高压线除冰机器人设计.doc

福州大学本科毕业设计（论文）开题报告题 目轻量化高速过障超高压巡线除冰机器人设计院、 系 机械工程及自动化 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 杨祥 学 号 021000438 指导教师 聂晓根 2013年 10 月28 日一、选题依据课题来源、选题依据和背景情况；课题研究目的、学术价值或实际应用价值随着我国经济的高速发展，超高压大容量线路越建越多，线路布局的地理环境也越来越复杂，如大面积的水库，湖泊和崇山峻林等，输电线路在冬季因冰雪危害引发的供电中断是时常发生的，线路维护工作非常艰巨，尤其是在我国云贵高原和川陕一带，由雾凇和雨凇现象，造成架空输电线路覆冰尤为严重，其修复难度大，修复周期长。不但影响铁路交通，而且影响了大众生活以及社会各行各业。因此，线缆除冰问题一直是全世界范围内急需解决的难点问题。2008年的雪灾不但给我国南方的交通造成了极大的破坏，深深地影响了人们的生活，而且对我国的电力系统带来了毁灭性的灾难，使我国的电力设施造成了巨大的损失。在整个冰冻期间，各地多次电网解裂和大面积停电事故，其冰冻范围之大，受灾面积之广是比较罕见的。在工作人员顽强的拼搏下，在社会各界的努力下，抗灾救灾斗争得到重大胜利，电力设施才得以修复，供电系统恢复正常。2011年1月份四川再次发生雨雪冰冻灾害天气，四川电网部分输电线出现覆冰情况，灾害致使500千伏超高压线路因故障停运。电网供应区人们的生活受到极大的影响。防止输电线路因雨雪冰冻而使电力设施破坏是保证国家电网电力系统正常运行，人民生活正常用电的最有力的途径，因此解决线缆冰冻问题，已是迫不及待。本课题拟设计一种装置来解决线缆因雨雪天气而造成的冰冻问题，线缆有各种各样的除冰方法，有手工除冰法，有加热融冰法，还有气动脉冲，机械除冰法等等，手工除冰法慢而危险，加热融冰法耗能比较多，不够经济，气动脉冲法实现起来比较空难，机械除冰法简单且易于实现，效果也应该较为理想，国外一些国家的地理情况与我国相似，甚至有比我国更为恶劣的，为了保证电力系统的可靠性，提高高压电线除冰的效率，维护工人的安全，开发一种可以替代工人进行除冰的新型设备一直是国内外相关研究的热点，因此研究机械除冰装置具有重要的实际应用价值和较好的应用前景。二、文献综述国内外研究现状、发展动态；查阅的主要文献通过这个课题的研究，能通过一种机械设备，较高效率的替代工作人员预防和除去因雨雪冰冻引起的线缆冰冻灾害，减轻工作人员的负担，保障电力设施的正常运行，降低电力公司的损失，保障人民生活的正常进行。如今一些国家也在研究线缆除冰问题，不少国家在此领域也有不少成就，线缆除冰技术关系到人们生活中的各个方面，除了电力公司设备设施，工作人员的安全外，还关系到交通运输，生活用电等。各种除冰技术及除冰方案也有所不同，目前国内外的除冰技术有30余种，常见的就有热力融冰法、机械除冰法、自然被动法和其他方法。热力融冰法1就是利用电阻焦耳效应发热来融化线缆上的覆冰，具体操作方法为当供电线缆上的冰层达到一定厚度时，先停止供电，断开供电导线与两端设备的联接，在线路的一段用临时导线将结冰的供电导线联通，而在另一端接上除冰用的临时电源和滑动变阻器调节电流的大小，使供电导线的温度保持在一定的范围内。 。已有的机械除冰法也有各种各样的机构形式：文献架空高压输电线除冰机器人设计 2给出了一种由曲柄滑块机构组成，滑块沿轴线方向高速往复滑动，冲击头与滑块固接，带动冲击头敲打覆冰。其冲击头构件零件图如图1所示： 图1 敲打式除冰冲击头这种机构除冰方式可以用于不同厚度形状的覆冰，但由于覆冰在低温下具有粘性，冲击头破冰后，可能在电线上粘有一层薄冰层，可能会使得破冰不够彻底，且影响除冰效率。