘中、湘東，且停留時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致湘南、湘中、 湘東冰凍災(zāi)害強(qiáng)于湘北和湘西高海拔山區(qū)。 湖南電網(wǎng)冰凍災(zāi)害是在大尺度天氣形 勢(shì)控制下形成的，拉尼娜現(xiàn)象起到推波助浪的作用，冰凍災(zāi)害受損范圍與程度具 有較強(qiáng)的微地形影響特征。長(zhǎng)時(shí)間的低溫（0~ - 5C）、降水過程為覆冰提供了適 宜條件。 2008年初，受冷暖空氣共同影響，湖南從 01-11 /02-07，共出現(xiàn)4次明顯 的雨雪天

6、氣過程，這次持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的凍雨和冰凍天氣給湖南電網(wǎng)帶來了災(zāi)難性的 影響。湖南省電力公司500 kV線路33條有14條線路倒塔182基，變形75 基, 導(dǎo)線斷線或受損159處，地線斷線或受損322處；220 kV有44條線路倒塔679 基，110 kV有121條倒塔1864基；w 35 kV高壓線路倒桿6萬4千多基，發(fā)生 斷線超過5萬處；低壓線路倒桿斷桿33萬多基，斷線近37萬處，在整個(gè)冰凍期 間，發(fā)生了多次電網(wǎng)解裂和衡陽、 郴州等地區(qū)大面積停電事故，使湖南電網(wǎng)受了 有史以來最嚴(yán)峻的威脅，直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù) 10億元。 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查了 2008年湖南冰災(zāi)期間》220 kV輸電線路的受損情況，發(fā)現(xiàn)倒塔 線

7、路覆冰厚度主要集中在20?60 mm同時(shí)微地形和微氣象造成覆冰加重和覆冰 的不均勻性，檔距、塔形等對(duì)線路倒塔也存在影響。分析倒桿斷線的形式認(rèn)為覆 冰太厚超過設(shè)計(jì)值，垂直荷載壓垮和不平衡張力拉垮是造成線路倒塔的原因。 f if 、旺咅令芒 江城線4979—4983段的冰情照片 2005年湖南冰災(zāi)后對(duì)覆冰倒塌的桿塔以及選擇性選取的一些重要桿塔進(jìn)行 了改造，7條500 kV線路新增和改造桿塔共142基，220 kV共9條線路增加和 改造鐵塔32基，通過對(duì)局部區(qū)域桿塔更換塔型（將自立塔改為加強(qiáng)型轉(zhuǎn)角耐張 塔）、采用提高一級(jí)覆冰設(shè)計(jì)厚度（將15mmB冰設(shè)計(jì)改為20mm等措施提高桿塔 的抗冰強(qiáng)度

8、，通過新增桿塔縮小設(shè)計(jì)檔距、縮短耐張段的距離，減少單基鐵塔所 受的重力荷載等技術(shù)措施進(jìn)行改造，2008年這些改造的500 kV桿塔未發(fā)生倒塌 現(xiàn)象，220 kV有2基因僅對(duì)主材加厚，在此次冰災(zāi)中發(fā)生扭曲受損，在同一區(qū) 域有3基未改的桿塔發(fā)生了倒塌。因此對(duì)桿塔抗冰強(qiáng)度適當(dāng)加強(qiáng)，是防止覆冰倒 塌的最好措施之一。 為應(yīng)對(duì)冰凍災(zāi)害的影響，應(yīng)進(jìn)一步完善重大災(zāi)害的應(yīng)急預(yù)案； 按照差異化原 則，易覆冰區(qū)段線路按20mm及以上覆冰設(shè)計(jì)，建設(shè)電網(wǎng)最小骨干網(wǎng)架；加快覆 冰機(jī)理、融冰技術(shù)和冰情監(jiān)測(cè)的研究和應(yīng)用，覆冰期間提高重要線路的需送容量 防止導(dǎo)線結(jié)冰，深入開展微地形、微氣象的監(jiān)測(cè)和冰區(qū)分布圖的繪制工作。 第

