变电所绝缘子水冲洗机器人设计

姚 波，于兰英，吴文海，柯 坚，谭万秋

(西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031)

铁路变电所是铁路电力系统重要组成部分，负责将区域电网电能转换为适合电力牵引的电能。变电所绝缘子长期暴露在空气中，灰尘和其他污染物集聚在绝缘子表面，当空气湿度较大时，绝缘子表面污染物吸收水分，使得绝缘子表面的电导率增大，绝缘子的电气绝缘性大大降低，可能导致污闪事故［1］。为预防污闪事故的发生，需定期对绝缘子表面进行清理。目前主要的清理方式是带电水冲洗，包括固定式水冲洗和移动式水冲洗两种，其中固定式水冲洗一般应用于环境污染严重地区;移动式水冲洗使用移动水冲洗设备(如消防车或轮式带电水冲洗车)，采用人工手持水枪的方式对绝缘子进行带电水冲洗，这种方式对冲洗操作人员的技术水平和操作流程要求较高，并且需要较高的安全防护措施［2－3］。本文提出的绝缘子冲洗机器人与水冲洗车相结合，可取代人工对绝缘子进行冲洗，提高冲洗效率和自动化水平。

1 水冲洗机器人冲洗方案研究

水冲洗机器人主要针对铁路变电所内电压等级在110kV以下的绝缘子，铁路变电所内主干道路面宽度一般大于3.5m［4］，而所内巡视小道一般宽为1m，大型水冲洗车辆只能停在主干道上，无法靠近绝缘子分布区域。为对变电所内绝缘子进行精确冲洗，笔者采取的冲洗方案为冲洗车+冲洗机器人的组合形式，冲洗机器人可通过巡视小道靠近绝缘子区域。如图1所示，水冲洗车载有柴油发电机、电动机、离心泵、水箱等水冲洗配套设备［2］。工作时柴油发电机驱动电动机，电机带动离心泵，水箱内的高电阻率水经离心泵增压后，由冲洗机器人水枪射出。

图1 冲洗方案

2 水冲洗机器人总体结构设计

绝缘子水冲洗机器人如图2所示，包括冲洗机构、行走机构、通水管路、控制箱、蓄电池等部件。行走机构主要实现冲洗机器人的位置移动;冲洗机构主要实现水枪的瞄准;控制箱控制机器人各机构的运动;蓄电池为机器人各项设备提供动力;通水管路连通水冲洗车水箱和机器人水枪;下摄像机用于实时提取机器人周围环境信息;上摄像机和光电距离传感器安装在水枪支架上，上摄像机用于提取绝缘子图像信息，光电距离传感器用于测量绝缘子与水枪之间的距离;冲洗机器人采用防淋雨设计，外壳用不锈钢薄板制成;机器人尾部地线与变电所的地线端相连，起安全保护作用。

2.1 水冲洗机器人行走机构

水冲洗机器人行走机构主要实现机器人的自由移动。

图2 绝缘子水冲洗机器人结构示意图

因为铁路变电所内道路主要为水泥路面，路面平整且附着情况良好，所以水冲洗机器人采用轮式移动底盘，如图3所示。底盘轴距L=600mm，轮距B=720mm，为精简底盘结构和提高运行可靠性，转向方式采用滑移转向方式，机器人的最小转向半径，可以在宽度仅为1m的巡视小道转向。

水冲洗机器人的移动采用远程遥控，由于运动精度要求不高，因此可采用双直流无刷电机作为驱动源，每个电机输出经过减速机后带动两根同步带，以此驱动机器人一侧的两个车轮;机器人前端的车轮内侧安装有电磁离合器，在机器人冲洗作业时为保持底盘静止，电磁离合器通电结合锁死车轮。

图3 水冲洗机器人内部结构示意图

2.2 水冲洗机器人冲洗机构

水冲洗机器人冲洗机构功能为调整水枪姿态，瞄准绝缘子实现冲洗。机器人水枪安装高度为1.1m，绝缘子底部距地面高度大于 2.5m［4］，绝缘子长度为1.0m～2.4m，另根据带电水冲洗规范要求，可知110kV级别绝缘子冲洗水柱长度不得小于3m［5］，由几何关系，可确定机器人冲洗作业时，水枪的俯仰角度变化范围为16°。由于在绝缘子瞄准过程中，机构运动精度要求较高，因此选用伺服电机作为冲洗机构驱动电机。

冲洗结构如图3所示，包括旋转机构和俯仰机构［6］，旋转机构通过齿轮传动机构带动旋转支承和其上支架转动;俯仰机构采用有自锁功能的蜗轮蜗杆传动机构，带动水枪俯仰运动。两机构均采用伺服电机驱动，伺服电机控制精度高、运行平稳，可实现对绝缘子的精确瞄准，其中旋转伺服电机配带制动器。

