引言

絕緣子是工作在高壓輸電線上的一種絕緣體,它將高壓輸電線桿與輸電線連接起來(lái),在這樣特殊的環(huán)境下工作,必定對(duì)絕緣體有著特別高的要求,它不僅要求絕緣體具有較強(qiáng)的機(jī)械性能,同時(shí)還要求有較高的絕緣性能。輸電線路的絕緣子工作在自然環(huán)境中,經(jīng)受著高電壓的影響及長(zhǎng)時(shí)間的外部環(huán)境侵蝕,絕緣性能難免下降,進(jìn)而變成不良的絕緣子,而不良的絕緣子嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。因此,針對(duì)長(zhǎng)期工作在高壓輸電線路中絕緣子的檢查工作顯得尤為重要,檢查絕緣子的狀態(tài),有利于保證高壓輸電線路安全工作。隨著電壓等級(jí)的提高絕緣子串長(zhǎng)度也在不斷增加,采用傳統(tǒng)的人工方法進(jìn)行檢測(cè)難度也大大增加,因此新型檢測(cè)設(shè)備的研制越來(lái)越重要。為了代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工操作的檢測(cè)方法,對(duì)于自動(dòng)檢測(cè)機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效的帶電自動(dòng)檢測(cè)迫在眉睫。

目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于懸垂絕緣子檢測(cè)機(jī)器人的研究甚為廣泛,伴隨產(chǎn)生了多種機(jī)器人。根據(jù)行走機(jī)構(gòu)工作原理,可以分為三種形式,分別為蠕動(dòng)式、履帶式和輪腿式。依據(jù)仿生學(xué)原理的行走形式,蠕動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)沿著懸垂絕緣子串蠕動(dòng)爬行,如韓國(guó)電力研究院研制的懸垂絕緣子清掃機(jī)器人和美國(guó)電力研究院研制的1ke機(jī)器人,該行走機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),其主要的缺點(diǎn)是步態(tài)控制復(fù)雜。高壓絕緣子維護(hù)清掃機(jī)構(gòu)由意大利學(xué)者LuigiParis研發(fā),采用履帶式的行走機(jī)構(gòu),通過(guò)履帶沿著絕緣子表面滾動(dòng)式地爬行,該機(jī)構(gòu)具有良好的適應(yīng)能力和承載能力,被廣泛應(yīng)用于各類越障機(jī)器人中,但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,機(jī)器尤為笨重。輪腿式行走機(jī)構(gòu)是利用多組輪腿與絕緣子瓷裙交替接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)沿著懸垂絕緣子串運(yùn)動(dòng),韓國(guó)電力研究院研制的絕緣子檢測(cè)機(jī)器人和中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的葉輪滾動(dòng)式懸垂絕緣子檢測(cè)機(jī)器人都采用了輪腿式行走機(jī)構(gòu)。輪腿式行走機(jī)構(gòu)工作原理簡(jiǎn)單,運(yùn)動(dòng)連續(xù)性好,體積輕便,但其對(duì)不同絕緣子串的適應(yīng)性、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性及承載能力較弱。

絕緣子串長(zhǎng)期工作在自然環(huán)境下的輸電線路上,根據(jù)這一外部自然環(huán)境特點(diǎn),考慮到檢測(cè)任務(wù)較為嚴(yán)峻,結(jié)合現(xiàn)有新型裝置機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì),本文提出了一種新型絕緣子檢測(cè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。這種新型檢測(cè)機(jī)構(gòu)可以分為四部分,分別是固定安裝支架、行走驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)向裝置及檢測(cè)裝置。新型機(jī)構(gòu)的行走移動(dòng)方式特別,不依賴于絕緣子串本體,可以適應(yīng)不同的絕緣子串,例如水平、垂直、單串以及雙聯(lián)或其他絕緣子串。該新型檢測(cè)機(jī)構(gòu)優(yōu)勢(shì)較多,它不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、上串操作簡(jiǎn)單,還有著較好的適應(yīng)性、較快的移動(dòng)速度,同時(shí)對(duì)絕緣子磨損較小,檢測(cè)準(zhǔn)確率及可靠性較高。