9、二章覆冰原理 影響導(dǎo)線覆冰因素很多，主要包括：氣象條件、地理及地形條件、海拔高程、 導(dǎo)線懸掛高度、導(dǎo)線直徑、水滴直徑、電場(chǎng)強(qiáng)度等。 按不同的分類方法，導(dǎo)線覆冰類型可分為： (1) 按冰的表現(xiàn)特性分為：雨淞、霧淞、混合淞、積雪和白霜等 [1, 5, 6]; 雨淞是過冷卻的降水碰到溫度等于或低于 0°C的物體表面時(shí)所形成玻璃狀的透 明或無光澤的表面粗糙的冰覆蓋層，其密度較大，一般為 0.85g/cm3。霧淞分為 兩種：一種是粒狀霧淞，即過冷卻霧滴碰到冷的物體后迅速結(jié)成粒狀小冰塊， 其 結(jié)構(gòu)較為緊密；另一種是晶狀霧淞，結(jié)構(gòu)較松散，稍有震動(dòng)就有脫落。一般霧淞 密度為0.25g/cm3?；?/p>

10、合淞是過冷卻水滴在導(dǎo)線的迎風(fēng)面形成的雨淞和霧淞混合 凍結(jié)的不透明或半透明覆冰，密度在 0.26?0.6 g/cm3,黏附力較強(qiáng)。積雪為黏 附在導(dǎo)線上的自然降雪，有干、濕之分。干雪密度w 0.1g/cm3，粘附力很弱；濕 雪密度0.1?0.5 g/cm3,粘附力較弱。白霜是空氣中的濕氣與 0C以下的冷物體 表面 接觸凝結(jié)而成，對(duì)導(dǎo)線威脅不大，但會(huì)增加輸電線路的電暈損失 [7]。凍雨 覆冰形成的雨淞因密度大、附著力強(qiáng)，對(duì)架空輸電線路的危害最大， 08年初的 南方電力冰災(zāi)主要由該原因造成。 (2) 按冰的形成機(jī)理分為：降水覆冰、云中覆冰和升華覆冰； (3) 按冰在導(dǎo)線上的橫截面形狀分為：圓形

11、或橢圓形覆冰、翼型覆冰和新 月形等，如圖1所示。 (4) 按冰在導(dǎo)線表面的增長(zhǎng)過程分為：干增長(zhǎng)、濕增長(zhǎng)[1]。這種分類利于 分析導(dǎo)線覆冰的形成機(jī)理及形成過程中的熱平衡及熱傳遞。霧淞和干雪是干增長(zhǎng) 覆冰過程，雨淞和濕雪是濕增長(zhǎng)覆冰過程，而混合淞是介于二者間的一種覆冰過 程。 |0| 常I 導(dǎo)線覆冰截面圖 第三章 輸電線路覆冰的危害 3.1 線路過荷載 線路覆冰時(shí)，導(dǎo)線將承受數(shù)百到數(shù)千 kg 的荷載，導(dǎo)線和覆冰重量產(chǎn)生的拉 力將通過導(dǎo)線、金具、絕緣子傳遞給桿塔，桿塔再傳遞給拉線，只要其中一個(gè)環(huán) 節(jié)承受不住拉力，就將出現(xiàn)倒桿和斷線事故，并往往會(huì)擴(kuò)展至一個(gè)耐張段。 3.2

12、不均勻覆冰或不同期脫冰 相鄰檔線路不均勻覆冰或不同期脫冰都會(huì)產(chǎn)生張力差，使導(dǎo)線在線夾內(nèi)滑 動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)將使導(dǎo)線外層鋁股在線夾出口處全部斷裂、 鋼芯抽動(dòng)， 造成線夾另一 側(cè)的鋁股發(fā)生頸縮，擁擠在線夾附近，長(zhǎng)達(dá) 1?20m不均勻覆冰的張力差是靜 荷載，而不同期脫冰為動(dòng)荷載，二者有所不同。其次，直線桿塔承受鄰檔的張力 差，會(huì)使絕緣子串產(chǎn)生較大偏移，碰撞橫擔(dān)而造成損傷。再次，當(dāng)張力差達(dá)到一 定程度后，會(huì)使橫擔(dān)轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)線碰撞拉線，電氣間隙減小而燒斷拉線，桿塔因失 去拉線支持后倒塌。 3.3 絕緣子串冰閃 冰閃為污閃的一種特殊形式。 絕緣子嚴(yán)重覆冰時(shí)， 大量傘形冰凌橋接， 泄漏 距離縮短， 絕緣強(qiáng)度降低

