毕业设计（论文）-高压线除冰机器人除冰模块机构设计

页共33页1绪论1.1课题研究意义目前我国经济得到迅猛的发展，大容量且超高压的输电线路数量与日俱增，线路穿梭与跨越的地理环境日趋复杂繁琐，即有可能穿越崇山峻岭，又有可能经过江河湖海，各种环境日益复杂，将使线路日益难以维护；在我国的寒冬与初春季节，川陕与云贵高原以及两湖区域常常发生雾凇等现象，致使架空的输电线路常常积聚覆冰，使线路发生舞动与烧伤等现象，严重的话还会使线路中断与电杆倒塌，从而损毁了电网结构框架，使平稳地运作遭遇严重地威胁。假如情况极其特殊与存在严重的威胁，巡线员将采取操作杆或绝缘棒等设备为一些存在覆冰的线路除去冰雪，但采取人工方式除冰其危险性极强；所以目前全球电力公司需要尽快研究与妥善处理的课题是研发出具备较强实用性的输电线路的除冰与防冰技术，规避与预防特殊天气针对输电线路而导致形成的危害。全球普遍采取的除冰法包括热力与机械和自然以及机器人等，然而因为受到技术与成本和安全性等相关原因的约束，既有的除冰方法遭遇比较大的限制。目前机器人技术得到迅猛地发展，采取涵盖发挥除冰作用的装置的机器人针对输电线路予以除冰在技术上已具备可能性。对比于传统的除冰法，采取机器人法进行除冰能够保障人员的健康，不用进行停电，能随时转移负载，同时机器人在不进行除冰作业的时候还可以进行巡线，具有有一机多用的优点，发展前景广阔。1.2除冰机器人研究现状早在上世纪八十年代末期一些国家已采用机器人检测输电的线路；日本与加拿大等拥有先进技术的国家研究有关巡检线路机器人方面的内容。1988年Sawada等设计弧形手臂机器人实施巡线操作（见图1）。此机器人以驱动轮与夹紧轮沿导线各一对进行爬行，同时能够爬跃导线中的防震锤等相应的障碍物。机器人运用仿真人的攀爬原理。在遭遇线塔的时候，机器人舒展弧形的手臂，其两端紧抓线塔导线各两侧且使导轨产生。机身沿着导轨向电线塔另侧滑行；基于机器人夹紧轮将另侧导线夹紧之后，折叠弯曲的手臂且为下次攀越障碍作准备。图1弧形手臂巡线机器人1989年TRC研发了原型悬臂自动化的巡线机器人（见图2）；可沿着架空导线爬行较长的距离，能够实现诸多目视检查任务目标，检测损耗的电晕与绝缘子以及压力的接头等。可预处理所检测线路的故障，向地面员工进行传输。在机器人遭遇线塔的时候，它会像人类一样用手臂从塔的侧面越上去。图2TRC巡线机器人日本政法大学于1990年设计了一种电动列车馈线电缆检测机器人（如图3所示）。机器人由六对左右对称、相互连接的小车组成。采取多关节的小车结构与仿生管理系统，能够基于电缆通过相应的速度进行稳定地爬行，同时能够穿相应的障碍物。图3蛇形巡线机器人最初的时候针对线路的除冰机器人是2000年魁北克水电研究所设计出来的遥控车LinRover[1]（见图4）；开始仅实现清除线路中结冰的功能，之后循序渐进地成为实现多元功能维系巡线的平台。经由安装各种类型的模块，能够在架空的线路中完成红外探测与评估压力接头和清洗导线以及除冰等相应的任务；劣势是缺失穿越障碍能力，仅可基于线路塔间进行运作。经过多次技术更新，加拿大魁北克水电研究所于2006年设计了结构复杂、具有完整的越障功能的LinScout巡检机器人（见图5）。遗憾的是，巡检机器人没有除冰功能。图4LinRover遥控车图5LinScout巡检机器人上世纪九十代末我国一些研究组织积极广泛地开展研究巡线机器人方面的工作且获取丰硕的成果；1998年吴教授研发了架空高压巡线车[2]，采取单体三驱动轮框架，能够实现稳定行驶以及穿越障碍的功能，能够跨过绝缘子与振动锤等相应的障碍物，凭借近红外诊断故障技术对于线路予以有效地诊断。