1任務(wù)需求與環(huán)境描述

在架空輸電線路中,比較常見(jiàn)的絕緣器件是盤形懸式絕緣子,根據(jù)《劣化盤形懸式絕緣子檢測(cè)規(guī)程》(DL/T626一2005)中的要求,針對(duì)分布電壓、絕緣電阻要進(jìn)行定期測(cè)量,同時(shí)這也是工頻耐壓實(shí)驗(yàn)中的一項(xiàng)重要檢測(cè)內(nèi)容。

通常而言,只會(huì)將絕緣子串處于鉛垂?fàn)顟B(tài)的情況納入研究中,這種狀態(tài)的表現(xiàn)形式是所有絕緣子片的軸線處于同一條直線上,如圖1(a)所示。實(shí)際上會(huì)有一些偏差,因?yàn)橄噜弮蓚€(gè)絕緣子片通過(guò)鐵帽和鋼腳連接,這樣僅控制了高度方向的參數(shù)和位移,對(duì)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)并沒(méi)有影響。根據(jù)《絕緣子串元件的球窩連接尺寸》(GB/T4056一2008),相鄰絕緣子片間臨界夾角按不同連接標(biāo)記規(guī)定為9°~12°,同時(shí)受到外界因素影響,如自然彎曲、安裝誤差等因素,實(shí)際輸電線路中的絕緣子串軸線會(huì)出現(xiàn)一段小角度范圍內(nèi)彎曲的空間曲線,如圖1(b)所示。現(xiàn)階段,人工登塔帶電檢測(cè)是國(guó)內(nèi)比較常見(jiàn)的檢測(cè)輸電線路瓷質(zhì)絕緣子的方法,該方法主要工作原理如下:電力操作人員登上鐵塔,利用攜帶的絕緣桿將絕緣子檢測(cè)裝置靠近絕緣子,并使絕緣子檢測(cè)裝置的探針與相鄰兩絕緣子的鐵帽可靠接觸,進(jìn)行絕緣電阻的測(cè)量,根據(jù)阻值的大小來(lái)判斷是否為低值絕緣子。圖1所示正是電力操作人員在檢測(cè)耐張瓷質(zhì)絕緣子串。

2絕緣子串檢測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)

2.1絕緣子串檢測(cè)機(jī)器人構(gòu)型分析

機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,該機(jī)構(gòu)主要由四部分組成,分別為固定安裝支架、行走驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)向裝置以及檢測(cè)裝置。固定安裝支架一側(cè)是絕緣齒條類型,起著驅(qū)動(dòng)行走裝置的作用,利用齒輪與絕緣齒條相嚙合驅(qū)動(dòng)行走驅(qū)動(dòng)裝置。在行走驅(qū)動(dòng)裝置上安裝了導(dǎo)向裝置,行走驅(qū)動(dòng)裝置的一側(cè)與檢測(cè)裝置相連接,這樣四個(gè)組成部分就關(guān)聯(lián)了起來(lái)。通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn)輸電線路絕緣子串的逐片檢測(cè):行走驅(qū)動(dòng)裝置在齒輪與齒條嚙合的驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)行走,并將檢測(cè)裝置送達(dá)預(yù)先設(shè)定好的位置,探針旋轉(zhuǎn)后搭接到鋼帽上,以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)工作。

固定安裝支架由三個(gè)重要部分組成,分別是固定安裝座、絕緣齒條和拉簧。將固定安裝座的一端固定在輸電線路鐵塔塔材上,較鏈與絕緣齒條與另一端連接,使用一根拉簧將固定安裝座與絕緣齒條連接。行走驅(qū)動(dòng)裝置主要包含下列組成部分:驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)齒輪、驅(qū)動(dòng)齒輪安裝座、從動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪安裝座及控制箱體。驅(qū)動(dòng)齒輪安裝座和從動(dòng)齒輪安裝座分別安裝在控制箱體的兩端,驅(qū)動(dòng)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)齒輪安裝在驅(qū)動(dòng)齒輪安裝座上,從動(dòng)齒輪安裝在從動(dòng)齒輪安裝座上:另外,電子控制元件及無(wú)線傳輸系統(tǒng)安裝在控制箱體中,位置傳感器安裝在控制箱外。