13、。 融冰過程中， 冰體表面水膜因溶解污穢中的電解質(zhì)而 形成導(dǎo)電水膜， 使得絕緣子串的電壓分布發(fā)生畸變， 閃絡(luò)電壓被降低。 融冰時(shí)期 常伴有大霧， 使大氣中的污穢微粒進(jìn)一步增加融化冰水導(dǎo)電率， 形成冰閃。 冰閃 的持續(xù)電弧將燒傷絕緣子，絕緣強(qiáng)度降低。 3.4 導(dǎo)線覆冰舞動(dòng) 由于覆冰形狀的不對(duì)稱，改變了導(dǎo)線的空氣動(dòng)力學(xué)特性。當(dāng)風(fēng)速在 4? 20m/s，且風(fēng)向與線路走向》45°時(shí)，導(dǎo)線具有較好的空氣動(dòng)力性能，在風(fēng)的激 勵(lì)下產(chǎn)生低頻高幅振蕩。輕者發(fā)生閃絡(luò)、跳閘，重者發(fā)生金具及絕緣子損壞，導(dǎo) 線斷股、斷線，桿塔傾斜、倒塌等電氣事故。 第四章除冰方法 序號(hào) 方法 定類 數(shù)據(jù) 消耗能量

14、比較系數(shù) 1 融冰（3mrh 除冰 理論 904 100 2 航空標(biāo)準(zhǔn) 除冰法 除冰 實(shí)驗(yàn) 400 44 3 融冰（1mm 除冰 理論 301 33 4 射頻+鏟刮 除冰 實(shí)驗(yàn) 305 34 5 加熱法 防冰 實(shí)驗(yàn) 180 20 6 紅外線 除冰 實(shí)驗(yàn) 170 19 7 激光+鏟刮 除冰 實(shí)驗(yàn) 120 13 8 形記合金 除冰 理論 72 8 9 氣動(dòng)脈沖 （5OLs） 除冰 實(shí)驗(yàn) 6.8 0.75 10 電磁脈沖 除冰 實(shí)驗(yàn) 2.3 0.25 11 氣動(dòng)低環(huán) 除冰

15、 理論 0.9 0.06 12 鏟刮 除冰 理論 0.2 0.02 13 碰撞試驗(yàn) 除冰 實(shí)驗(yàn) 0.011 0.0012 14 牽引試驗(yàn) 除冰 實(shí)驗(yàn) 0.007 0.00069 適用于輸電線路的機(jī)械除冰技術(shù) 使用機(jī)械外力手工或自動(dòng)強(qiáng)制使覆冰脫落的除冰方法，稱為機(jī)械除冰方法。 研制機(jī)械除冰方法的歷史遠(yuǎn)早于其他類型的除冰、防冰方法。機(jī)械法是針對(duì)輸電 線路的，有“ ad hoc”法、滑輪輾壓鏟刮法和強(qiáng)力振動(dòng)法，滑輪輾壓鏟刮法達(dá)到 了實(shí)用水平。 “adhoc”法由Phlman和Landers于1982年提出，它需要線路操作者在現(xiàn) 場(chǎng)執(zhí)行。并且處理方法千

16、變?nèi)f化，包括敲打、撞擊等。當(dāng)線路停電，可以觸及到 冰時(shí)，可采用手工除冰，從地面向?qū)Ь€、避雷線拋擲短木棍將覆冰打掉，或用木 棒、竹竿敲打。在線路帶電時(shí)，應(yīng)用與線路電壓等級(jí)相符的絕緣棒敲打。此外， 也可用木制套圈套在導(dǎo)線上，用繩子順著導(dǎo)線拉，以消除覆冰，這種方法只是權(quán) 宜之計(jì)，既不安全，又不十分有效，因此，很少有人推薦使用，如果要用，就得 為這種方法制定標(biāo)準(zhǔn)的操作規(guī)則。 由加拿大Manitoba水電局研制的滑輪鏟刮技術(shù)是一種由地面操作人員拉動(dòng) 滑輪在線路上行走而鏟除導(dǎo)線覆冰的技術(shù)， 運(yùn)用這種技術(shù)的除冰方法叫滑輪輾壓 鏟刮法（icing rolling） ，滑輪輾壓鏟刮法已在加拿大的 Mani