地面工作人员通过远程遥控，控制巡线车的移动以及越障。2005年山东大学以110KV输电线路特征为依据，在巡线机器人的设计上取得成功（见图6）。机器人结构包括柔性横臂与垂直伸缩臂和驱动制动装置及动力箱等；易跨越简洁的障碍物，然而机器的重量很大。图62006年科学院沈阳研究所设计了样本机器人(见图7)，能够巡检500kV线路；采取双臂悬吊架构，从而能够自动越过障碍物，机器人上安装摄像头从而有效地识别障碍物对于机械手位置加以有效地定位。凭借手臂运动能够越过防震锤等障碍物。图7湖南大学联合国防科技大学设计单臂（见图8）与双臂（见图9）以及三臂（见图10）除冰机器人。图8单体除冰机器人图9两臂除冰机器人图10三臂除冰机器人1.3除冰防冰技术的研究1.3.1防冰技术的研究防冰法指的是基于导线存在覆冰前便采取相应的技术与策略致使不能附着冰雪，或即使导线上已粘附了冰雪，可将荷载控制于导线能够承受的范围内。输电线路建设时，应该充分考虑输电线路走廊的地形、气候等因素，尽可能地规避易形成覆冰的区域。全球防冰法包括①基于预知的覆冰区域严重的线路中附加相应的热源或者充分地利用自己的热源进行加热操作，要使导线的温度维系于超过冰点的范围内；②基于输电线路的表面涂防冰雪覆盖的涂料[11]，使覆冰量得以有效地缩减；③在寒冷的区域采取具备光滑表面的导线规避粘附上相应的冰雪，从而实现防止覆冰的目的。1.3.2除冰技术的研究全球共有四十余种除冰技术，可将其划分成四种类型：（1）热力融冰法：采用外加热源或者短路导线所形成的热量，使导线中的覆冰得以脱落或融化，该措施具有高效、大面积清除输电线路覆冰的特点。目前有以下几种方法：①直流融冰法：切断两端线路，基于导线的前端加载直流的电压，同时短接末端，采取通过短路形成的相关热量对于覆冰加以融化。该方法在融冰过程中可以调节电力，具有一定的实用性。②短路电流融冰法：短接单相与二相或者三相的导线，使电流短路形成且使导线发热导致覆冰融化。一般情况采取“导线至导线”与“导线至地线”模式，均需连接和谐波电源，因此关键之处在于选取恰当的融冰电源。缺点是耗时较长，必须在断电的情况下进行。③激光热熔除冰法：以激光良好的方向性以及高效传输能量的优势为依托，在覆冰中照射激光且利用激光产生的辐射热量将覆冰融化，从而达到去除导线或绝缘子覆冰的目的。该方法可以实现远距离、非接触、可带电除冰，然而需要选择能够产生合理波长的激光发生器才可以达到理想的除冰效果。（2）机械除冰法：①1982年Phlman等提出adhoc外力除冰法，这种方法需要巡线人员依据现场的实际情况进行灵活变通，而却处理措施多种多样，比如敲击、撞击等。当输电线路处于断电状态，操作人员在可以触碰到覆冰的距离内时，可用人工方式进行除冰。例如在地面向输电线或避雷线投掷物体将覆冰击落，还可以用长棍、竹竿等较长的绝缘工具来敲击覆冰将其击碎。当输电线路处于带电状态时，可用电压级别相同的绝缘棒等工具进行敲打和撞击。除此之外，还可以将绝缘材料做成套圈套在输电线上，利用绳子牵引，沿着输电线拉扯，以铲除导线上的覆冰。这种方法既不安全，又缺乏有效性，效率极低，只能作为权宜之计，所以很少被人使用。②滑轮铲刮法是目前唯一达到实用水平而且应用效果最佳的架空电线机械除冰方法，这种方法适用于各类的覆冰。这种装置由滑轮、牵引绳以及环氧树脂板等部件组成。在地面的操作人员可以通过牵引绳或机动车辆来牵引装置。输电线因为滑轮施加的压力而发生弯曲变形，产生的弯曲应力导致覆冰破裂而脱落。需要注意的是牵引的过冲的避免损伤导线、防震锤、避雷线和绝缘子等元件。