引言

絕緣子串是架空高壓輸電線路的一個重要組成部分,它起著支撐導(dǎo)線和防止電流回地的重要作用。絕緣子在自然條件下受粉塵、二氧化硫、氮氧化物等大氣環(huán)境的影響,工作電壓、操作電壓及雷電電壓、外力破壞、環(huán)境污穢、大風(fēng)雨雪天氣等無可避免的外部環(huán)境威脅,容易產(chǎn)生低值或零值現(xiàn)象,降低整條絕緣子串的絕緣強(qiáng)度,嚴(yán)重時甚至?xí)斐山^緣子串?dāng)啻?、?dǎo)線落地等情況發(fā)生。因此,更換輸電線路上有缺陷、損壞、殘舊等不合格絕緣子,防止出現(xiàn)線路故障就成為電力部門的一項(xiàng)常規(guī)任務(wù)。目前,帶電更換絕緣子串任務(wù)作業(yè)方法并不成熟,現(xiàn)場作業(yè)主要采用人工進(jìn)入強(qiáng)電場的方式,工器具笨重,技術(shù)操作繁瑣且危險性極高。盡管專業(yè)工具和施工工藝在不斷地改進(jìn)升級,但依舊不能改變?nèi)斯ぷ鳂I(yè)方式。

針對輸電線路懸垂絕緣子串的環(huán)境特點(diǎn)和更換任務(wù)需求,面向各分系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計,提出了一種新型輸電線路懸垂絕緣子串更換裝置機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、安全性好、作業(yè)方式簡單、作業(yè)效率高等特點(diǎn),而且可適應(yīng)不同尺寸的多種類型懸垂絕緣子串。

1環(huán)境描述與任務(wù)分析

絕緣子串環(huán)境如圖1所示,由于懸垂絕緣子串上端通過球頭掛環(huán)懸掛于桿塔橫擔(dān)上,下端通過螺栓與碗頭掛板連接,碗頭掛板通過懸垂線夾連接到輸電導(dǎo)線上,自然狀態(tài)下絕緣子串兩端都是固定的,因此要實(shí)現(xiàn)懸垂絕緣子串更換作業(yè),關(guān)鍵是松開位于碗頭掛板凹槽內(nèi)的連接部件螺栓,使絕緣子串的下端處于自由狀態(tài),以便于人工輔助更換。因此,針對輸電線路的環(huán)境特點(diǎn),基于更換絕緣子的任務(wù)需求,開展新型輸電線路懸垂絕緣子串更換裝置的設(shè)計。

2懸垂絕緣子串更換裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計

2.1懸垂絕緣子串更換裝置構(gòu)型分析

輸電線路懸垂絕緣子串更換機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,包括固定安裝支架、爬行驅(qū)動機(jī)構(gòu)、前作業(yè)手臂和后作業(yè)手臂。其中固定安裝支架一側(cè)的安裝座連接在輸電線路塔材上,另一側(cè)通過兩根絕緣桿連接在輸電線路上:爬行驅(qū)動機(jī)構(gòu)通過爬行驅(qū)動輪及輔助支撐輪安裝在絕緣桿上:前作業(yè)手臂具有兩個自由度,安裝在爬行驅(qū)動機(jī)構(gòu)的電氣箱體上,用于旋開連接金具的螺母:后作業(yè)手臂具有三個自由度,同樣安裝在爬行驅(qū)動機(jī)構(gòu)的電氣箱體上,用于夾住連接金具螺栓的六角頭。在對輸電線路懸垂絕緣子串進(jìn)行輔助更換作業(yè)時,爬行驅(qū)動機(jī)構(gòu)通過驅(qū)動行走輪在桿上移動,前后作業(yè)手臂到達(dá)預(yù)定位置后,兩作業(yè)手臂配合作業(yè)將金具連接螺栓拆下,從而達(dá)到帶電更換懸垂絕緣子串的目的。

圖2 更換裝置結(jié)構(gòu)示意圖

固定安裝支架包括安裝座、絕緣桿以及連接頭,安裝座一端固定在輸電線路鐵塔塔材上,另一端與絕緣桿上端連接,絕緣桿下端通過連接頭與導(dǎo)線相連。

爬行驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括爬行驅(qū)動電機(jī)、爬行驅(qū)動輪、輔助支撐輪、裝置主體安裝板以及控制箱體。爬行驅(qū)動電機(jī)與爬行驅(qū)動輪連接后固定在裝置主體安裝板上,輔助支撐輪通過支撐輪軸同樣連接在裝置主體安裝板上:裝置作業(yè)時爬行驅(qū)動輪與輔助支撐輪同時支撐在固定安裝支架的絕緣桿上:控制箱體內(nèi)安裝電子控制元件及無線傳輸系統(tǒng),控制箱外安裝有視覺傳感器及天線。