17、toba使用了 50多 年，是目前唯一可行的輸電線路除冰的機(jī)械方法。 它由滑輪、 牽引繩及涂漆的膠 合板或環(huán)氧樹脂板等器件構(gòu)成，加在滑輪上的力要足夠讓導(dǎo)線產(chǎn)生彎曲，這樣， 產(chǎn)生的應(yīng)力才能使冰破裂脫落。 如果在板的兩邊固定一把鋸齒刀， 則除冰效果更 好，但拉扯時(shí)注意不要損傷導(dǎo)線、 避雷線和絕緣子。 滑輪鏟刮法的最大優(yōu)點(diǎn)是效 果很快，且不需要特別的設(shè)備和專家，簡(jiǎn)便易操作，耗能小，價(jià)格低廉，較為實(shí) 用。但它也有缺點(diǎn)，那就是費(fèi)時(shí)，安全性能不完善，且受地形限制。據(jù)統(tǒng)計(jì)，要 對(duì)一公里長(zhǎng)導(dǎo)線進(jìn)行滾壓除冰約需卜 2 小時(shí)。 強(qiáng)力振動(dòng)法是1988年由Mulherin和Donaldson研制的。加拿大魁北克水電

18、 局發(fā)明了一種電纜除冰裝置。 該裝置包括一對(duì)導(dǎo)線， 導(dǎo)線連接到電纜上， 并沿電 纜呈螺旋形纏繞，導(dǎo)線的一端連接到一個(gè)能在導(dǎo)線內(nèi)產(chǎn)生電磁脈沖的脈沖發(fā)生裝 置上，另一端連接在一起構(gòu)成封閉電路， 依靠導(dǎo)線中電磁脈沖的通路， 在導(dǎo)線之 間產(chǎn)生推斥力， 該推斥力振動(dòng)導(dǎo)線， 使導(dǎo)線上的覆冰振碎脫落， 由于要求外加振 動(dòng)源及振動(dòng)會(huì)促使線纜疲勞，因而難以在工程實(shí)際中應(yīng)用。 基于機(jī)械振動(dòng)與撞擊原理的電磁力技術(shù)和電脈沖技術(shù)是為飛行器除冰研制 的。但是，由于電磁力或電脈沖可以使導(dǎo)線產(chǎn)生強(qiáng)烈而又在控制范圍內(nèi)的振動(dòng)， 所以二者也是架空線路易接受的除冰方法之一。 為飛行航空器除冰研制的基于機(jī) 械沖擊和沖撞的3種技術(shù)是：

19、1985年由Finke和Banks、1988年由Mulherin和 Donald — son>1991年由Graber和Mack等分別研究和改進(jìn)的超聲振動(dòng)除冰技術(shù)； 1988 年由 zumwalt 和 Egbert、1993 年 Bond 和 Shin、1994 年由 Smith 等分別研 究和改進(jìn)的電磁脈沖除冰技術(shù)； 1992 年由 Martin 和 Putt 、 1996 年由 Loughborough和Hass等研制和應(yīng)用的氣動(dòng)脈沖除冰技術(shù)。電磁脈沖技術(shù)將是輸 電線路除冰最易接受的方法。 美國(guó)堪薩斯州的 wichita 州立大學(xué)也提出了電脈沖 法除冰 (Electro —Impulse

20、De—Icing ，EIDI) ，即利用電容器組向線圈放電，由 線圈產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)， 在置于線圈附近的導(dǎo)電板 (即目標(biāo)物 )上產(chǎn)生一個(gè)幅值高、 持續(xù) 時(shí)間短的機(jī)械力， 使冰破裂而脫落，但在線路融冰研究方面因技術(shù)不成熟和費(fèi)用 過高沒有達(dá)到預(yù)期的目的。 由 Gerardi 等于 1995 年根據(jù)合金中記憶相位的變化為航空器除冰研制的。 另一種采用由電場(chǎng)或磁場(chǎng)力控制的柔韌性涂料機(jī)械方法仍處于設(shè)想階段。然而， 這些方法可作為驗(yàn)證其典型除冰方法的實(shí)驗(yàn)和研制的基礎(chǔ)。 第五章巡線機(jī)器人 巡線機(jī)器人是為了在線檢測(cè)輸電線路產(chǎn)生的機(jī)械電器故障、 杠塔及其他地 基和交叉跨越安全距離等變化，國(guó)外尋巡線機(jī)器人的研究

