輸電線路除冰機器人機械部分設(shè)計開題報告

1、. .本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告題 目：輸電線路除冰機器人機械局部設(shè)計學生*：學號：所在院(系)：機械工程學院 專業(yè)班級：機自091班 指導(dǎo)教師：2013年3月13日題 目輸電線路除冰機器人機械局部設(shè)計1、 選題的目的及研究意義 隨著我國經(jīng)濟的快速開展以及人民生活的不斷提高，保證電網(wǎng)平安穩(wěn)定運行變得越來越重要， 電力工業(yè)關(guān)系到國計民生。電網(wǎng)平安生產(chǎn)的關(guān)聯(lián)性強，影響電網(wǎng)平安的因素多而復(fù)雜，從一次能源， 到發(fā)、輸、配、用的任何一個環(huán)節(jié)出了問題，都有可能引發(fā)電網(wǎng)事故，造成災(zāi)難性后果。特別是，近年來發(fā)生的冰雪、地震等嚴重自然災(zāi)害，更是對電網(wǎng)平安形成了嚴峻的考驗。冰災(zāi)對電力傳輸?shù)奈：υ谟冢?/p>

2、網(wǎng)系統(tǒng)覆冰嚴 重時會斷線、倒桿塔，導(dǎo)致大面積停電事故，且事 故發(fā)生在嚴冬季節(jié)，大雪封山，公路結(jié)凍，難于搶修，造成長時間停電。因此，冰雪、凍雨是許多國家電網(wǎng)系統(tǒng)所面臨的嚴重威脅之一 。 2021 年年初，受北方南下強冷空氣西南暖濕氣流共同影響，南方區(qū)域的*、*、*、*等省遭遇歷史上罕見的雪凝災(zāi)害性天氣，電力根底設(shè)施遭到大面積的嚴重破壞，到2008年2月27日，低溫雨雪冰凍災(zāi)害造成南方電網(wǎng)10kV 及以上線路7541條被迫停運，35kV及以上變電站859座被迫停 運，10kV及以上線路倒桿倒塔及損壞126247基座。在1998年的美加冰災(zāi)中，Hydro-Quebec 的電力網(wǎng)絡(luò)超過3000km 受

3、到冰災(zāi)影響，造成1000座高壓輸電桿塔、30000座配電桿塔倒塌，4000臺變壓器需要修復(fù)。Hydro-Quebec和Ontario Hydro電網(wǎng)系統(tǒng)的維修費用為10億加拿大元。美國在大范圍和持續(xù)的電力中斷下，20條主要輸電線路、13000座電線桿、1000臺高壓設(shè)備和5000臺變壓器需要更換，費用高達1750萬美元。美加冰災(zāi)造成470萬加拿大人和50萬美國人遭受停電影響，其中40萬戶居民停電超過兩個星期，電網(wǎng)系統(tǒng)的修復(fù)直到10月份才完成。瑞典南部2005年1月遭受嚴重暴風雪災(zāi)害，風速 到達46m/s，電網(wǎng)系統(tǒng)、通訊以及鐵路公路等長時間停運，65萬人得不到電力供應(yīng)，電網(wǎng)修復(fù)時間長達7周。德國

4、2005年11月的冰雪災(zāi)害造成超過70條輸電線路倒塌，20萬人停電。 總之，輸電線路除冰問題已然成為一個世界性問題，而本課題的目的就在于設(shè)計一種可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)除冰方式的新型設(shè)備，盡可能的高效、快速、平安的完成輸電線路的除冰人物。盡可能減少線路覆冰為人民財產(chǎn)平安帶來的損失，同時減輕電力工作人員的工作難度和工作量。本課題研究的意義就是，由于我國地域廣闊，人口眾多，對電力的需求也是與日俱增；因此在各種地理環(huán)境中都設(shè)有大量的輸電鐵塔架設(shè)輸電線路。但是每到冬季就會面臨這樣一些問題，那就是輸電線路覆冰，對輸電平安造成嚴重隱患，尤其以2021年的雪災(zāi)為甚，雪災(zāi)造成了嚴重的損失。尤其是對輸電線路造成嚴重破壞，由