这种除冰方法的优点在于费用少、耗能少、操作简单，动作反应快，而且不需要特别复杂的技术和设备，具有很强的实用性；缺点在于除冰耗时多，不够安全，而且容易受地理因素和周围环境的限制。③1988年Mulherin等提出强力振动法，利用安装在导线上的外部震动器使覆冰的输电线发生震动，以达到除冰的效果。缺点在于产生的震动会加快缆线的疲劳，难以在工程中得到实际的应用。而且除冰的类型比较局限，只适用于铲除导线上的雾凇。（3）自然除冰法：不需要额外的能量而是依靠风、重力、随机散射和温度变化除去覆冰，为了更好的除冰可以增加一些辅助措施，例如：①基于输电线填加阻雪环等相应的元件，在导线中覆冰积聚至某种程度的时候，能够依托风等自然力的作用脱落，此方法的优势是耗费低廉的费用且易操作，然而假如导线不均匀脱冰的话，将导致导线进行跳跃且使安全方面的事故发生[12]②在输电线上涂疏水性涂层，减小冷却水在输电线上的粘附力，防止覆冰的堆积。该方法对导线上已经存在的覆冰无明显效果，只能用于防冰（4）机器人除冰法：它是在巡线机器人前端安装除冰装置，实现自动清除覆冰的方法。这种方法能够避免人员伤亡，而且功耗小、除冰效率高、移动负载以及无须停电等优点。2导线覆冰的分类及危害2.1导线覆冰的分类导线覆冰可分为三大类：根据结冰的形式可分为：雨凇、雾凇、混合凇等；雨凇是云层中过冷的雨滴降落在迎风面并碰到温度小于等于0℃的导线时形成表面粗糙透明的覆冰，密度为0.85g/cm³。因为密度大，所以产生的负荷较大，对输电线路的构成的危害最大。雾凇是大气中过饱和的雾气碰到温度低的物体后迅速升华或凝结，其结构较为紧密，密度在0.1~0.3g/cm³，粘附能力很弱，稍有震动就会掉落。混合凇是雨凇和雾凇的混合物，在输电线的迎风处冻结，使缺乏透明度的覆冰产生且密度介于0.5至0.9克/立方厘米之间，其表面是极其硬朗的且具有比较强的黏附力。根据结冰的形成机理可分为：①热力学平衡机理：覆冰指的是云层之中过冷却的水滴撞击至电线的表面上，且将热量释放出来并且凝固的流程。②流体力学机理：过冷却的水滴碰撞与摩擦导线表面而形成。③环境因素与电流以及电场耦合的机理：将电流的强度增加，能够使覆冰的质量缩减；电场的强度愈高，水滴撞导线的概率愈大，导致覆冰的质量增多；电场强度逐步增大，水滴在靠近导线的时候将使火花放静电的状态形成，致使水滴呈分裂现象，于是降低了冰密度。在电场的强度超出10千伏特/厘米以后，冰增加了粗糙的程度，平均的冰密度与覆冰的质量将快速地降低。（3）以冰横截面的形状为依据可划分成：①形状的截面规则或者近似于规则；一般情况下，其截面近似于圆形或椭圆；②截面的形状是非规则的，对于翼型或者冰柱予以凸显出来。图11覆冰横截面（4）根据输电线表面覆冰的生长过程可分为：①干增长：在输电线的覆冰过程中，如果输电线表面的过冷却水完全冻结，将其覆冰称谓干增长。②湿增长：基于输电线覆冰的流程，假如输电线的表面的一些过冷却水已冻结，将其覆冰称谓湿增长；在此过程中，处于冰水混合状态中，冰密度大且基于导线中牢靠地粘附，针对导线产生强烈的危害；上述划分类别的方法能够更好地研究输电线覆冰机理，同时能够深入研究有关热平衡与传递方面的内容。2.2导线覆冰的危害2.2.1线路过荷载线路在覆冰的时候输电线导线将会承受额外的负荷，基于垂直负荷作用，有可能使杆塔被压坏，以上是损毁铁塔以及成串倒塔的重要原因；由于线路覆冰将有可能导致不平衡张力形成，涵盖横向与纵向两方面的张力。