2.3 水冲洗机器人管路系统

水冲洗机器人管路系统如图3所示，水枪通过高压软管与焊接在下壳体的T型管道连接，T型管下部安装旋转接头，可实现管路的旋转运动，旋转接头连接电磁开关阀，控制整个管路系统的连通和关闭。冲洗机器人与水冲洗车之间采用纤维增强软管连接，对水冲洗车上的冲洗配套设备起绝缘保护作用。整个管路系统最大工作压力为2MPa，考虑水枪喷射流量，管路内径选择为19mm。

2.4 水冲洗机器人主要性能参数

水冲洗机器人主要性能参数见表1。

3 水冲洗机器人滑移转向条件分析

水冲洗机器人采用滑移转向方式，底盘尾部拖动有软管，软管最长为20m，经过计算，需克服摩擦力最大为50N，对机器人滑移转向性能存在较大影响，需对机器人能否实现滑移转向进行分析。

表1 水冲洗机器人主要性能参数

机器人滑移转向时四轮受力情况复杂，为方便分析，假定机器人以低速转向，忽略加速度的影响，并作以下限定［7］:

1)忽略轮胎的接地面积，将地面与轮胎的接触看作点接触，轮胎的中心为接触点。

2)忽略离心力影响，车轮纵向速度为常量。

3)假定每个轮胎的附着力相等，即

式中:Fφ为单个轮胎的附着力;φ为附着系数。

4)机器人转向速度较低，不考虑载荷转移，则每个轮胎的滚动阻力

式中:f为滚动阻力;μ1为滚动摩擦系数。

5)转向时，每个轮胎的侧向阻力P与车重G成正比，即

式中:P为侧向阻力;μ2为滑动摩擦系数。

简化后的底盘受力如图4所示，点O为底盘几何中心，假定原地转向时绕瞬心O转动。

图4 水冲洗机器人转向四轮受力图

由式(2)、(3)和力矩平衡可得:

式中:F为每个车轮的驱动力;B为底盘轮距;L为底盘轴距;L1为拖动水管与轮轴距离;F1为水管对机器人的拉力。

冲洗机器人工作路面为混凝土路面，φ=μ2=0.9，μ1=0.02，G=1 000N，L1=0.06m，F1=50N。当四轮机器人能够实现滑移转向时，需满足，即:

将冲洗机器人的B和L的值带入式(5)，计算结果满足条件，即冲洗机器人可拖动水管实现滑移转向。

4 水冲洗机器人作业稳定性分析

当冲洗机器人进行冲洗作业时，水柱对机器人存在反冲力，在机器人轮胎锁死的情况下，轮胎和地面可能出现相对滑动，当反冲力足够大时机器人甚至可能会出现倾翻现象，造成极大安全隐患，因此有必要校核机器人稳定性。

变电所路面最大坡度仅为 3.5°［4］，对作业稳定性影响较小，忽略不计，又因冲洗机器人的轮距大于轴距，可知水枪朝行进方向水平冲洗时，冲洗机器人出现滑动或倾倒的可能性最大。冲洗机器人选择的水枪喷嘴大小和冲洗压力不同时，作用给机器人的冲洗反作用力不同。根据冲洗实验所得数据，冲洗最大反冲力F2=100N。

机器人的最大静摩擦力为 f1，计算得 f1=Gμ2＞F2，即最大静摩擦力大于反冲力，机器人冲洗作业时底盘不会出现轮胎滑移现象。

假定机器人重心位于底盘中垂线上，机器人的倾翻力矩为 M1，稳定力矩为 M2，水枪安装高度H=1.1m，底盘轴距 L=0.6m，根据公式 M1=F2H，M2=0.5LG，计算得M1＜ M2，即稳定力矩大于倾翻力矩，可知冲洗机器人朝行进方向水平冲洗时不会出现倾倒现象。综合可得机器人冲洗作业时稳定性符合要求。

5 结束语

本文针对铁路变电所环境，开发设计的新型绝缘子水冲洗机器人结构简单可靠、体型小、控制简单。但由于条件限制，设计过程主要倾向于理论分析和计算，缺乏实物实验支撑，后续将研究通过机器人的制造和相关实验，对机器人结构进行优化。

［1］ 徐和明，曹建.绝缘子污闪事故发生的原因及防止措施［J］.安徽电力，2005，22(1):19 －25.

［2］ 王佩，于兰英，王国志，等.铁路牵引变电所轮式带电水冲洗车设计［J］.中国铁路，2013(1):79－81.

［3］ WANG Ruzhang，SUN Lin.Safety and technique of hot washing［C］//ESMO＇93 － 1993 IEEE 6th International Conference on Transmission＆Distribution Construction＆Live－line Maintenance Proceedings.Nevada，USA:IEEE，1993:225 －239.

［4］ TB 10009－2005铁路电力牵引供电设计规范［S］.北京:中华人民共和国铁道部，2005.

［5］ GB/T 13359－2008电力设备带电水冲洗导则［S］.北京:中国标准出版社，2008.

［6］ 王国志，王兴民，单宝成，等.KJ－A型电气化铁道绝缘子带电水冲洗装置的研制［J］.电气化铁道，2003(1):26－28.

［7］ 张国君，杨世文.四轮车轮滑移转向结构条件分析［J］.拖拉机与农用运输车，2007，34(4):22 －24.