5、于輸電線路覆冰，而是線路被壓斷，甚至鐵塔被壓塌，對周邊的人畜造成很大的平安隱患。電力部門為了快速搶修線路，以防對居民生活帶來不必要的影響，派出大量的電力工作人員，進入受損區(qū)域進展搶修。但是線路覆冰較厚人力去除很難，而且也不平安。同時也浪費了大量的財力和時間，為了減少人力資源的浪費，也為了防止人力除冰過程中各種意外的發(fā)生，同時也是為了加快除冰的效率，我擬設(shè)計一臺能夠在輸電線路上自行行走的除冰機器人來代替人來完成輸電線路的除冰工作。以最快的速度幫助電力部門恢復(fù)電力，以免對居民生活、工廠生產(chǎn)等造成較大影響。輸電線路除冰機器人有著重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。能夠為國家在以后的輸電線路除冰方面節(jié)約人

6、力、物力、財力，把這些轉(zhuǎn)移到更需要的地方。而且輸電線路除冰設(shè)備也一直是國外許多國家研究的熱點，我國也是一個冰災(zāi)多發(fā)國度，有必要對機器人除冰技術(shù)進展研究，這不僅可以提高除冰效率，降低勞動本錢節(jié)省救災(zāi)時間，同時也有助于我國機器人技術(shù)的開展。另外，除冰機器人在平時也可用于線路巡檢，可以節(jié)約人力本錢，而且機器人也更為平安快捷，對于電能的輸送將會有至關(guān)重要的作用。2、 綜述與本課題相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、開展趨勢、研究方法及應(yīng)用領(lǐng)域等。目前機器人在輸電線路上的應(yīng)用主要為巡線，巡線機器人研究始于二十世紀八十年代末，每過、加拿大、日本等興旺國家相繼開展了巡線機器人的研究，九十年代末國內(nèi)的一些研究機構(gòu)也開場了對巡

7、線機器人的研究，并取得一定成果。與巡線機器人比較，除冰機器人的研究起步較晚，較早出現(xiàn)的輸電線路除冰機器人有加拿大魁北克機電研究院于2000年開場研制的LineROVer遙控小車。該遙控小車用于兩塔之間的除冰，但無越障能力。2006年該研究小組對遙控小車進展改進，使其構(gòu)造更為復(fù)雜，且具備越障能力。在國內(nèi)*大學在國家的科技工程資助下，聯(lián)合國防科技大學、*大學、*大學等多家單位，開發(fā)研制了單體除冰機器人和可越障的兩臂除冰機器人、三臂除冰機器人，積累了一定的經(jīng)歷。加拿大研制的機器人參數(shù)如下：1導(dǎo)線直徑D不大于25mm；2小車自重不大于20；3電機功率P=1.2W，電壓U=12V；4小車行走速度V=0.

8、27m/s；一部由*工業(yè)大學研發(fā)的“高壓線除冰巡檢機器人，有望幫助中國南方遭受低溫雨雪冰凍災(zāi)害的地區(qū)去除高壓線上的積冰，既可有效維護電力供應(yīng)，又可防止人工高危作業(yè)，提高救災(zāi)搶險效率。它長厘米、寬厘米，看上去就像吊在金屬電線上的小坦克模型。按下開關(guān)，它便緊緊地夾著電線穩(wěn)步前進，最前端安裝的兩把月牙形除冰刀有力開合，將附著在金屬電線上的冰凌擊碎。團隊負責人、*工業(yè)大學機電學院學生李瑩介紹，這部機器人重公斤，能除掉毫米線徑上包裹的直徑達毫米的冰柱，速度可到達每小時米。由于使用了小組自行研發(fā)的隨動越障扇輪、人字定心機構(gòu)、碟形鏈傳動等機構(gòu)，“除冰機器人可以在塔橋懸掛式電線上穿越障礙物且不減速，能爬上度的