文献高压输电线上除冰机器人的系统设计 3提出了一种压轮推进方式除冰机构，该机器人除冰刀具如图2所示： 图2 压轮推进式机器人刀具示意图 该设计机体上的两个固定压轮骑挂在输电线上保持机体的平衡，机体的重心位于输电线下方，另两个动力压轮分别与两个固定压轮配合，当推动动压轮时, 动压轮向上抬升, 与固定压轮配合从上下夹紧输电线, 依靠压轮与输电线的摩擦获得前进的动力，机体前部的除冰机构呈圆柱形, 分为上下两个。工作时圆柱形除冰机构旋转, 在推进过程中将覆冰切削成粉末而将冰破除。这种除冰机器人的优点是：此机构小巧玲珑，结构紧凑，刀具能够和高压输电线较好的贴合，而且刀身的弧形设计又能避免刀具对电线本身造成的切削伤害，这种刀具配合高速旋转的发动机，能达到较好的除冰效果，但是这种特殊的机构形式决定了它的除冰速度必然低下，相对其他方案，在同样的能耗下，可能效率不够明显。基于机械振动与撞击原理的电磁力技术和电脉冲技术4是为飞行器除冰研制的。但是，由于电磁力或电脉冲可以使导线产生强烈而又在控制范围内的振动，所以二者也是架空线路易接受的除冰方法之一。为飞行航空器除冰研制的基于机械冲击和冲撞的3种技术是：1985年由Finke和Banks、1988年由Mulherin和Donaldson、1991年由Graber和Mack等分别研究和改进的超声振动除冰技术5；1988年由zumwalt和Egbert、1993年Bond和Shin、1994年由Smith等分别研究和改进的电磁脉冲除冰技术；1992年由Martin和Putt、1996年由Loughborough和Hass等研制和应用的气动脉冲除冰技术6。电磁脉冲技术将是输电线路除冰最易接受的方法。美国堪萨斯州的wichita州立大学也提出了电脉冲法除冰(ElectroImpulse DeIcing，EIDI)，即利用电容器组向线圈放电，由线圈产生强磁场，在置于线圈附近的导电板(即目标物)上产生一个幅值高、持续时间短的机械力，使冰破裂而脱落，但在线路融冰研究方面因技术不成熟和费用过高没有达到预期的目的。湖南大学在2009年11月份申请的一份专利架空线除冰机器人的除冰机构7如下图所示：图3 破冰锥破冰机构示意图该装置安装于架空线除冰机器人的前端，其特征在于，在所述的除冰机构的前端设有冰刀底座，在所述的除冰底座上安装有用于在架空线除冰机器人推进过程中进行除冰的组合冰刀。所述的架空线除冰机器人的除冰机构还包括破冰锥套、安装于破冰锥套内的可伸缩的破冰锥、破冰锥底座、凸轮、弹簧和破冰电机。该除冰机构i结构简单、实用、安装、拆卸和更换都很方便，可以适用于不同覆冰程度的架空线，除冰效果好。参考文献： 1 王肖然. 供电线路快速除冰方案J . 发明与创新, 2008年6月。.2 李海，张吉等 .架空高压输电线除冰机器人设计J . 中国科技信息，2010年第19期。3 王超，魏世明，廖启征. 高压输电线上除冰机器人的系统设计J .机械工程与自动化，2010年2月。4 缪思怡，孙炜，张海霞. 基于小波矩的高压输电线路除冰机器人障碍智能视觉识别方法J ，机器人，2010年5月5 Serge Jourden. Deleer Installation at Lrvis Substation on Hydro Qurbecs High Voltage SystemJ.SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY，2009，Vol.3 No.1：P1-6.6 Lszl E. Kollr , Ossama Olqma , Masoud Farzaneh，Natural wet-snow shedding from overhead cables J. Cold Regions Science and Technology，2010,年5月7 王聪，孙炜，向阳琴. 