21、始于20世紀(jì)80年代末， 日本東京電力公司Sawada等人、日本Sato公司、每過TRC公司、加拿大魁北克 水電研究院Montabault等人先后開展了巡線機(jī)器人的研制。他們研制的巡線機(jī) 器人可分為2類：一類是具有跨越障礙物功能，但由于其結(jié)構(gòu)尺寸大和重量重， 因而實(shí)用性差，并大多仍處于實(shí)驗(yàn)室研制階段；另一類是只能在2個(gè)桿塔間的直 線巡線，不具備跨越障礙功能物，因而其巡線作業(yè)范圍受到了很大限制。 國(guó)內(nèi)巡 線機(jī)器人的研究始于90年代末，在2002年開開始國(guó)家“十五” 863計(jì)劃的連續(xù) 2次資助下，已研制成功了具有沿220kV單分裂導(dǎo)線全程線路行駛和巡檢作業(yè)的 巡線機(jī)器人樣機(jī)，并在機(jī)器人構(gòu)件、電能

22、在線補(bǔ)給、機(jī)器人局部自治和系統(tǒng)與技 術(shù)集成等關(guān)鍵技術(shù)上去的了實(shí)質(zhì)性的突破，該樣機(jī)已經(jīng)通關(guān)過了現(xiàn)場(chǎng)線路的帶電 運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，并表現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。同時(shí)在巡線機(jī)器人的基礎(chǔ)上除冰機(jī)器人才 有所發(fā)展。 在現(xiàn)場(chǎng)線路上的巡線機(jī)器人 L.衍畫輪;X-行議電機(jī)i，建暉電機(jī) 巡線機(jī)器人機(jī)構(gòu) 5.1巡線機(jī)器人機(jī)構(gòu) 巡線機(jī)器人是機(jī)電一體化系統(tǒng)，涉及到機(jī)構(gòu)、控制、通信、定位系統(tǒng)、移動(dòng) 平臺(tái)上傳感器的集成和信息融合、 電源等，而機(jī)械機(jī)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是 目前制約巡線機(jī)器人發(fā)展的技術(shù)障礙之一?巡線機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求是： (1)能在架空高壓線上以期望的速度平穩(wěn)爬行； ⑵具有一定的爬坡

23、能力； (3) 能夠避越高壓線路上的防震錘、線夾、絕緣子、線塔等障礙； (4) 在故障情況下有可靠的自保安措施，防止機(jī)器人摔落； (5) 提供足夠的空間安裝所攜帶的電源以及探測(cè)、記錄和分析處理儀器. 可實(shí)現(xiàn)在管線上爬行的機(jī)構(gòu)可以分為步進(jìn)式爬行機(jī)構(gòu)和輪式爬行機(jī)構(gòu)兩類 步進(jìn)式爬行機(jī)構(gòu)通過多只手臂的交替移動(dòng)完成爬行，一般用于斜拉橋 纜索、管道外壁的檢查維護(hù)；輪式爬行機(jī)構(gòu)依靠由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的行走輪與管線 之間的摩擦，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)?輪式爬行機(jī)構(gòu)行走平穩(wěn)，速度快，有利于移動(dòng)平 臺(tái)上線路探測(cè)儀器的可靠工作，因此，目前巡線機(jī)器人多采用此類爬行機(jī)構(gòu). 越 障機(jī)構(gòu)是巡線機(jī)器人機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵.由于機(jī)器 人懸掛

24、在架空線上，越障時(shí)應(yīng)保證機(jī)器人姿態(tài)平穩(wěn)，并保持與其它導(dǎo)線和線 塔金屬部件的安全間距，因此設(shè)計(jì)難度較大.文獻(xiàn)采用了仿人攀援的弧形手臂越 障機(jī)構(gòu)，姿態(tài)控制較為復(fù)雜，文獻(xiàn)中給出的分體蛇形越障機(jī)構(gòu)不適合跨越直徑和 間距較大的障礙，文獻(xiàn)的越障機(jī)構(gòu)也同樣存在跨越間距小的問題巡線機(jī)器人越障 操作類似人的空中攀援行為，因此，仿生設(shè)計(jì)是解決這一難題的有效方法. 一種 很有前景的方案是采用多只可伸縮機(jī)械臂結(jié)構(gòu)， 機(jī)械臂上部為爬行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，下 部通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相互鏈接.遇到障礙時(shí)，機(jī)械臂之間相互配合，采用仿人攀援策 略調(diào)整姿態(tài)，跨越障礙.由于采用多只多自由度機(jī)械臂， 機(jī)器人可以完成更為復(fù) 雜的空中姿態(tài)調(diào)整，因而可跨

