输电线路检修用物料输送装置研究

卫晓东，梅 佳，熊 鹏，刘 达，周立民，王志军

(北京国网富达科技发展有限责任公司，北京 100070)

0 引言

我国架空输电线路里程长[1]，输电铁塔高度随着电压等级提升也越来越高。目前输电铁塔及线路检修仍然以人力登塔巡检为主，登塔检修人员工作量大，而且检修人员要携带必要的检修工器具攀爬铁塔，人员的体力消耗大，工作效率低。针对自重较大的检修物料，主要以人力运输和绞磨牵引运输为主，没有专门用于物料运输的作业设备。例如目前已经广泛研究应用的输电线路巡线机器人，主要在输电线路导线或地线上工作，但其自重较大，需要检修人员将巡线机器人从地面运送到铁塔顶部，并安装到工作位置。对于检修人员来说，在高空攀爬铁塔的同时随身携带巡线机器人难度相对较大，如何快速安全地完成运输任务是一项亟需解决的现实问题[2-5]。

针对输电线路检修作业过程中物料及工器具的运输需求，设计了一种输电线路检修用物料输送装置，对其机械结构及控制系统等进行了研究，生产了样机，并通过了实验室测试验证。该装置的研究可有效解决检修作业中存在的物料及工器具运输问题，减轻检修人员的作业强度，保证检修人员安全，提高检修作业的工作效率及自动化程度。

1 物料输送装置组成

物料输送装置沿固定安装于输电线路铁塔塔腿的导轨运动，用于输送检修用的物料以及工器具等，可避免复杂的铁塔结构识别问题，物料输送装置自身重量为20 kg，额定载荷为100 kg，其机械结构主要由本体框架、导向机构、传动机构及承载平台等构成。其中本体框架是物料输送装置的主体结构，作为导向机构、传动机构及承载平台等的载体；承载平台用于固定物料及工器具等运输载荷。物料输送装置控制系统包含动力电池、遥控系统及本体控制系统等。其中，动力电池采用直流48 V锂电池作为物料输送装置的动力来源；遥控系统包含发射机与接收机，接收机位于本体框架内部，接收机射频天线设置于物料运输装置本体框架外部。

2 物料输送装置机械结构

2.1 导向机构

物料输送装置导向机构由四组外导向轮与内导向轮组成。如图1所示，内导向轮固定在物料输送装置内侧凹壁结构上，外导向轮固定于导轨外侧。外导向轮与内导向轮均为圆弧结构，两者共同作用夹紧导轨四周的圆柱结构，仅保留物料输送装置在图示z轴方向的平移自由度，以引导物料输送装置的运动方向，导向机构的设计可有效简化物料输送装置的传动机构，提高实用性及运行可靠性。外导向轮和内导向轮均为不可拆卸的固定式结构，由于物料输送装置体积小、重量轻，直接从导轨底部装入导轨，可节省检修人员的安装和拆卸时间。

图1 导向机构

2.2 传动机构

物料输送装置运动方式基于齿轮齿条传动[6]，导轨表面加工有齿形孔，作为齿条结构，齿轮固定安装于物料输送装置，传动机构中电机经RV减速器驱动齿轮转动，与导轨上的齿形孔啮合，在导向机构的限制引导作用下，带动物料输送装置沿导轨上下运动，达到输送检修物料的目的。物料输送装置传动机构中齿轮为不锈钢材质，导轨为铝合金材质，齿轮在与导轨的齿形孔传动啮合过程中，会造成导轨不可逆的磨损损坏，进而导致设备运动平稳性和可靠性的降低，增加设备的维护成本。而导轨为附属于铁塔的固定式结构，要求使用年限与铁塔一致，更换磨损损坏的导轨难度较大。如图2所示，为降低齿轮对导轨的磨损，齿轮由一体式结构优化设计为模块化结构(分为齿轮主体和齿轮壳)，齿轮主体外部的齿轮壳为聚甲醛材质，其硬度低于铝合金，在与导轨齿形孔传动啮合时，齿轮壳比铝合金磨损的优先级高，以齿轮壳先磨损的方法来保护导轨不被磨损。为保证安全性，齿轮主体仍采用不锈钢材质，当齿轮壳磨损到一定程度后，可快速进行齿轮壳的维护更换工作。

图2 齿轮结构

3 物料输送装置力学计算

物料输送装置为高空作业设备，对安全性要求较高，采用Solidworks软件对其主要受力结构进行力学计算分析。力学计算基于有限元方法及第四强度理论，在软件中基于有限元方法仿真计算出物料输送装置的米泽斯等效应力。当计算的米泽斯等效应力不大于对应材质的许用应力，其结构强度就满足使用要求，结构安全。第四强度理论相应的米泽斯准则为[7]：