2.2.2不均匀覆冰或不同期脱冰在输电线路产生覆冰不匀称或脱冰不同期的时候，将导致输电线形成张力差，导致输电线由于不平衡应力而在线夹内来回滑动，输电线路在滑动过程中，使外层的铝股呈现出断裂或抽动钢芯等现象，致使线夹的另一侧铝股变得细小，导致铝股夹杂于线夹的1至20米的地方。覆冰不匀称时意味着负载是静态的，脱冰不同期的负载是动态的，二者有所不同。在线塔长时间承受张力差的时候，绝缘子将产生偏离与碰撞的现象，最后遭遇损毁。2.2.3绝缘子串冰闪绝缘子覆冰闪络的主要原因如下:①纯冰具有很高的绝缘电阻，但是覆冰中的电解质增加了冰的导电性。浑浊的过冷却水附着在绝缘子表面。在融冰过程中，电解质溶于水中，形成导电水膜，改变了绝缘子串的电压分布，使绝缘子耐压的性能遭遇弱化。②在绝缘子串被大量覆冰覆盖的时候，将产生诸多冰桥且降低了冰闪的电压。假如绝缘子的覆冰使冰柱产生的话，绝缘子串将大幅度缩减爬距，于是缩减了泄漏的距离，于是降低了绝缘的强度。2.2.4导线覆冰舞动输电线路发生大幅低频振荡称为舞动，原因是输电线在承受其自重之外，还有受到覆冰以及横向风作用产生的静载荷和动荷载。输电线路的不均匀覆冰导致其断面不对称，改变了输电线路的气动特性。当风速在4～20m/s范围内时，导线将产生低频或者振幅较大的振动，导致相邻悬垂串形成摆动的程度是剧烈的，两侧导线的张力显著改变；轻则使跳闸现象发生；重则导致断线、交变短路、塔架倾斜或倒塌等电气事故。3除冰机器人机构3.1除冰机构除冰机构作为至关重要的环节，彰显机器人在除冰方面的效率，运作的原理是以传动组织的运动为媒介，对除冰构件发挥带动性作用，将线路中的覆冰予以清除。现阶段已研发出来的类型包括：①冲击式机构：采取弹簧力对冰刀予以带动、击碎附着于电线中的冰块施行除冰操作，湖南大学所研发的单体机器人采取此架构[3]（如图12）图12冲击式除冰机构此装置在机器人前方安装，构成要素包括电机与弹簧和凸轮等。通过电机的转动带动凸轮运动实现弹簧的压缩和拉伸，弹性势能转化为冰刀的动能，使其沿导线来回运动，铲除覆冰，除冰效果显著。但是导线必须穿过该除冰机构的中心，对除冰机器人的安装带来非常大的困难。并且因为破冰刀带有尖端，因此基于高压环境易导致尖端放电的现象产生，使系统遭遇不稳性因素的强烈影响。②铣削除冰机构：该机构由除冰电机驱动组合切削刀切削覆冰。湖南大学研发出两臂式机器人采取铣削机构实施除冰操作[4]（见图13）此机构增加彼此垂直的移动副两个，能够针对除冰机器人而言实现升降与铣刀间的开合操作，与机器人的越障需求相适应，其机动性较强，能够高效率无损伤的完成除冰作业。图13铣削式除冰机构③可越障式机构：与机器人进行配合施行越障除冰操作；2008年三峡大学研发的机器人采取此机构[5]（如图14）该机构由丝杆、驱动丝杆电机、支座、楔形块、铣刀电机、铣刀组成。其中，铣刀的中心线与输电线的中心线垂直，驱动丝杆电机可带动铣刀往复运动，配合除冰机器人在越障过程中完成除冰工作。图14可越障式除冰机构④击打式机构：对真人除冰的流程予以仿真；机器人经由装载于小车中的电动机带动主动杆进行运动，同时主动杆对被动杆予以带动且进行相应的运动；基于离心力作用，被动杆处在伸直的状态中，在被动杆碰撞电线后加以弯曲，以电线为媒介实现击打一次覆冰的相关操作。此方法需备两个条件，即冲击力与频率比较高，同时需数次敲打相同部位而使覆冰呈脱落状态。