25、越各種類型的線路障礙. 庸應(yīng)取能部件 電能在線補(bǔ)給和電源監(jiān)控系統(tǒng) 5.2工作電源 要保證巡線機(jī)器人在野外大范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間工作，必須提供持續(xù)可靠的電 源.巡線機(jī)器人功率一般為幾百瓦，由于受體積和重量的限制，蓄電池組不能滿 足長(zhǎng)時(shí)間供電要求?文獻(xiàn)［3］嘗試采用小型汽油發(fā)電機(jī)為機(jī)器人供電，但汽油發(fā) 電機(jī)需攜帶油箱，工作時(shí)受環(huán)境影響大，可靠性差.由于巡線機(jī)器人一般沿大工 作電流的電力線爬行，因此，最好能直接從電力線上獲取能源，即耦合供電?文 獻(xiàn)［7］對(duì)采用電流互感器耦合從電力線上獲取電源的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了深入研究， 分析了機(jī)器人所需的最大驅(qū)動(dòng)力與其重量的比率、 磁芯的截面積、副邊線圈匝數(shù)

26、等變量的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性.采用電力線耦合供電雖然解決了 巡線機(jī)器人長(zhǎng)期工作的電源問題，同時(shí)也導(dǎo)致機(jī)械機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)的復(fù)雜化. 這 是因?yàn)闄C(jī)器人越障時(shí)，電流互感器磁芯須從電力線上脫離， 需解決磁芯分離機(jī)構(gòu) 控制和備用電源切換技術(shù). 5.3控制系統(tǒng) !<躋由 控制系統(tǒng) 第六章除冰機(jī)器人機(jī)構(gòu) 目前國(guó)內(nèi)沒有技術(shù)成熟的除冰機(jī)器人，而國(guó)外技術(shù)相對(duì)比較成熟的代表產(chǎn)品 是加拿大魁北克水電研究院的 Serge Montambault等人2000年開始研制的HQ lineROVer遙控小車。它主要用于清除電力傳輸線地線上的覆冰。但是該機(jī)器人 質(zhì)量過大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且只能清除兩

27、桿塔之間的覆冰，不具備越障的功能，因 此不能完全代替人工上線除冰。 借鑒國(guó)內(nèi)外除冰機(jī)器人以及巡線機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)， 三峽大學(xué)設(shè)計(jì)了一種高壓線 路除冰機(jī)器人。本機(jī)器人理論上可以滿足直導(dǎo)線上覆冰不是太厚情況下的除冰需 求，同時(shí)具備自主越障功能及高效、環(huán)保、節(jié)能的特點(diǎn)。本機(jī)器人運(yùn)用模塊化結(jié) 構(gòu)，采用仿生學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，組成模塊包括夾緊裝置、行走裝置、除冰裝置、 越障裝置等。 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 機(jī)器人模型整體設(shè)計(jì)參數(shù)如下： ⑴導(dǎo)線直徑D< 25 mm ⑵小車自重m<20 kg ; ⑶ 電機(jī)功率降1. 2 W,電壓如12 V; (4)小車行走速度y=0. 26 m/ s。 WS

28、賞亍層?韭茁律 越障過程圖 除冰機(jī)器人越障時(shí)技術(shù)難度最大的是跨越導(dǎo)線上的附屬元件.包括絕緣子、 線夾、防震錘和間隔棒等障礙物。機(jī)器人需要滿足以下幾個(gè)功能： 越障有效、越障過程應(yīng)平穩(wěn)、越障完成后能適時(shí)隨動(dòng)。這也就要求機(jī)器人在 線上應(yīng)能夠保持姿態(tài)平穩(wěn)，不與線路附件干涉?？紤]到機(jī)器人越障時(shí)的平穩(wěn)性、 安全性和有效性.機(jī)器人的越障方式是模仿猴子爬樹的方式進(jìn)行越障。也就是采 用手臂交替前進(jìn)方式進(jìn)行越障。目前單導(dǎo)線巡線機(jī)器人的手臂模式主要有 2種, 一種是雙手臂模式，一種是三手臂模式。綜合考慮各因素，本除冰機(jī)器人采用雙 手臂結(jié)構(gòu)。目前越障方式有：手臂上升式越障、手臂上升旋轉(zhuǎn)式越障、手臂上升 偏