9、斜坡，承受級風力。此外，機器人上裝有遠程遙控模塊，操作者可在室內(nèi)控制機器人，無線攝像功能可幫助工作人員在室內(nèi)通過視頻隨時觀察除冰動態(tài)及電線破損情況。機器人上部還裝有夜視燈，可以在夜間和霧霾天氣下作業(yè)。近年來由于機器人技術(shù)水平的不斷提高，除冰機器人的技術(shù)已有了較大開展，除冰機器人以后的開展趨勢將是1除冰理念的更新，以前涉及輸電線路的除冰，人們首先想到如何除冰，但除冰理念的不斷改進，我們應(yīng)該采用“防冰+除冰的新除冰放法；2更多的采用高智能化的技術(shù)，利用先進的計算機控制技術(shù)和人工智能技術(shù)開發(fā)的除冰機器人將成為未來除冰技術(shù)的主流，在整個除冰過程中，機器人可自主的導(dǎo)航、越障、除冰以及緊急故障診斷修復(fù)或反

10、響；3應(yīng)用復(fù)合除冰技術(shù)，集合各種除冰方法的優(yōu)點，揚長避短，到達最正確除冰效果；4除冰技術(shù)平安化，實現(xiàn)遠距離遙控，保證操作人員的平安。目前輸電線路的除冰方法主要有熱力融冰法、機械除冰法、自然除冰法和機器人除冰法。熱力融冰法，是指利用附加熱源或者導(dǎo)線自身發(fā)熱，融化冰雪的方法。目前常用的熱力融冰法有過電流融冰法、短路融冰法、直流融冰法三種。過電流融冰技術(shù)是在線路導(dǎo)線或者地線上通以高于正常電流密度的傳輸電流，獲得焦耳熱以到達融冰目的。但是過電流技術(shù)負荷大，停電時間長，操作難度大，是該技術(shù)推廣受到較大限制。短路電流融冰，是人為將輸電線路導(dǎo)線短接，形成短路電流，利用其熱量加熱導(dǎo)線以到達融冰目的。短路融冰技

11、術(shù)對供電系統(tǒng)有較大影響，消耗電量大且需要修改保護定值，同時還必須在短路情況下保證系統(tǒng)平安和重要用戶的供電，操作過程復(fù)雜、繁瑣，對調(diào)度員要求高。直流電流融冰原理是將覆冰線路作為負載，施加直流電源，用較低電壓提供短路電流加熱導(dǎo)線使覆冰融化。但直流電源融冰技術(shù)需要一種特種直流電源對其供電，該電源必須具有良好的恒流特性，并在負載擾動或者試驗狀態(tài)變化時做出快速響應(yīng)，以確保電源的穩(wěn)定加熱。機械除冰法是利用機械外力是線路上的覆冰脫落的方法，目前機械出兵的主要方法有“ad hoc、滑輪鏟刮法、電磁力除冰法和機器人除冰法。ad hoc法又稱為外力敲擊法，即有現(xiàn)場工作人員借助工具敲擊線纜除去覆冰的方法。該方法雖然

12、簡單易行，但只適應(yīng)于10kv為主的的近距離線路除冰，除冰效率低、工作量大，因此只是在緊急情況下的權(quán)宜之計，應(yīng)用范圍甚少。滑輪鏟刮法是地面上的操作人員通過控制輸電線路上的滑輪移動，借助里的作用使導(dǎo)線彎曲，從而使覆冰破裂。滑輪鏟刮法操作簡單、效率高、能耗小，且價格低廉，是目前主要除冰方法之一。但是這種除冰方式受地形的限制，平安性能還有待進一步完善。電磁力除冰法是將輸電線路在額定電壓下短路，短路電流產(chǎn)生適當?shù)碾姶帕κ箤?dǎo)體相互撞擊而使覆冰脫落的方法。但由于目前導(dǎo)線間短路引起的電壓降問題和對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響沒得到及時的解決，是該方法沒有被推廣。自然除冰法是指在不需要外力的情況下，僅靠自然的力量實現(xiàn)除冰的