列如2019年桂林电子科技大学陈岳林等人设计的架空线除冰机器人的对称锤打式除冰机构[6]（如图15）该机构采用了对称锤打形式，锤击冰柱时两个锤击部的作用力大小相同方向相反，正好相互抵消，不仅避免了在破冰刀向覆冰冲击时由于反作用力经常导致破冰机构受力进而传递给机器人本体，造成震动甚至机器人翘起，长期如此容易引起故障甚至机器人从架空线上掉落的问题，还提高了破冰的效率；图15击打式除冰机构3.2行走机构行走机构是线路除冰机器人的至关重要的构成环节，成为设计机器人能否取得成功的核心要素；包括轮式行走与爬行以及步进式机构；其中爬行机构对于巡检管路更适宜。一般情况下超高压输电线的外径是18或16或14毫米；基于上述情境爬行与轮式行走机构的承载力存在微小的差距；步进式经由诸多手臂的交替爬行于导线中，其特点是低效与迟缓，同时运动是间歇性的；国网电力研究院设计出可越障式分裂机器人[7]采用此机构（见图16）图16分裂导线除冰机器人此机器人涵盖导线爬行与旋转除冰方面的装置，采取旋转敲击法除去覆冰；动力装置为上述装置提供相应的驱动力；控制装置控制机器人的爬行及除冰行为；上述机器人适用于单导线及多分裂导线的除冰领域。机器人经由传感器对障碍物予以感知，同时施行避障策略。轮式行走机构以行走轮及输电线路两者产生的摩擦力为依托，对于机器人的前行予以相应地驱动；其特征是能够稳定地运动且快速而高效。现阶段巡检机器人一般采取此机构[8-9]。除冰机器人以行走机构为基础，同时增加辅助性设备，实现远距离的越障行走以及破线除冰的功能；李国成等设计出来的除冰机器人的行驶架构[10]采取轮式越障机构（见图17），拥有极强的越障水准，提高了安全可靠性能与运作的效率。图17轮式越障机构此机器人的机构涵盖大臂伸缩与两伸缩机械手以及夹紧和行走轮等；拥有强大的越障能力且无需人工方面的帮助，安全可靠，极大程度的降低了劳动强度，工作范围广，效率高。3.3越障机构除冰机器人在运行时需跨越的障碍物涵盖绝缘子等（见图18）。图18输电线路结构示意图轮式行走能够实现越障功能，同时需辅助性机构；可选机构涵盖以下类型：①仿人手臂攀援机构的类型：一种为伸缩臂机构，当伸缩臂遇到障碍物时，首先调整伸缩臂的伸缩，然后模仿人类攀援的动作夹紧输电线，越过障碍物。另一种是辅助臂，当辅助臂机构遇到障碍物时，障碍物双侧悬挂两端手臂，机器人机身滑动于臂轨中，对于障碍物予以有效地规避。②多节分体结构采取仿生系统，结构各部位按照次序经由相应的障碍物。③轮臂复合机构依托的越障原理即在机械臂中安装行走轮，使轮臂结构形成，经由轮臂摆动与伸缩，使机器人实现越障的功能。轮臂复合拥有简单与紧凑的架构，基于相同的条件与情境拥有较轻的质量；仿人手臂发挥攀援作用的手臂拥有极大的伸缩与转动空间，可跨越障碍物的距离比较大，所以规避环境干预能力较强；多节分体机构拥有强大的抗干预能力，适用在障碍物跨越的领域中。然而分体机构具的特征是拥有多个关节且极强的自由度以及较为慢速的越障速度，其劣势是损伤电路的程度较高，所以其实验的意义更大一些。仿人手臂发挥攀援作用的机构比轮臂机构难度大，同时其探臂机构有效地识别与定位相应导线的时候，线路损伤的概率比轮臂复合末端行走轮远远高出。假如架设超高压的输电线路时遵守作业的规章，那么将已知障碍环境。以上述已知为依据设计出机器人的轮臂机构进行巡检，几乎可使跨越线路障碍的相关要求得到满足。目前机器人大多采取轮臂复合方式。2008年三峡大学设计出越障机构[4]，其构成环节涵盖行走箱与升降箱等（见图19-22）。为了简化除冰机器人的结构，控制系统更容易实现，该机器人采用轮臂复合机构，巧妙的线夹装置与仿尺蠖行走等形式使此机器人增强安全可靠性，同时使直线段越障方面的问题得到有效地解决。行走箱机构采用了螺杆驱动的方式，模仿蠕虫爬行，从而实现在导线上行走。图19行走箱机构当除冰机器人在越障时，夹紧机构的中线夹将导线夹紧防止机器人发生侧翻。