式中：为米泽斯等效应力，MPa；[σ]为许用应力，MPa。

物料输送装置本体框架为铝合金材质，承载平台为Q235材质。

铝合金材质许用应力为：

式中：σb为抗拉强度，MPa；nb为安全系数，取2.5。

Q235材质许用应力[8]为：

“上帝”为啥创造这些搬弄是非的人呢？长此下去，这些好事之徒、长舌之君难免有意无意地宣传丑化她，想待下去，可不容易啊！

式中：σs为屈服强度，MPa；n为安全系数，取1.5。

在Solidworks软件中对物料输送装置进行简化，保留主要受力结构，按照额定载荷工况条件下，对物料输送装置进行载荷和位移边界条件约束并划分网格，利用有限元仿真计算分布云图。

采用米泽斯准则(式(1))对结构强度进行判断分析。从米泽斯等效应力云图可知：Q235材质的承载平台位置米泽斯等效应力最大值为83.0 MPa，小于Q235材质的许用应力156 MPa，满足米泽斯准则，结构安全。

铝合金材质构件处米泽斯等效应力最大值为63.9 MPa，小于对应材质的许用应力80 MPa，满足米泽斯准则，结构安全。最大位移为1.077 mm，满足刚度使用要求。

4 物料输送装置控制系统

物料输送装置控制系统主要由遥控系统和本体控制系统构成，控制系统结构如图3所示。由检修人员操作发射机发出控制信号，接收机置于物料输送装置内部，接收发射机的控制信号，并传输到本体控制系统微控制器，将控制信号转换为电机的控制指令，对电机正反转进行PID闭环控制，实现物料输送装置的上升，下降和停止功能。由于物料输送装置沿导轨上下运行，为保证物料输送装置在停止的工况条件下，可靠锁止，不会由于自重及运输载荷原因导致设备下行，在电机上配备相应的失电电磁制动器，并由本体控制系统基于发射机的控制信号对其打开和闭合状态进行协同控制。本体控制系统流程见图4。

图3 控制系统结构

图4 本体控制系统流程

遥控系统结构如图5所示，其无线传输采用2.4 GHz信号频段。接收机由控制板、2.4 G模块和射频天线组成。相对于接收机，发射机还具备电池和输入单元，由电池进行供电，其输入单元提供检修人员操作的按钮及开关，检修人员根据实时的工作需求，操作输入单元，控制板获取输入单元的状态信号，对状态信号进行分析并完成协议编帧，编帧完成后的控制信号通过2.4 G模块进行发送。接收机由物料输送装置动力电池供电，持续等待接收发射机的控制信号。一旦接收到控制信号，由控制板对控制信号进行协议解析还原，解析还原后的控制信号发送到本体控制系统微控制器，完成遥控系统的工作任务。

图5 遥控系统结构

为确保现场的控制信号可靠，遥控系统发射机及接收机具有硬件和软件复位功能。当操作不当或其他原因造成接收机故障时，遥控系统可以及时复位，避免造成危险。

5 结束语

基于齿轮齿条传动方式，设计了一种以锂电池为动力的物料输送装置，以满足输电线路检修时物料及工器具的运输需求，避免了复杂的机械结构及视觉导航方式，提高了物料输送装置的实时响应特性、可靠性以及现场适用性能。通过输电线路检修用物料输送装置的研究，解决了物料输送装置在输电线路铁塔上的运动方式、远程控制以及可靠锁止等问题，实现了物料运输的工作目标。本装置的应用，提高了输电线路检修人员的工作效率，保障了人员安全，提高了输电线路检修领域的自动化水平。

以上对装置的研究思路及方向、具体机械结构及控制系统搭建进行了初步探讨，取得了一定成效，未来还有以下几方面需要深入研究。

(1) 输电线路特别是超高压及特高压线路现场电磁干扰问题相对复杂突出，对控制系统的抗电磁干扰性能要求较高，研究本体控制系统的可靠多冗余系统等抗电磁干扰系统是下一步的研究重点。

(2) 随着5G信息技术及人工智能、物联网技术的飞速发展，未来可将图像采集识别的AI技术以及5G信息技术融入到输电线路检修用物料输送装置中，使其不仅仅是物料及工器具的运输工具，也能成为检修人员的智慧感知终端，帮助检修人员识别铁塔爬塔通道上的故障点，使检修人员提前获取相关信息并做好对应的预案准备，为检修人员提供科学的决策依据。