大坡度双分裂导线高空自走平台的研制与应用

钟明亮 詹禹曦 李自步 杨进翔 白俊平 马小云 王伊 杨廷学 王峰飞 申红新

【摘要】为了满足输电线路大坡度特殊段的高空检修行走的便捷，需要有一个平台能够把人员输送到指定检修段。本文设计研制了一种新型自走式高空检修平台。根据现场导线的坡度，可以有效调节动力轮与导线的摩擦阻尼，安全行走在高度陡坡段，并有效通过间隔棒、压接管等障碍物。对高空平台的关键部件进了动力荷载试验、安全承载试验、整平台工作空间校核。结果表明，本文设计的自走平台在本体强度、工作性能都满足色剂要求，适用输电线路特殊段检修应用。

【关键词】新型自走式高空检修平台的设计；研制与应用

1、引言

随着电网的迅速发展，标准化要求的逐步提高。输电线路验收、检修作业对人员的数量、安全要求更高。导线检修是高空作业过程中的一项重要工作，加强加大导线检修的工作便利、提高检修工作效率和安全防护是亟待解决的重要问题。目前在导线检修环境，一方面是采用的人走方式；一方面是采用的飞车行走方式。这些方式都存在很大的安全隐患和工作效率问题，尤其一些坡度较陡的线路段没办法轻松顺利到达工作点。为此，针对现有的作业器具还有作业环境，我们团队展开研究，研发高空自走平台作业方式，解决陡坡线路故障点检修问题，降低检修工作负荷，实现可多人、安全、快速、可靠检修。

2、现有飞车、平台分析

目前国内外飞车一般动力有采用人力、电力、引擎等几种方式，但是，无论采取哪一种动力，由于动力轮与导线的摩擦接触面有限（如图1示），造成了现有的飞车平台最大的爬坡不会超过35°坡。国内的人力飞车最大的爬坡设计是25°，电动飞车最大的爬坡设计是20°，相对45°的导线坡度，可应用性为零。国外有引擎类平台（如德国ZECK的），设计的最大爬坡可以达到35°，但是本体重量超过了160kg，如果是施工现场还好说，但是针对线路的检修，要把这么重的一个平台搬到山里现场并吊装在线路上，这个可应用性也基本上为零。

所以，针对国内外现有的飞车、平台结构的研究分析，我们必须要针对导线与动力轮之间摩擦力效用做出研究分析，设计一个合理的结构，使得在导线坡度达到45°或以上的时候，我们的工作平台也不会出现在导线上打滑的现象，以保障高空作业的安全。

3、导线在45°破时，动力轮的摩擦效用研究与分析

3.1动力轮的选材与设计

动力轮作为整个平台的主要动力与支撑部件，针对受力分析时，它需要带有一定的强度和韧性，起到的效用与汽车的轮胎基本上一样。同时，考虑到平台整体的轻巧性，选择高强12#航空铝合金作为主体材质比较合适，根据常规导线规格（240-400mm2）作为参考依据，并且考虑到导线的接续管，轮子的槽宽设计应该大于等于48mm。另外，导线材质是铝质，考虑到磨损问题，动力轮的槽内必须要有柔性材料（如橡胶），不然动力轮与导线进行摩擦，会损伤导线。该柔性材料的选择才是重中之重，它关系到动力轮的耐用性及有限接触面积的情况下，摩擦效用的最大化。

实验选择了4种常规材料（丁腈橡胶、MC尼龙、聚胺脂、铁氟龙）作为轮槽压胶进行了模拟试验，其中丁腈橡胶的摩擦效用最好，但是太软不耐磨，于是在这个材料的基础上，我们重新加入了无纺耐磨砂布，加强了它的耐磨性，在不考虑美观的情况下，我们基本上优先选它。聚氨酯的通透性相对美观一些，在不添加砂布的情况下，可以保障良好的耐磨性，并且在摩擦效用上仅排在丁腈橡胶之后，该材料也可以考虑作为备选。

另外，动力轮要过间隔棒，我们在其内侧采用了花型设计，当动力轮遇到间隔棒的时候，不至于攀爬不过而打滑。

同时，还有一个因素与动力轮组相关……平台行走的速度与动力轮的底径成正比。我们正常人的地面行走速度为3-4kg/h左右，高空行走为了保证安全，我们设定的最大速度为2-3km/h之间比较合适，为了防止反转，我们选定了20：1的蜗轮蜗杆减速箱（经试验，15：1的减速箱在加载300kg的时候，出现反转现象）；匹配电机0-3000RPM可调（3000RPM为额定转速，输出的扭矩值最大），那么我们的主动轮的底径R不宜过大，也不宜过小。

最大時速V=πR*3000*60/20

考虑到轮径过大会造成动力轮太大，整体会太笨重，以及正常飞车在天空的行走速度，我们最终选择底径为80mm，空中的最大时速为2.26km/h。（最终可以根据动力轴上的链轮齿数差，来增大最大实际行驶速度。）