29、轉(zhuǎn)式越障、輪子剖分式越障?？紤]到除冰裝置和夾緊裝置的安裝以及通過減少 控制電機(jī)數(shù)量來提高控制能力方面考慮， 本機(jī)器人采用的是上升偏轉(zhuǎn)式越障。 這 種越障方式有2種實(shí)現(xiàn)方法：一是采用2個(gè)電機(jī)分別控制上升和偏轉(zhuǎn)這2個(gè)動(dòng)作； 二是設(shè)計(jì)一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)上升偏轉(zhuǎn)的導(dǎo)軌， 這樣就可以通過一個(gè)電機(jī)控制來完成手 臂的上升和偏轉(zhuǎn)動(dòng)作，從而提高機(jī)器人的控制性能。本設(shè)計(jì)中采用后者。具體越 障動(dòng)作：當(dāng)機(jī)器人遇到障礙物時(shí).首先機(jī)器人整體停機(jī).啟動(dòng)越障電機(jī)，電機(jī)帶 動(dòng)越障手臂在越障導(dǎo)軌上上升到行走輪脫離導(dǎo)線，越障電機(jī)繼續(xù)工作帶動(dòng)整個(gè)越 障手臂在越障導(dǎo)軌上發(fā)生偏轉(zhuǎn)。直到整個(gè)越障手臂不與障礙物發(fā)生干涉時(shí)。越障 電機(jī)停止：然后前面

30、的整個(gè)越障手臂在前進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下. 通過絲杠推動(dòng)整個(gè)前 面的機(jī)構(gòu)部分越過障礙物；越過障礙物后，越障電機(jī)反轉(zhuǎn)，越障手臂即可復(fù)位。 在越障機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中。可以采用直線電機(jī)來取代電機(jī)加絲杠的驅(qū)動(dòng)方式。 使得機(jī)器 人的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，定位更加精確.反應(yīng)速度更快。機(jī)器人具體越障動(dòng)作如圖所 示。 除冰機(jī)構(gòu)1 除冰機(jī)構(gòu)2 機(jī)器人跨越懸垂絕緣子等障礙物時(shí)一只手臂懸空，另一只手臂越過絕緣子， 而此時(shí)障礙物另一側(cè)導(dǎo)線上的覆冰未清除，輪子和銑刀處于一個(gè)平面上面，這樣 就會(huì)造成輪子無法在電線上落腳的情況.基于這種情況的考慮，提出了第2套除 冰方案.具體示意圖如圖所示，采用2個(gè)銑刀，其中銑刀中心線和導(dǎo)線中心

31、線垂 直，在無障礙物時(shí)和上面的除冰裝置類似，銑刀電機(jī)驅(qū)動(dòng)銑刀旋轉(zhuǎn)除導(dǎo)線兩側(cè)面 的覆冰，后面的楔形塊在機(jī)器向前行走的推力作用下可以破碎銑刀未清除的覆 冰.當(dāng)遇到懸垂線夾這樣的障礙物時(shí)， 首先還是行走電機(jī)停機(jī)，然后啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)螺 桿運(yùn)動(dòng)的電機(jī)，使電極正轉(zhuǎn)，在螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)下帶動(dòng)與螺母相連的楔形塊以及前面的 銑刀一起向前推進(jìn)，直到將通過懸垂線夾并且將線夾前面的覆冰除掉，直到當(dāng)一 只手臂越障后輪子可以落到導(dǎo)線上面為止. 當(dāng)除完該段覆冰后，螺桿電機(jī)反轉(zhuǎn)將 剛前進(jìn)的裝置收回，然后再進(jìn)行如上述的越障動(dòng)作?圖第 2套方案除冰機(jī)構(gòu) 電機(jī)H 整體圖 第七章 國(guó)內(nèi)除冰機(jī)器人專利 7.1 一種線纜除冰機(jī)器人（