前作業(yè)手臂包括兩個自由度,第一個自由度為前工作頭移動關(guān)節(jié),作用是帶動其上的前工作頭抵住待拆卸的螺母:第二個自由度為前工作頭旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),作用是驅(qū)動前工作頭旋轉(zhuǎn)拆下連接懸垂金具的螺母。另外在移動關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)之間設(shè)計一個彈性關(guān)節(jié),作用是被動適應(yīng)前工作頭與待拆卸螺母的位置關(guān)系。

后作業(yè)手臂包括三個自由度,第一個自由度為后工作頭移動關(guān)節(jié),作用是帶動其上的后工作頭靠近待拆卸的螺栓六角頭,待前作業(yè)手臂旋開螺母后拉出螺栓:第二個自由度為回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),作用是帶動后工作頭旋轉(zhuǎn)到指定位置:第三個自由度為夾緊關(guān)節(jié),作用是當(dāng)工作頭靠近待拆卸的螺栓六角頭后夾緊螺栓六角頭。另外在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和夾緊關(guān)節(jié)之間設(shè)計一個彈性關(guān)節(jié),作用是被動適應(yīng)后工作頭與待拆卸螺栓六角頭的位置關(guān)系。

2.2懸垂絕緣子串更換裝置作業(yè)流程

依據(jù)輸電線路懸垂絕緣子串的環(huán)境特點(diǎn)和更換任務(wù)特點(diǎn),絕緣子串更換裝置作業(yè)流程如下:

第一步,安裝固定安裝支架。將固定安裝支架吊裝到待作業(yè)的輸電線路桿塔上,然后將安裝座連接到待作業(yè)絕緣子串上方的塔材上,再將第一絕緣桿和第二絕緣桿通過第一連接頭及第二連接頭連接到輸電線路的導(dǎo)線上。

第二步,安裝其余作業(yè)裝置到固定安裝支架上。將前作業(yè)手臂和后作業(yè)手臂安裝在爬行驅(qū)動機(jī)構(gòu)上,然后吊裝上塔:吊裝上塔之后將第一爬行驅(qū)動輪、第二爬行驅(qū)動輪、第一輔助支撐輪及第二輔助支撐輪等四個爬行輪安裝在第一絕緣桿和第二絕緣桿之間。

第三步,作業(yè)裝置爬行到位。同時控制第一爬行驅(qū)動電機(jī)和第二爬行驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動,帶動作業(yè)裝置沿第一絕緣桿和第二絕緣桿向下爬行,爬行到預(yù)定作業(yè)位置后停止動作。

第四步,進(jìn)行拆卸作業(yè)。前作業(yè)手臂和后作業(yè)手臂雙臂協(xié)調(diào)進(jìn)行作業(yè),前作業(yè)手臂的前工作頭旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)前端的六角套筒套住待拆卸螺母,同時后作業(yè)手臂的后工作頭夾緊關(guān)節(jié)前端夾持機(jī)構(gòu)夾住待拆卸螺栓的六角頭,旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)旋下螺母,然后作業(yè)手臂各關(guān)節(jié)動作抽出金具連接螺栓。

第五步,完成作業(yè)。完成拆卸作業(yè)后,作業(yè)裝置爬行到初始位置,輔助更換懸垂絕緣子串作業(yè)結(jié)束。

3懸垂絕緣子串更換裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1固定安裝支架設(shè)計

固定安裝支架結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示,由安裝座、第一絕緣桿、第二絕緣桿、第一連接頭和第二連接頭組成。安裝座固定在待作業(yè)桿塔楷材上:第一絕緣桿和第二絕緣桿一端固連在安裝座上,另一端分別通過第一連接頭和第二連接頭連接在待更換懸垂絕緣子串下方的導(dǎo)線上。這樣固定安裝支架形成一個框形封閉結(jié)構(gòu),是爬行驅(qū)動機(jī)構(gòu)及前作業(yè)手臂和后作業(yè)手臂進(jìn)行作業(yè)的基礎(chǔ)。