13、方法。如在輸電線路上安裝阻雪環(huán)、平衡錘等裝置，在積雪或者覆冰到達一定程度時，借助風力、重力等作用自行脫落，這種除冰方法簡單易行，但具有較大的偶然性，不能實現(xiàn)可靠除冰；在線路外表刷涂憎水性材料或者吸熱圖層的除冰法，具有一定的研究價值，但由于自身的缺陷導(dǎo)致應(yīng)用前景受到較大限制。除了以上除冰方法外人工除冰、激光除冰也在研究當中。人工除冰方法主要是由維護工人通過拉纖方式敲打線纜使覆冰脫落，這種方法仍然是我國主要采用的除冰方法之一，但該法效率低下，環(huán)境對操作限制很大，且電力工人的生命平安受到極大的威脅。激光除冰法是利用高功率、高能量的激光對輸電線路進展除冰的方法。該方法具有遠距離、非接觸、外加熱源、不需

14、要在電網(wǎng)內(nèi)部增加設(shè)備、不斷電除冰等優(yōu)點，但目前激光除冰的系統(tǒng)龐大，本錢高，靈活性不夠。機器人除冰法也屬于機械除冰法的一種，它是利用安裝在輸電線路上行走的機器人的除冰機構(gòu)自動除去覆冰的方法。它是輸電線路除冰開展趨勢，具有功耗小、效率高、人員無損傷等優(yōu)點，上世紀80年代，以美國、日本、加拿大等少數(shù)興旺國家率先采用該除冰方法。隨后我國也開場了除冰機器人的研究，經(jīng)過近十年的努力，已取得較大突破。目前除冰機器人研究主要涉及除冰機構(gòu)設(shè)計、除冰機器人行走機構(gòu)設(shè)計和能量采集系統(tǒng)等方面。機器人技術(shù)的開展，它應(yīng)該說是一個科學技術(shù)開展共同的一個綜合性的結(jié)果，也同時，為社會經(jīng)濟開展產(chǎn)生了一個重大影響的一門科學技術(shù)，它

15、的開展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國加強了經(jīng)濟的投入，就加強了本國的經(jīng)濟的開展。另一方面它也是生產(chǎn)力開展的需求的必然結(jié)果，也是人類自身開展的必然結(jié)果，那么人類的開展隨著人們這種社會開展的情況，人們越來越不斷探討自然過程中，在改造自然過程中，認識自然過程中，實現(xiàn)人們對不可達世界的認識和改造，這也是人們在科技開展過程中的一個客觀需要。機器人的應(yīng)用領(lǐng)域研制機器人的最初目的是為了幫助人們擺脫繁重勞動或簡單的重復(fù)勞動，以及替代人到有輻射等危險環(huán)境中進展作業(yè)，因此機器人最早在汽車制造業(yè)和核工業(yè)領(lǐng)域得以應(yīng)用。隨著機器人技術(shù)的不斷開展，工業(yè)領(lǐng)域的焊接、噴漆、搬運、裝配、鑄造等場合，己經(jīng)開場大量使用機器人。另外

16、在軍事、海洋探測、航天、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、林業(yè)甚到效勞娛樂行業(yè)，也都開場使用機器人。從機器人的用途來分，可以分為兩大類：軍用機器人和民用機器人。軍用機器人主要用于軍事上代替或輔助軍隊進展作戰(zhàn)、偵察、探險等工作。根據(jù)不同的作戰(zhàn)空間可分為地面軍用機器人、空中軍用機器人(即無人飛行機)、水下軍用機器人和空間軍用機器人等。軍用機器人的控制方式一般有自主操控式、半自主操控式、遙控式等多種方式。    在民用機器人中，各種生產(chǎn)制造領(lǐng)域中的工業(yè)機器人在數(shù)量上占絕對多數(shù)，成為機器人家族中的主力軍；其它各種種類的機器人也開場在不同的領(lǐng)域得到研究開發(fā)和應(yīng)用。總體看來，假設(shè)按用途分