32、申請(qǐng)人河海大學(xué)，公開日2008.11.19 ） 該除冰機(jī)器人，由機(jī)架、除冰盾、電源、夾持機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)構(gòu)成，除冰盾 的結(jié)構(gòu)包括振動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置和在向前進(jìn)方向的前端設(shè)有向盾牌， 盾牌固定前伸出的 若干根尖錐，振動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)機(jī)架上安裝振動(dòng)偏心電機(jī)， 安裝的振動(dòng)偏心電機(jī)帶 動(dòng)除冰盾前后運(yùn)動(dòng)；夾持機(jī)構(gòu)包括起碼兩對(duì)夾持導(dǎo)輪和夾持的開啟閉合裝置構(gòu) 成，開啟閉合裝置時(shí)合頁結(jié)構(gòu)，沒對(duì)導(dǎo)輪分別安裝在一側(cè)合頁上，圍繞著合頁軸 開啟閉合，采用夾持導(dǎo)輪，行走機(jī)構(gòu)采用行走電機(jī)和線纜驅(qū)動(dòng)輪構(gòu)成， 電源采用 蓄電池。 7.2輸變線路除冰機(jī)器人（申請(qǐng)人湯靖邦，公開日） 該輸變電線路除冰機(jī)器人包括主機(jī)， 所述

33、主機(jī)上連接柔性推動(dòng)臂、懸掛導(dǎo)向 臂，在柔性推動(dòng)臂的前端連接一顆開合點(diǎn)擊動(dòng)力組，懸掛導(dǎo)向臂的前端連接一開 合除冰工作頭，所述可開合除冰工作頭的前端可弧線擺動(dòng)的連接只少兩個(gè)正向除 冰轉(zhuǎn)到組。 7.3 —種可跨越障式多分裂除冰機(jī)器人（專利權(quán)人國(guó)網(wǎng)北京電力建設(shè) 研究院,公開日） 20J 該機(jī)器人包括：導(dǎo)線爬行裝置，用于所述高壓輸電線路爬行；旋轉(zhuǎn)除冰裝置, 安裝于所述導(dǎo)線爬行裝置，用于采用旋轉(zhuǎn)敲擊力去除導(dǎo)線上的覆冰；動(dòng)力裝置， 用于爬行裝置和除冰裝置，提供驅(qū)動(dòng)力；控制裝置，用于對(duì)所述導(dǎo)線的爬行以及 對(duì)所述旋轉(zhuǎn)除冰裝置的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。該機(jī)器人不僅適用于單導(dǎo)線除冰更適用于 多分裂導(dǎo)線的除冰

34、，該機(jī)器人通過傳感器感測(cè)障障礙物并實(shí)施有效避讓措施， 尤 其適合在諸多障礙的多分裂導(dǎo)線上作長(zhǎng)距離自主爬行。 7.4高壓輸電線路導(dǎo)線除冰方法與裝置 （申請(qǐng)人國(guó)網(wǎng)北京電力建設(shè)研 究院，公開日） 該除冰裝置包括：由燃料發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)線行走機(jī)器人， 所述的導(dǎo)線除冰裝 置還包括：旋轉(zhuǎn)除冰裝置，安裝于所述導(dǎo)線行走機(jī)器人，用于利用旋轉(zhuǎn)敲擊力去 除導(dǎo)線上的覆冰；動(dòng)力裝置與所述旋轉(zhuǎn)除冰裝置相耦合，用于驅(qū)動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)除冰 裝置選裝；控制裝置，用于控制所述導(dǎo)線行走機(jī)器人的移動(dòng)以及所述動(dòng)力裝置的 運(yùn)轉(zhuǎn)。本發(fā)明的高壓線路導(dǎo)線除冰裝置在導(dǎo)線行走機(jī)器人上安裝旋轉(zhuǎn)敲擊棒、 震 動(dòng)沖擊錐以及刮冰鏟，由這三個(gè)除冰裝置同時(shí)工作，通過橫向敲擊、軸向沖擊、 軸向擠壓有效的將導(dǎo)線上的覆冰去除。 7.5電力設(shè)施的微波除冰裝置和除冰方法 （申請(qǐng)人中國(guó)科學(xué)院電工 研究所，公開日） 該機(jī)器人由移動(dòng)裝置、微波輻射融冰器和微波電極切冰刀組成。 該裝置的除 冰方法采用微波輻射融冰和微波電極切冰兩種模式， 通過兩種模式的有機(jī)結(jié)合和 相互配合，應(yīng)對(duì)不同的覆冰狀態(tài)，對(duì)電力設(shè)施覆冰絕緣子進(jìn)行除冰。