3.2爬行驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計

爬行驅(qū)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示,包括控制箱體、視覺傳感器、天線、第一爬行驅(qū)動電機(jī)、第一爬行驅(qū)動輪、第一輔助支撐輪、第二爬行驅(qū)動電機(jī)、第二爬行驅(qū)動輪、第二輔助支撐輪?？刂葡潴w是爬行驅(qū)動機(jī)構(gòu)中其余部件的安裝基礎(chǔ):視覺傳感器安裝在控制箱體上,其作用是引導(dǎo)前作業(yè)手臂和后作業(yè)手臂進(jìn)行拆卸金具螺栓作業(yè):天線安裝在控制箱體側(cè)面,其作用是進(jìn)行控制信號的無線傳輸:第一爬行驅(qū)動電機(jī)和第二爬行驅(qū)動電機(jī)安裝在控制箱體底板上,二者同時動作時能夠帶動整個裝置沿第一絕緣桿和第二絕緣桿上下爬行:第一爬行驅(qū)動輪和第二爬行驅(qū)動輪分別連接在第一爬行驅(qū)動電機(jī)和第二爬行驅(qū)動電機(jī)上,并且能在第一絕緣桿和第二絕緣桿上滾動爬行:第一輔助支撐輪和第二輔助支撐輪安裝在控制箱體底板上,能在第一絕緣桿和第二絕緣桿上滾動爬行。

圖4 爬行驅(qū)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

3.3前作業(yè)手臂設(shè)計

前作業(yè)手臂結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示,包括前工作頭移動關(guān)節(jié)、前工作頭彈性關(guān)節(jié)和前工作頭旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。前工作頭移動關(guān)節(jié)安裝在控制箱體底板上,其作用是使前工作頭旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)靠近或遠(yuǎn)離待拆卸螺母:前工作頭彈性關(guān)節(jié)用于連接前工作頭移動關(guān)節(jié)和前工作頭旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),其作用是被動適應(yīng)前工作頭旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與待拆卸螺母的位置關(guān)系:前工作頭旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)前端是一個六角套筒,通過前工作頭移動關(guān)節(jié)移動能夠抵住待拆卸螺母,然后前端的六角套筒旋轉(zhuǎn)旋開待拆卸螺母。

3.4后作業(yè)手臂設(shè)計

如圖6所示,后作業(yè)手臂包括后工作頭連接座、后工作頭移動關(guān)節(jié)、后工作頭回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)、連接支撐板、后工作頭夾緊關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)、后工作頭彈性關(guān)節(jié)、后工作頭夾緊關(guān)節(jié)。后工作頭連接座安裝在控制箱體底板上,是后作業(yè)手臂的安裝基座;后工作頭移動關(guān)節(jié)連接后工作頭連接座,其作用是使后工作頭夾緊關(guān)節(jié)靠近或遠(yuǎn)離待拆卸螺栓的六角頭;后工作頭回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)與后工作頭移動關(guān)節(jié)連接,驅(qū)動連接支撐板帶動后工作頭夾緊關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn);連接支撐板用于連接后工作頭回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)和后工作頭夾緊關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī);后工作頭夾緊關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)安裝在連接支撐板,其作用是用于驅(qū)動后工作頭夾緊關(guān)節(jié)的夾緊與松開;后工作頭彈性關(guān)節(jié)用于連接后工作頭夾緊關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)和后工作頭夾緊關(guān)節(jié),其作用是被動適應(yīng)后工作頭夾緊關(guān)節(jié)與待拆卸螺檢六角頭的位置關(guān)系;后工作頭夾緊關(guān)節(jié)前端是一個夾持機(jī)構(gòu),在后工作頭夾緊關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動下能夠夾住待拆卸螺栓的六角頭,待前工作頭旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)旋下金具連接螺栓的螺母后,后工作頭夾緊關(guān)節(jié)夾住待拆卸螺栓的六角頭在后工作頭移動關(guān)節(jié)帶動下抽出金具連接螺栓。

圖6 后作業(yè)手臂結(jié)構(gòu)示意圖

4結(jié)論

針對更換懸垂絕緣子操作任務(wù)的實(shí)際需求,本文提出了一種新型輸電線路懸垂絕緣子串更換裝置。本裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、安全性好、作業(yè)方式簡單、作業(yè)效率高等特點(diǎn),而且可適應(yīng)不同尺寸的多種類型懸垂絕緣子串,具有一定的實(shí)用價值。該裝置的特點(diǎn)如下:

(1)對不同類型的懸垂絕緣子串適應(yīng)能力強(qiáng)。本裝置爬行移動方式不依賴絕緣子串本體,可適應(yīng)不同尺寸的多種類型懸垂絕緣子串。

(2)對絕緣子串表面無磨損。由于爬行驅(qū)動部分不接觸絕緣子串,因此對絕緣子表面不會造成磨損。