歐發(fā)斌　廖偉寧　何邦權(quán)　張國(guó)永

摘 要：以輸電線路巡線清障裝置為研究對(duì)象，采用了線上雙輪支撐同側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以人工可操控的圓形鋸盤清理障礙物。給出了該裝置在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和清障機(jī)構(gòu)方面的硬件設(shè)計(jì)概況，并給出了清障車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)和輔助輪驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路，以及電機(jī)選型等細(xì)節(jié)。研究結(jié)論可為類似裝置的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：輸電線路；清障裝置；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3198（2015）14-0210-02

1 概述

輸電線路巡線機(jī)器人是當(dāng)前輸電線路運(yùn)行維護(hù)中的重要工具，同時(shí)智能化巡線機(jī)器人也是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，涉及到多個(gè)領(lǐng)域，如機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等多個(gè)方面，國(guó)內(nèi)在這方面的研究還處于起步階段。國(guó)外在上世紀(jì)80年代就已經(jīng)開(kāi)始這個(gè)方面的研究，如東京電力公司的Sawada等人研制了光纖復(fù)合架空地線巡檢移動(dòng)機(jī)器人，美國(guó)TRC公司研制的懸臂自治巡檢機(jī)器人的樣機(jī)系統(tǒng)，加拿大魁北克水電研究院的研究人員開(kāi)發(fā)的HQ Line Rover遙控小車等。國(guó)內(nèi)在這個(gè)方面的研究起步要晚得多，水平也相對(duì)落后。武漢大學(xué)研制的“220kV單分裂相線巡線機(jī)器人”、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的“500kV地線巡檢機(jī)器人”、中科院自動(dòng)化所研制的“110kV輸電線路巡檢機(jī)器人”等的樣機(jī)在地面已經(jīng)取得了成功，但在自主跨越障礙等方面仍然存在困難，這也是當(dāng)前巡線機(jī)器人方面的主要困難之一。因此本文從實(shí)用的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一種具有線上行走功能，以地面遙控操作為主的巡線清障車裝置，用于輸電線路巡線清障需要。限于篇幅，本文中僅對(duì)該巡線清障車裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)展開(kāi)探討。

2 設(shè)計(jì)任務(wù)

本文中研究的巡線清障車裝置適用于輸電線路檔距中間漂浮異物帶電消除，將清障車掛于導(dǎo)線上通過(guò)地面遠(yuǎn)程遙控裝置對(duì)該裝置進(jìn)行操控，代替線路運(yùn)行人員對(duì)導(dǎo)線異物進(jìn)行帶電消除，并對(duì)探視圖像進(jìn)行分析和判斷，及時(shí)對(duì)線路進(jìn)行探傷并完成異物消除工作，成果的實(shí)施可解決輸電線路檔距中間漂浮異物無(wú)法帶電消除的問(wèn)題，大幅提高線路清障的效率，全面提高線路的可靠性和安全穩(wěn)定性。

由上述設(shè)計(jì)任務(wù)可見(jiàn)，其主要實(shí)施途徑包括三個(gè)主要方面，一是清障車的線上行走能力，二是圖像實(shí)時(shí)采集和傳輸能力，三是對(duì)輸電線路檔距中間漂浮異物的清理能力。由于本文主要討論的是機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，因此主要探討滿足清障車線上行走能力和對(duì)輸電線路檔距中間漂浮異物的清理能力兩個(gè)方面的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 清障車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

清障車驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)要求主要包括以下幾個(gè)方面：（1）從實(shí)用的角度要求機(jī)構(gòu)小巧、緊湊、輕質(zhì)，便于攜帶及上下線操作；在故障情況下，防止除異物清障車摔落。（2）從運(yùn)動(dòng)控制的角度要求機(jī)構(gòu)的自由度盡量少，能實(shí)現(xiàn)解耦控制，并且具有符合要求的控制精度。（3）具有三個(gè)速度等級(jí)和前進(jìn)、后退兩個(gè)方向功能，線上清障車采用雙輪支撐同側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得上線更為容易，同時(shí)配合大摩擦系數(shù)的行走輪及大轉(zhuǎn)矩電機(jī)，使車體具備一定的爬坡和制動(dòng)能力。（4）在輸電線路帶電運(yùn)行情況下對(duì)輸電線路進(jìn)行檢測(cè)，抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)。（5）設(shè)備體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊、功能齊全、操作方便、安全可靠，特別適應(yīng)于除異物應(yīng)用。

在上述各設(shè)計(jì)要求中，重點(diǎn)是兩個(gè)方面，一是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，二是抗干擾機(jī)構(gòu)。前者主要是滿足在巡線裝置的在線上各種活動(dòng)需要，后者則是考慮在遙控條件下，裝置本身的低壓直流電源容易受到高壓輸電線路干擾，可能造成誤操作?，F(xiàn)分別對(duì)上述兩個(gè)方面做相應(yīng)設(shè)計(jì)。