架空线除冰机器人的除冰机构J . 机器人技术，2009年11月。三、研究内容1 学术构想与思路；主要研究内容及拟解决的关键问题（或技术）本课题拟采用两步除冰式装置，除冰装置的第一部分，即首先在整个机器的最前端采用两个高速铣刀（专用）从架空电线的两侧进行一次除冰（如图4所示），其次采用一对带有凹槽的圆筒式刀具夹着电线进行二次除冰，从而彻底的清理线缆上的冰层。行走装置采用两个个压轮，电机通过减速后将动力传送给动压轮，整个机器在压轮与线缆的摩擦力的推进下前行破冰。图4 一次除冰机构示意图滚刀线缆图5二次除冰机构示意图本课题的主要研究内容：(1) 除冰机器人的整个形状布局以及各个零部件的大小尺寸，材料，结构。(2) 除冰机器人在线缆上行走的运动形式及动力装置。(3) 两次除冰装置的具体机构及摆放的位置情况，使其进行有机的相互配合。根据上述研究内容，本课题需要解决的关键问题主要为：（1）两步除冰机构的合理工作方式及行走装置的工作方式设计。（2）在不同冰层的情况下，整体机构能保证最好的除冰效果。2拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析基于冰层强度和温度的特殊环境下工作问题的考虑，在设计中应该选择合适的材料，这种材料不但具有较好的强度和刚度，更重要的是，能在较冷的环境下能稳定的工作而不至于是刀具损坏，从而达到较好的除冰效果，延长刀具的使用寿命，且具有较高的除冰效率。整体结构的设计也要尽量考虑合理安排动力的分配情况，在保证最好的除冰效果下，减少能量损失。同时要考虑机器本身对线缆造成的负担。要选取合适的装置功率，更加有效的提高除冰效率效率，而不至于使线缆因机器自身重量过大而造成破坏。在设计传动装置时也要对其功率和传动比进行校核。方案选择方面，因为本研究用的是两步除冰装置，所以在方案方面我所使用的方案就是图4和图5所简单表示的方案，图4中两个高速刀具分别由两个高速电机直接带动，这种方案的好处是刀具能够获得较高的转速，省去了传动装置的能量损耗，考虑到冰的强度结冰的范围，理论上这种装置是有可行性的。在二次除冰的时候采用的是由一个电机带动，通过齿轮的啮合，实现两个滚刀同时旋转从而彻底除去残留的冰。通过更换不同的刀具，甚至可以在不同直径的线缆上工作，在布局和制造时也比其他布局形式有优势，制造方便，材料消耗少，维修也相对方便。针对本课题的研究内容及目标，拟采用下述技术路线：（1）查阅国内外相关文献资料，先设计装置的整体的结构，分析装置的工作状态，对装置的各个部分的工作过程和状态进行逐一分析。（2）设计一次铣刀除冰装置，其中包括电机的选用，刀具的材料，以及形状的设计。（3）设计二次滚刀除冰装置，主要是电机传动机构，即电机和滚刀之间的传动结构。（4）设计一次除冰和二次除冰之间的过度装置。计划采用先后依次除冰法。（5）对设计的各个部分进行逐一校核。保证装置的的常工作。工作流程图：装置整体和部分工作状态及结构的分析驱动装置的设计整体和部分装置的校核一次除冰装置的设计二次除冰装置的设计设计的技术路线及方案的可行性分析：在大学三年的专业课程我学习了机械原理，机械设计，热工学，机械制造，工程材料等多门机械专业基础课程，在机械设计方面也做过机械设计的课程设计，这个课题中的关键问题我已经可以用已经学过的基础知识和查阅资料及询问导师等方法来解决。此次课题选择的是分步除冰式方案。所谓分步除冰式就是结合已有的不同的除冰方式而设计一种综合进行除冰的装置，所利用的就是首先铣刀在高速旋转下沿着线缆将覆冰去除的装置，其次通过滚刀沿着线缆彻底将残余的冰去除的方案，两种装置都有前人曾设计过，结合这两种优秀的方案进行综合除冰应该可行的，