17、，民用機器人可以分為以下幾個主要類別：效勞機器人、工業(yè)機器人除冰機器人作為機器人家族中的新成員，研究和應(yīng)用目前都處于早期開發(fā)階段，現(xiàn)階段的應(yīng)用主要有輸電線路的巡檢及除冰，隨著技術(shù)的不斷開展除冰機器人在以后也許有著跟廣闊的應(yīng)用前景。3、 對本課題將要解決的主要問題及解決問題的思路與方法、擬采用的研究方法技術(shù)路線或設(shè)計實驗方案進展說明由于本課題主要針對的是除冰機器人的機械局部設(shè)計，不牽扯控制系統(tǒng)，將要解決的主要問題就是除冰方式的選擇，本課題采用兩步除冰式裝置，除冰裝置的第一局部，是除冰機器人前端的機械除冰夾，將線路上的覆冰敲碎，其次采用一對帶有凹槽的圓筒式刀具夾著電線進展二次除冰，從而徹底的清理線

18、纜上的冰層。行走裝置采用兩個個壓輪，電機通過減速后將動力傳送給動壓輪，整個機器在壓輪與線纜的摩擦力的推進下前行破冰。本課題的主要研究內(nèi)容：(1) 除冰機器人的整個形狀布局以及各個零部件的大小尺寸，材料，構(gòu)造。(2) 除冰機器人在線纜上行走的運動形式及動力裝置。(3) 兩次除冰裝置的具體機構(gòu)及擺放的位置情況，使其進展有機的相互配合。根據(jù)上述研究內(nèi)容，本課題需要解決的關(guān)鍵問題主要為：1兩步除冰機構(gòu)的合理工作方式及行走裝置的工作方式設(shè)計。2在不同冰層的情況下，整體機構(gòu)能保證最好的除冰效果。其次就是進展行走機構(gòu)設(shè)計、除冰機構(gòu)設(shè)計、越障機構(gòu)設(shè)計等。然后還要解決各個部件的裝配位置，以到達最好的除冰效果。除

19、冰機構(gòu)：除冰機構(gòu)是表達機器人除冰性能好壞的最重要部件，其主要工作原理是通過傳動機構(gòu)的運動，帶動除冰構(gòu)件鏟除輸電線路的覆冰。2021年有河海大學婁寶東等設(shè)計的線纜除冰裝置利用前后振動的盾牌擠壓覆冰線纜實現(xiàn)破冰，如下列圖其構(gòu)造簡單、輕便，但覆冰強度較大時，機構(gòu)除冰效果不佳。*大學王耀南等設(shè)計的沖擊式除冰機構(gòu)是采用安裝在機器人前端的破冰錐敲擊線路的覆冰如圖，然后通過組合冰刀鏟除覆冰，該法可適用于不同覆冰程度的架空線，除冰效果好。行走機構(gòu)：行走機構(gòu)是架空輸電線路除冰機器人的重要組成局部，是機器人設(shè)計成敗的關(guān)鍵之一。除冰機器人的行走機構(gòu)主要有步進式和輪式兩種，步進式通過多只手臂交替移動完成在線爬行，行走

20、方式為連續(xù)式，其移動速度慢、效率低。輪式行走機構(gòu)依靠電機驅(qū)動行走輪與導(dǎo)線之間的摩擦，驅(qū)動機器人前進。輪式移動爬行行走機構(gòu)具有移動平穩(wěn)、速度快、效率高等特點，因此現(xiàn)在巡線機器人多采用此種行走機構(gòu)。機器人的越障是設(shè)計的關(guān)鍵，目前的越障方法是越障時，始終保證兩臂掛線以及重心的小斷調(diào)整，保證機器人平安、有效和平穩(wěn)的越障網(wǎng)。機器人采用乎臂上升偏轉(zhuǎn)式越障，如下列圖，為機器人前臂越障過程。1行走電機驅(qū)動機器人在輸電線上行走，當前臂傳感器檢測到障礙物時，三個臂的行走電機同時停頓，機器人停頓前行。2前臂除冰行走機構(gòu)上升脫線后擺臂電機驅(qū)動前臂擺動至一定角度。3中臂、后臂的行走電機啟動，機器人前行至中臂傳感器檢測到