通過(guò)齒輪、齒條嚙合傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人上下移動(dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)該新型機(jī)構(gòu)的行走移動(dòng),這種驅(qū)動(dòng)方式不僅行走速度快、到位準(zhǔn)確,而且檢測(cè)效率較高。這種新型設(shè)計(jì)方式對(duì)絕緣子串的本體要求較低,可適應(yīng)、應(yīng)用于多種形式的絕緣子串。該機(jī)構(gòu)行走驅(qū)動(dòng)部分與絕緣子串互不接觸,只有導(dǎo)向架存在局部接觸,承受著的阻力較小,因而對(duì)絕緣子片涂層的磨損較小。使用這種新型機(jī)構(gòu)裝置,僅僅需要將固定安裝座連接到桿塔塔材的合適位置,不需在絕緣子串上安裝檢測(cè)機(jī)器人。電機(jī)通過(guò)齒輪直接驅(qū)動(dòng)檢測(cè)裝置的探針進(jìn)行運(yùn)動(dòng),檢測(cè)操作平穩(wěn),穩(wěn)定性好,搭接絕緣子鋼帽的可靠性高,進(jìn)而確保了檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。同時(shí)導(dǎo)向裝置起著保護(hù)作用,能夠確保機(jī)器人完成工作,不會(huì)從輸電線的絕緣子串上掉落,保證了機(jī)器人自動(dòng)、安全、穩(wěn)定、可靠地完成檢測(cè)工作。

2.2檢測(cè)裝置

如圖3所示,絕緣子檢測(cè)裝置主要由探針、電機(jī)和齒輪三部分構(gòu)成。

將檢測(cè)機(jī)器人主體送達(dá)預(yù)先設(shè)定的位置,啟動(dòng)電機(jī),并驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),在相鄰兩個(gè)絕緣子片間,將檢測(cè)探針搭接到其鐵帽上,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)裝置對(duì)絕緣子片絕緣電阻值的自動(dòng)檢測(cè)。)23工作流程分析

采用該機(jī)構(gòu)對(duì)輸電線路絕緣子串劣化絕緣子片進(jìn)行檢測(cè),主要有兩種狀態(tài):行走狀態(tài),如圖4(a)所示,探針旋轉(zhuǎn)避開絕緣子串:檢測(cè)狀態(tài),如圖4(b)所示,旋轉(zhuǎn)探針到鋼帽處,與鋼帽連接。

絕緣子串檢測(cè)機(jī)器人工作原理如下:

第一步,吊裝上塔。將整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)吊裝到待作業(yè)的輸電線路桿塔上,然后固定安裝座連接到待作業(yè)絕緣子串上方的塔材上。

第二步,安裝上串。將導(dǎo)向裝置安裝在輸電線路待檢測(cè)的絕緣子串上,使導(dǎo)向架緊靠在絕緣瓷瓶的瓶沿上。

第三步,行走到位。行走驅(qū)動(dòng)裝置中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作,驅(qū)動(dòng)齒輪沿絕緣齒條帶動(dòng)機(jī)器人本體向?qū)Ь€方向行走,當(dāng)位置傳感器檢測(cè)到信號(hào)后,驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

第四步,逐片檢測(cè)?？刂铺结橋?qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作,帶動(dòng)探針向待檢測(cè)的絕緣子片方向轉(zhuǎn)動(dòng),待探針可靠搭接到待檢測(cè)絕緣子片的鋼帽后驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng),絕緣子檢測(cè)裝置開始進(jìn)行檢測(cè)工作,檢測(cè)完成后控制探針驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作,帶動(dòng)探針?lè)祷爻跏嘉恢谩?