其夹紧状态和松开状态分别如图20和图21.图20夹紧机构夹紧图21夹紧机构松开升降机构也是采用螺杆驱动的方式，实现将行走轮和除冰机构的升降，从而越过防震锤等障碍物图22升降机构图23整体图当除冰机器人遇到防震锤时，电机9、电机4停止工作，之后电机6开始工作，将前臂抬起到一定高度后电机6停止工作，然后电机9开始工作，带动前臂越过防震锤，最后电机6开始工作，将前臂平稳降落在输电线上，其越障过程如图24所示图24越障过程4除冰机构的设计4.1设计原则（1）质量轻由于除冰机构是在输电线上工作，所以其整体质量应在输电线所能承受的张力范围内。（2）耐低温，防水由于除冰工作主要在低温地区以及冰雪天气下工作，所以其整体结构上应能防止冰雪的渗入。（3）避免损伤输电线由于除冰方式主要采用铣削式和锤击式，这两种方式都需要安装冰刀，所以在除冰的过程中应掌握好冰刀和输电线的距离，防止冰刀对输电线表面的绝缘材料造成损伤，产生不必要的电力事故。（4）安装便捷由于输电线线路跨越的地理环境复杂繁琐，在安装的过程中本身就十分的困难，所以除冰机构应做到结构简单，安装方便。4.2方案设计（1）第一个方案基于冲击式除冰机构的除冰原理，将弹簧的弹性势能转换为冰刀的动能，使其能在导线上往复运动，铲除导线上的覆冰，但是这种方式存在以下两个弊端：①由于除冰装置只有一个，所以在除冰过程时，覆冰产生的反作用力直接传递到除冰机器人上，由于受力的不平衡会使机器人的尾部翘起，这将导致机器人坠落；②由于导线必须穿过该除冰机构的中心，对除冰机器人的安装带来非常大的困难。针对这两个弊端，本方案提出了对称捶打式除冰防冰机构，该机构设置了两个除冰装置，分布于导线的两侧，在捶打的过程中，由于作用力大小相同，方向相反，所以机器人的受力是平衡的，不会有坠落的风险。（2）第二个方案基于铣削原理，设置了两个铣削刀筒，刀筒上安装4个冰刀，理论上除冰效果会比第一个方案更好，而且在除冰装置上增加了左右开合装置，可以使除冰装置左右移动，能够适应不同的覆冰厚度。这两个方案的共同之处是增加了防冰机构，防冰的原理是采用在输电线上涂疏水性材料使得雨水不能附在导线上，实现除冰的同时，进行防冰措施。4.3对称捶打式除冰防冰机构4.3.1机构描述该机构由捶打式除冰机构和防冰机构组成，对称捶打式除冰防冰机构安装于除冰机器人前端如图25所示。图25对称捶打式除冰防冰机构捶打式除冰机构由传动轴、齿轮、电机、捶打连杆、锤击部、冰刀、弹簧、凸轮轴架、凸轮曲轴和凸轮组成如图26所示。弹簧一端与底座相连，另一端与冰刀座相连。除冰电机通过齿轮传动带动凸轮曲轴运动，凸轮曲轴与捶打连杆上的凸轮相互作用，实现弹簧的收缩和拉伸，弹性势能转化为锤击部的动能，实现对输电线路两侧进行捶打，使得冰刀能够切碎覆冰。图26捶打式除冰机构图27凸轮轴图28锤击部图29冰刀等轴测图图30冰刀截面图该防冰机构由涂料机构以及钢丝刷等组成如图31所示。涂料机构由涂料瓶、涂料刷、支撑杆、控制阀组成，将涂料瓶的开口环节朝下放置且固定于支撑板中，采取开启控制阀的形式对于涂料流动予以控制与管理。防冰工作分为两步：第一步，防冰电机转动，通过联轴器带动两侧的钢丝刷转动，清除击锤部敲碎的覆冰以及粘附在输电线上的雨凇、雾凇或湿雪，防止它们再次堆积形成覆冰。第二步，疏水材料通过中空的连接杆滴在输电线上，然后涂料刷将疏水材料均匀地刷在输电线上用来防止高压线覆水。涂料刷（图32）前端伸出的凸台用于铲除高压线上表面的覆冰图31防冰机构图32涂料刷图33涂药机构4.3.2设计计算覆冰在力学方面的性能包括环境的温度T等于零下10摄氏度的时候，平均覆冰密度约为850kg/m³，抗压强度，抗剪强度单个冰刀除冰分析剖视图如图34所示冰刀的刃宽度刃与覆冰表面的夹角为75°。