21、障礙停頓。4前臂擺臂電機反轉(zhuǎn)，前臂回擺至線上，除冰行走機構(gòu)下降至前臂抱線。中臂、后臂的越障與前臂根本一樣，簡述為:中臂上升、旋轉(zhuǎn)脫線;整體前移至后臂遇障礙、停車;中臂盤旋、下降抱線;后臂上升、后擺脫線;整體前移至后臂過障礙、停車;后臂回擺、下降抱線，完成整個越障的過程。這種越障形式簡化了越障過程，有效的節(jié)約了越障時間。 本課題就是根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)資料，設(shè)計除根為合理、高效、平安、快捷的新型除冰機器人。擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實施方案基于冰層強度和溫度的特殊環(huán)境下工作問題的考慮，在設(shè)計中應(yīng)該選擇適宜的材料，這種材料不但具有較好的強度和剛度，更重要的是，能在較冷的環(huán)境下能穩(wěn)定的工作而不至于是刀具

22、損壞，從而到達較好的除冰效果，延長刀具的使用壽命，且具有較高的除冰效率。整體構(gòu)造的設(shè)計也要盡量考慮合理安排動力的分配情況，在保證最好的除冰效果下，減少能量損失。同時要考慮機器本身對線纜造成的負擔。要選取適宜的裝置功率，更加有效的提高除冰效率效率，而不至于使線纜因機器自身重量過大而造成破壞。在設(shè)計傳動裝置時也要對其功率和傳動比進展校核。方案選擇方面，因為使用的是兩步除冰裝置，刀具分別由兩個高速電機直接帶動，這種方案的好處是刀具能夠獲得較高的轉(zhuǎn)速，省去了傳動裝置的能量損耗，考慮到冰的強度結(jié)冰的范圍，理論上這種裝置是有可行性的。在二次除冰的時候采用的是由一個電機帶動，通過齒輪的嚙合，實現(xiàn)兩個滾刀同時

23、旋轉(zhuǎn)從而徹底除去殘留的冰。通過更換不同的刀具，甚至可以在不同直徑的線纜上工作，在布局和制造時也比其他布局形式有優(yōu)勢，制造方便，材料消耗少，維修也相對方便。針對本課題的研究內(nèi)容及目標，擬采用下述技術(shù)路線：1查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻資料，先設(shè)計裝置的整體的構(gòu)造，分析裝置的工作狀態(tài)，對裝置的各個局部的工作過程和狀態(tài)進展逐一分析。2設(shè)計一次除冰裝置，其中包括電機的選用，刀具的材料，以及形狀的設(shè)計。3設(shè)計二次除冰裝置，主要是電機傳動機構(gòu)，即電機和滾刀之間的傳動構(gòu)造。4設(shè)計一次除冰和二次除冰之間的過度裝置。方案采用先后依次除冰法。5對設(shè)計的各個局部進展逐一校核，保證裝置的的常工作。四、檢索與本課題有關(guān)參考文獻資

24、料的簡要說明1 王肖然. 供電線路快速除冰方案J . 創(chuàng)造與創(chuàng)新, 2021年6月。.2 李海，X吉等 .架空高壓輸電線除冰機器人設(shè)計J . 中國科技信息，2021年第19期。3 王超，魏世明，廖啟征. 高壓輸電線上除冰機器人的系統(tǒng)設(shè)計J .機械工程與自動化，2021年2月。4 繆思怡，X煒，X海霞. 基于小波矩的高壓輸電線路除冰機器人障礙智能視覺識別方法J ，機器人，2021年5月5 Serge Jourden. Deleer Installation at Lrvis Substation on Hydro Qurbecs High Voltage SystemJ.SOUTHERN POW

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