3.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在本裝置的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)方面，由于是采用雙輪支撐同側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，故將其中一輪作為主動(dòng)輪，另一輪為輔助輪。對(duì)于主動(dòng)輪的控制采用三級(jí)速度控制，而對(duì)于輔助輪則只需具備啟停功能。對(duì)于主動(dòng)輪，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片和無(wú)刷直流電機(jī)組成主動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)，對(duì)于輔助輪，則采用繼電器加直流低速電機(jī)組成的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)。主動(dòng)輪和輔助輪在控制上的原理相同，如圖1所示。

上述各類機(jī)構(gòu)中，主動(dòng)輪的電機(jī)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，為了滿足設(shè)計(jì)要求，主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)器采用東菱電機(jī)公司生產(chǎn)無(wú)刷直流電機(jī)D120TYD-D CR 60M-30WG，該電機(jī)功率4W-900W。主動(dòng)輪功率驅(qū)動(dòng)器采用國(guó)際整流器公司的IR2130專用芯片，具有完善的自我保護(hù)功能、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。在主動(dòng)輪控制方面，采用雙閉環(huán)控制的控制策略對(duì)主動(dòng)輪的無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行控制。

對(duì)于輔助輪的電機(jī)選型，由于其要求相對(duì)不高，故采用啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的直流電動(dòng)機(jī)，同時(shí)可減少驅(qū)動(dòng)輔助電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，對(duì)于輔助輪的控制采用開(kāi)環(huán)控制，以繼電器的方式實(shí)現(xiàn)。繼電器對(duì)輔助輪的驅(qū)動(dòng)控制示意圖如圖2所示。

在電源方面，為了滿足大功率和穩(wěn)定性的要求，采用聚合物鋰電池組作為供電電源。為了避免干擾，在設(shè)計(jì)電源供電模塊時(shí)，采用分別在用戶板上設(shè)計(jì)電源供電模塊的方式，避免集中供電帶來(lái)的干擾。

減速箱選型方面，考慮電機(jī)的輸出額定轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的額定功率、額定轉(zhuǎn)速、減速比等因素，根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)上的渦輪渦桿和各個(gè)關(guān)節(jié)不同的負(fù)載需求，計(jì)算得到需要的電機(jī)和相配的不同的減速齒輪箱，限于篇幅在此不再贅述。

4 清障機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本文中設(shè)計(jì)的清障裝置為采取高速直流電機(jī)帶動(dòng)圓鋸片，利用高速轉(zhuǎn)動(dòng)將異物打碎，同時(shí)增加鋸齒功能，擴(kuò)大使用范圍，采用遠(yuǎn)程遙控控制方 式，對(duì)裝置在導(dǎo)線上進(jìn)行的前進(jìn)、后退、切割等操作進(jìn)行控制，滿足操作的微小服務(wù)要求，設(shè)計(jì)采用電子調(diào)速模塊控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)小型圓盤鋸的控制。

在圓形鋸盤的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面，由于需要清理的障礙物可能具有多種類型，因此圓形鋸盤應(yīng)具有很好的調(diào)速特性和寬廣的調(diào)速范圍，在這種情況下，采用直流電機(jī)是較好的選擇。本設(shè)計(jì)中以直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)圓形鋸盤，選擇型號(hào)的maxon RE36石墨電刷直流電機(jī)，齒輪箱減速比33∶1，從而為圓形鋸盤的轉(zhuǎn)速操控等留下足夠的操作空間。在驅(qū)動(dòng)電路方面，圓形鋸盤的驅(qū)動(dòng)電路采用H橋方式，H橋器件選用LMD1 8200芯片。該芯片是專用于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高性能芯片，具有CMOS控制電路和DMOS功率器件。通過(guò)借助主處理器、增量型編碼器等設(shè)備，可形成專用于圓形鋸盤控制的電子調(diào)速模塊，為圓形鋸盤的操控提供足夠的操作精度支撐，滿足操作的微小服務(wù)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

輸電線路巡線清障裝置是當(dāng)前輸電線路維護(hù)中的重要工具，也是研究熱點(diǎn)。由于具有高度智能化的巡線清障機(jī)器人的研制面臨實(shí)用性方面的困難，本文中設(shè)計(jì)了以人工操控為主的線上遙控清障裝置，可滿足線上行走和清障需求。該裝置可滿足當(dāng)前的清障需求，但作為未來(lái)的研究方向，還應(yīng)進(jìn)一步研究機(jī)器人的自主跨越障礙方面的研究，這要求進(jìn)一步改進(jìn)機(jī)器的行走機(jī)構(gòu)，使之具備一定的跨越障礙方面的自主能力，這也是當(dāng)前巡線機(jī)器人研究的熱點(diǎn)。作者將在當(dāng)前研究基礎(chǔ)上，未來(lái)將進(jìn)一步改進(jìn)其行走輪設(shè)計(jì)，提高機(jī)器的智能化水平。

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