图34除冰分析示意图计算除冰时的挤压力和剪切力设冰刀在覆冰中进入的距离是x，即么冰刀接触覆冰的面积等于接触面上受挤压力以及剪切力，分别计算如下：计算除冰所做的功除冰回复的距离a等于60毫米，全部冰刀进驻于覆冰距离最大等于60毫米，因此冰刀在这个过程中所作的功为也就是说冰刀完完全全进入的时候，需求1.91J的能量。设计出来的冰刀共计两把且需求的能量是：因为冰刀进驻于覆冰的时候，侧面和覆冰之间将存在一定的摩擦，但冰刀从薄至厚的楔形构成使覆冰的两侧遭遇比较大的压力，覆冰由侧面针对冰刀施加比较小的阻力，同时覆冰的材质属性是非致密性的，决定冰刀与覆冰基于侧面不能接触地过于紧密。所以在冰刀侧面阻止冰刀前进的阻力适中，取比率为60%的相关裕量，那么除冰消耗的一次总功率为计算弹簧的弹性系数弹簧的势能转化为冰刀除冰的能量，根据胡克定律可以计算出应使用的弹簧的弹性系数：计算除冰电机的功率弹簧压缩60mm的所需的力为：弹簧通过电机经由传动轴去推动凸轮曲轴而实现压缩，基于此流程，凸轮的曲轴在锤击连杆中作用且力臂等于10厘米，因此除冰电机需求的工作转矩最大等于：电机转速等于每分钟60r，也就是说每秒对覆冰锤一次，因此电机除冰的功率等于：根据《机械设计课程设计手册》表12-17，选取YC7124电机，额定功率为180w。（5）轴承选用轴承设计寿命根据轴承的选用原则，查《机械设计课程设计手册》表6-1，选取深沟球轴承6004，，轴承工作温度<120°故，工作转速。所选轴承合适（6）方案可行性分析该方案还未能实现除冰防冰一体化，不能调节冰刀间的宽度，如果覆冰过厚将会影响除冰机构的安装以及除冰效果，可行性不大。4.4铣削式除冰防冰机构4.4.1机构描述该机构由铣削式除冰机构和上述防冰机构组成如图35所示。图35铣削式除冰防冰机构铣削式除冰机构由支撑板、开合装置、除冰电机、冰刀旋转轴、冰刀筒、导轨、电机座组成如图36所示。图36铣削式除冰机构（爆炸图）图37铣削式除冰机构（整体图）除冰电机安装在固定的方形电机座内，其输出轴有效地连接冰刀的旋转轴，上述镶嵌式架构使电机实现密封，预防冰雪的融入。在除冰电机进行正反向旋转的时候，冰刀筒对冰刀予以带动呈正反向旋转的状态，提高了除冰的效率。为了适应不同覆冰厚度的除冰工作以及机器人的越障动作，除冰机构上增加了一个移动装置（如图38），可以实现左右左右移动。此装置的构成元素包括步进电机与丝杆等，步进电机在旋转的时候，经由齿轮对丝杆予以带动且旋转，基于丝杆转动、对电机座发挥带动性作用，使得除冰装置可以在导轨上滑动，当遇到覆冰较厚以及防震锤时，两个铣刀便可以进行开合运动。图38左右开合装置4.4.2设计计算假设除冰速度为，按照输电导线为LGJ400/50进行计算，该输电线直径为，取导线的直径与覆冰分别等于28mm与35mm，之后产生冰柱的直径等于98mm；如图39描述了除冰示意图：轴向面简图（b）横截面简图图39除冰分析示意图（1）计算切削面积导线直径，覆冰后形成的冰柱直径，则覆冰的截面积为在除冰的过程中，实际的切削面积约等于两倍覆冰的截面积，于是实际切削面积为（2）计算除冰电机功率环境温度时，覆冰的平均密度左右，抗压强度，抗剪强度。除冰估算除冰电机功率为除冰所需求的功率通过电机两个来提供，因此各电机功率为156W，《机械设计课程设计手册》表12-17，选取YC7124电机额定功率180W。