便携式电动收绳器的研制

新疆送变电有限公司 王 伊 牛 伟

近年来，随着输电线路运维长度的不断增加，线路高空检修作业量也不断增加。其中，绳索是检修中必不可少的工具之一。工作结束后，作业人员需要花费大量的时间需要进行绳索收纳，无形增加了工作人员劳动量。目前绳索的收纳主要以人工收纳为主，其主要使用流程如图1所示。

图1 绳索使用流程图

由表1可知，单次检修作业绳索平均使用时间为50.7min，其中梳理绳索和绳索收纳占比（绳索收纳28.62/53.24≈54%+梳理绳索17.3/53.24≈32%）为86%。因此，需要研制一款绳索收纳工具，该工具由电池驱动，不仅便于携带，在绳索收纳时不出现打结现象，使检修作业绳索收纳时长大幅度降低。

表1 绳索收纳用时统计占比图

1 材质选择与测试

围绕本次创新需求，集合课题内容及借鉴思路，充分发挥主观能动性，查找相关资料，收集信息，运用“头脑风暴法”提出了如图2所示的便携式收绳工具方案。

图2 装置结构设计示意图

1.1 整体材质选择

收绳器的外观、材质是关乎机器整体安全性能的重要因素，研究小组通过市场调研及网络文献查阅，依据熔点≥200℃，密度≤1.20g/cm3，拉绳强度≥5MPa三个选择条件，通过对常用的PLA材质、PC材质、ABS材质三种材料，分别取直径1.75mm，长度50mm材料作为试验原料，对其进行拉伸强度试验见表2。

表2 PLA材质、PC材质、ABS材质拉力试验

经试验可知，利用拉伸强度公式（拉伸强度（MPa）=力（N）/截面积（mm2））可知，PC材料的拉绳强度为（26.95N/1.75mm²）8.81MPa，PC材料可承受拉力最高26.95N。此外，其最高熔点为220℃，密度为1.20g/cm3，故选择了PC材质作为整体外壳。

1.2 驱动板选择

驱动板作为整个机器的“大脑”，其控制着机器运转的速率及稳定性，小组成员对电商平台销量较好的三款型号进行了对比分析，从功率≥300W，响应速度≥10MIPS，工作温度≤20℃三个方面作为选择条件（见表3）。

表3 驱动板选择

通过耐受电压，额定功率、响应速度、负载能力扥等方面比对、测试，最终选择小钢炮16.8V锂电钻控制板。

1.3 开关选择

开关是将物理信号转换为电信号的媒介，不同的控制方式其控制精度也略不相同，小组成员对手电钻中常用的几款开关进行对比分析，通过控制电压为16.8V，额定电流≥15A，调速范围1%～99%区间任意调速，选择了2106/169开关，其支持电压9～24V，调速方式为PWM任意调速。

1.4 电源选择

电源用于为整套系统提供电量输出，为了保证机械动力的稳定输出。小组通过市场调研，初选镍氢电芯和锂电池方案，并对其进行对比分析单节容量≥2000mAh，循环寿命≥500次，放电持续时间≥5h。经试验，采用恒流放电的方式，在环境温度约为25℃，终止电压为0.5V时，镍氢电池的电压随着的电池的使用内部的电压是一直在逐渐下降的，整个过程中，镍氢电池持续约4小时58分，锂电池持续约5小时19分，由此可见，锂电池综合性能高于镍氢电池，因此小组选用锂电池。

1.5 电机类型选择

通过比对，选用无刷电机，其重量为190g，发出噪声为12～22dB，使用寿命达7～10年。并经测试，无刷电机转换效率最高可达89.08%。

电机型号选择：根据需求，设计动力轮直径为35mm，C轮=3.14×35=109.9mm，依据作业目标5min内盘整完150m绳索，传送轮需要转：150000 mm/109.9mm=1819.9（r/min）。为使机械拥有更大的扭矩，初选3：1作为参考比例。

1.6 传递机构选择

传递机构之间的咬合情况是衡量作业质量的标准之一，小组提出三点咬合结构，并对其进行分析绳索脱出率≤5%，接触面积≥75%。经过在三点式机械结构测试中得出，可以在不同张紧力及不同绳索直径下稳定输出且脱出率小，因此本文选用三点式结构（如图3所示）。

图3 三点式结构传递结构

2 研究项目测试应用与效益

2.1 项目测试

小组对组装完成后对机器整体性能进行测试。总体测试其稳定性、安全性、便捷性，以及体积、质量和绳索是否脱出等情况。测试中，机器在平均5min内完成绳索的收纳工作，且机器整体运行平稳，收纳过程中未出现绳索脱出现象，且外观无明显形变及裂纹，该研制满足预期要求（见表4）。

表4 绳索脱出试验测试数据

2.2 现场应用

2022年10月，小组在750kV伊库一线及220kV皇林线进行应用试验，对绳索使用后的收纳进行试验，试验结果见表5。结论：经过现场实验及图表分析，使用便携式电动收绳工具收绳索的时间平均为4.5min，相较于传统收绳方式收纳时间大幅度缩短，达到本次课题设定目标值。

表5 试验数据统计表

2.3 其他效益

经济效益：2022年4～8月，北疆运检分公司开展检修82条·次，使用绳索的检修61条·次。使用便携式电动收绳器完成收绳工作平均需要4.5min，人工完成收绳工作平均需要50.7min。作业小组平均按5人/组计算，人工60元/h，所用车辆按450元/天/辆计算，误餐费50元/天/人，计算过程如下：约人工成本=（50.7min-4.5min）/60min×61条×60元/h=2818.2元；节约车辆费用=（50.7min-4.5min）/60min×61条/8h×450元/天=2642.1元；节约误餐费=（50.7min-4.5min）/60min×61条/8h×50元/天=293.6元；经济效益总计=人工成本+车辆费用+误餐费=2818.2元+2642.11元+293.6元=5753.91元。

安全效益：该项目的实施，减轻了人员的作业强度，保障人员的作业安全。通过采用新材料和新技术，降低了工器具的重量和作业的复杂程度，确保了特高压运行维护人员的作业安全；社会效益：通过运用非电力行业的前沿技术，实现特高压电网运行专用工器具的研究要求，解决了运维技术发展的瓶颈制约，促进了电网运行维护的科技水平。

综上，便携式电动收绳器的研制，根据检修现场的需求，从根本问题出发，在功能上满足高空检修时绳索收纳的实际需求，在安全性、实用性、便携性指标满足行业规定和现场工作要求。填补了高空检修作业时无法在短时间内完成绳索收纳的市场空白，减轻现场作业人员的劳动强度，有效提高了现场工作效率，全面提升检修作业的工作水平。