第五步,完成檢測(cè)。重復(fù)第三步及第四步的行走及檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行下一片絕緣子片檢測(cè),直到完成絕緣子串所有絕緣子片的檢測(cè)。

第六步,吊裝下塔。完成檢測(cè)作業(yè)后,行走驅(qū)動(dòng)裝置中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作,驅(qū)動(dòng)齒輪沿絕緣齒條帶動(dòng)機(jī)器人本體向桿楷楷材方向行走,直到回到機(jī)器人初始安裝位置,從桿塔塔材上拆除固定安裝座,再將整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)吊裝下塔,檢測(cè)過(guò)程結(jié)束。

3機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真證

結(jié)合上文的分析和設(shè)計(jì)尺寸,這里采用三維模擬的方式,構(gòu)建了機(jī)器人機(jī)構(gòu)及其工作環(huán)境下的模型結(jié)構(gòu),三維模型如圖5所示。絕緣子串的中心線與垂線之間存在一定的夾角,稱其為θ,不同的θ值代表絕緣子串不同的狀態(tài)環(huán)境,通過(guò)改變?chǔ)戎?模擬不同狀態(tài)下的三維模型。當(dāng)θ≈0o時(shí),絕緣子串為鉛錘狀態(tài),一般為直線塔處的絕緣子串:當(dāng)0o<θ<80o時(shí),絕緣子串處于傾斜的工作狀態(tài),通常處于耐張塔處的絕緣子串為這種狀態(tài)。

如前文所述,機(jī)器人行走到一定位置后,停止運(yùn)動(dòng),探針轉(zhuǎn)動(dòng)搭接到絕緣子兩側(cè)的鋼帽處,探測(cè)其阻值,完成檢測(cè)工作。結(jié)合障礙物的特點(diǎn)及機(jī)器人的工作環(huán)境,機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃示意圖如圖6(a)所示,機(jī)器人在齒輪、齒條傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)作用下,沿絕緣子串實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng),當(dāng)?shù)竭_(dá)指定位置后,齒輪傳動(dòng)停止:檢測(cè)裝置處的驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)探針轉(zhuǎn)動(dòng),完成探針與鋼帽的搭接,停留一定時(shí)間,完成阻值檢測(cè):檢測(cè)后,檢測(cè)裝置處的驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)探針?lè)聪蜣D(zhuǎn)動(dòng),完成探針與鋼帽的脫離:然后機(jī)器人在齒輪、齒條驅(qū)動(dòng)作用下沿絕緣子串繼續(xù)移動(dòng)。

采用step函數(shù)規(guī)劃各驅(qū)動(dòng)裝置速度,step函數(shù)如下所示:

式中,λ為變量參數(shù):h0為初始變量λ0的初始值:h1為終止變量λ1的終止值。

圖6(b)分別仿真了沿不同傾斜角度的絕緣子串移動(dòng)時(shí),即θ=0o、16o、+2o、48o、64o、80o時(shí)機(jī)器人需要的驅(qū)動(dòng)力,從圖中可知傾斜角度越小所需的驅(qū)動(dòng)力越小,機(jī)器人可以在較大傾斜角度的絕緣子串上完成行走作業(yè),這個(gè)最大的傾斜角度可以為80o。由此可以得到以下結(jié)論:機(jī)器人可以在多種類型的絕緣子串上工作,適用于水平、垂直等不同傾斜角度的絕緣子串。

從圖6(c)可以得到,傾斜角度直接影響著機(jī)器人與絕緣子串的接觸力,兩者之間的接觸力隨著傾斜角度的增大而變大,這里最大的接觸力不超過(guò)400N,接觸力越小,對(duì)絕緣子串的損傷也越小,進(jìn)而驗(yàn)證了新型機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、工作運(yùn)行的可行性。

4結(jié)語(yǔ)

根據(jù)高壓輸電線路絕緣子串檢測(cè)工作的特點(diǎn)及實(shí)際檢測(cè)工作需要,本文設(shè)計(jì)了一種新型絕緣子串檢測(cè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。根據(jù)分析數(shù)據(jù)及三維仿真結(jié)果可知,這種新型的檢測(cè)機(jī)器人,通過(guò)齒輪、齒條嚙合直接驅(qū)動(dòng)行走裝置,不依賴絕緣子串本體,適用于多種形式的絕緣子串。同時(shí)驅(qū)動(dòng)裝置與絕緣子串并不接觸,對(duì)絕緣子串的磨損較小。同現(xiàn)階段的其他絕緣子串檢測(cè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)相比,這種新型的檢測(cè)機(jī)器人,不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,上串操作簡(jiǎn)單,還有著較好的適應(yīng)性,較快的移動(dòng)速度,同時(shí)對(duì)絕緣子片磨損較小,檢測(cè)準(zhǔn)確率及可靠性較高。