轴承选用轴承设计寿命根据轴承的选用原则，查《机械设计课程设计手册》表6-1，选取深沟球轴承6018，，轴承工作温度<120°故，工作转速。所选轴承合适。锥齿轮的选择主动锥齿轮选用45钢调制处理，模数2mm，齿数30，齿顶圆直径，齿根圆径，分度圆直径，压力角，从动锥齿轮选用45钢调制处理，模数2mm，齿数20，齿顶圆直径，齿根圆径，分度圆直径，压力角，选取齿宽系数。选取，安全系数为S=1。计算齿轮传递的转矩。由《机械设计》图10-20查得区域系数：；由《机械设计》表10-5查得材料的弹性影响系数：；由《机械设计》图10-23查得接触疲劳寿命系数：；由《机械设计》图10-25d查得从动锥齿轮和主动锥齿轮的接触疲劳极限分别为；取较小者作为接触疲劳许用应力，即校核接触疲劳强度所选锥齿轮满足接触疲劳强度条件。方案可行性分析该方案相较于第一个方案，实现了除冰与防冰机构的一体化，并且可以调节两个冰刀之间的距离，可以适应不同的覆冰厚度，实用性更高。5总结设计的前期，我在网上搜集相关的文献，研究了除冰机器人的发展进程，除冰防冰技术的研究现状，覆冰的形成原理和危害以及除冰机器人的主要机构，深入了解了除冰机构的设计过程，为我后续除冰机构的设计打下了坚实的基础。设计的中期，对之前搜集的资料进行分析和总结，汲取前人的经验，取长补短，然后进行构思、绘图、零件校核、结构优化，最终设计了对称锤击式除冰防冰机构以及铣削式除冰防冰机构。①对称式捶打冰防冰机构相较于先前的冲击式除冰机构，除冰原理相同，但是前者利用作用于反作用力消除了机器人尾部翘起的可能，而且能在除冰的同时进行防冰。②铣削式除冰防冰机构实现了除冰与防冰结构的一体化，并且除冰装置能够左右开合，可以运用在不同的覆冰厚度。设计的后期，主要是进行论文的编写和排版，让我对office的操作更加熟练，认识到了论文的严谨性。

在本次的设计过程中运用到了一些专业课的知识，但是这远远不够，为此我自学了SolidWorks，能够进行三维设计，但是运动仿真功能使用得不够熟练。由于自己的设计能力有限，知识储备少，所设计的结构以及零件材料的选择上存在一些不合理的地方，不具备实用性，希望老师能够理解。参考文献[1]MontambaultS，PoulintN.TheHQLine-Rover:Contributingtoinnovationintransmissionlinemaintenance[C]//Proceedingsofthe2003IEEE10thInternationalConferenceonTransmissionandDistributionConstruction，OperationandLive-LineMaintenance，Orlando，IEEE：33-40.[2]吴功平，戴锦春，郭应龙等.具有自动越障功能的高压线巡线小车[J]．水利电力机械，1999，54：46-49.[3]王耀南.架空线除冰机器人的冲击除冰机构[P].中国发明专利，CN10157-2396A，2009-11-04.[4]魏书宁，王耀南，印峰，杨易旻.高压输电线路除冰机器人的除冰机构设计[J].中国机械工程，2012-04.[5]张屹，邵威，高虹亮，罗成，杨旸.高压输电线路除冰机器人的机构设计[J].三峡大学学报(自然科学版)，2008-12.[6]陈岳林.架空线除冰机器人的对称锤打式除冰机构[P].中国发明专，CN20959-2929U，2019-04-19.[7]李翔.一种可越障式分裂导线除冰机器人[P].中国发明专CN101-567538A，2009-10-28.[8]孙翠莲，王洪光，赵明扬等.超高压线巡检机器