3.2摩擦效用与压紧力及坡度关系分析

我们所承受的摩擦力应为滚动摩擦力，滚动摩擦力的计算公式如下：

滚动摩擦力=正压力*滚动摩擦系数

导线的接触面本身并不会发生形变，而动力轮槽发生形变时，在正压力作用下，接触面的摩擦力增大而不会移位，所有动力轮的滚动实质为变形后的翻转，但支点O′在往前移。同理，此时重力G与支持力N的力偶矩为物体滚动的阻力矩，且M阻=Nδ。然后，随着坡度的增加，滚动摩擦力相应承载重力G的值相应增大，在接触面不变的情况下，增大中心传动轴的点扭矩，改变不了动力轮整体下滑的趋势，所以只有增大动力轮与导线之间的正压力来提高滚动摩擦力。

由于计算滚动摩擦力相对复杂，我们做了一个45°坡导线模拟现场，根据设计的理论重量及马达提供的转扭力来测试正压力与承载范围的极限。我们发现，在坡度保持在45°不变的情况下，随着承载重量的增加，需要的正压力也需要增加，同时对马达的转扭力需求也在增加，具体的测试数据近似值如下（选定的分别是丁腈橡胶和聚氨酯）：

根据表1数据分析，我们需要马达的转扭力值至少为2.4N.m，也就是马达在48V电源的情况下，功率不能低于780W，考虑30%的功率盈余，功率在1100W左右为合适。且马达输出轴直径不要低于19mm。

同时，我们也统计了在选定的马达情况下，用最大可承受的正压力设定值，我们模拟测试了承载重量与最大坡度的关系：

4、续航与安全控制研究设计

4.1持航

根据采用的电机功率1.1kW，为了便于野外作业，只能匹配直流电源。同时，供电电压越高，电路负荷的电流就越低，但是，电压过高，就会导致电源本体过大过重。综合匹配，我们优选48VDC。

I=W/U。（下转第页）

（上接第页）

电源工作时间h=C/I

根据以上公式，我们在满负荷的情况下，电源的电容量不能小于22.92Ah。由于电机不可能处于常态满负荷，我们以60%满负荷作为平均常态，那么一个小时的耗电量为13.75Ah，那么我们设定电源的电容量为30Ah48VDC，这样可以保障电机常态持续运行约2个小时，后备1个26Ah48VDC电源，那么可以保障4个小时的常态持续运行。如果线路比较平缓，平均常态负载将连60%都不够，运行时间也将超过4小时。就算100%满负载，也可以保障电机持续运行3个小时以上。

4.2安全控制

根据飞车的刹车原理，飞车的刹车采取的刹车方式其实和陆地上的自行车是一样的方式，是针对轮子锁死。由于工作平台采用的电动马达加欧轮蜗杆减速机作为主传动结构，本身便具有防逆向传动能力（只能从马达方向传动主动轮，主动轮不能传动马达），也就是说检修平台不存在飞车轮子逆走的情况（在大坡度时轮子在导线上打滑通过耦合挤压方式解决了轮子打滑的问题，小坡度不会打滑，耦合挤压方式同样可以作为保障方式）。

另外，平台下挂装置与行走装置采用外包方式连接，在导线外侧形成一个闭合圈，不会出现从高空掉落的情况。同时，动力轮采用内侧低外侧高的设计方式，极大避免了行走装置脱线的情况。

5、自重与安全可承载研究设计

5.1自重研究

为了野外的检修工作的方便，在达到目标效果的前提下，本体重量当然是越轻越好，根据各种金属的属性，及机械性能、安全承载等因素分析，在不同的部件选用的主体材质都将不一样。（6063#密度2.72X103kg/m3，12#及7075密度2.81X103kg/m3）

行走装置：

马达：铜线芯、铝合金外壳 X1

变速箱：40Cr调制蜗轮蜗杆、铝合金外壳X1

传动轴：40Cr调制钢X3

链条链轮：工业级12.5 X3

搭载台板：12#航空铝合金+承力筋（氧化加强）X2

龙骨角铝：6063航空铝合金50*25*5（氧化加强）X1

主动轮：12#航空铝合金+丁腈橡胶（氧化加强）X4

轴座：12#航空铝合金（氧化加强）X6

耦合壓紧装置：铝合金光轨+45C钢螺纹棘轮轴X2

外壳：1mm铝合金X1

下挂装置：

筐子：6063#航空铝合金（氧化加强）X1

筐子底板：6063#3mm防滑铝合金打孔板X1

连接板：12#航空铝合金（氧化加强）X4

固定连接杆：12#铝合金空心管（氧化加强）X2

棘轮装置：45C钢 +8mm钢丝绳 X2

5.2可安全承载试验

参考DL/T636-2006标准，我们的安全承载静负荷系数需要达到2.5倍以上，动负荷系数需达到1.5倍以上。也就是说，我们在45°坡的静荷载500kg的情况下不打滑，动载300kg能正常行走。动负载在前面的动力和摩擦力状态分析已经得到解决。只要保证45度坡度的情况下，只要能保障500kg静载不滑动，即为安全试验通过。

6、结束语

本平台可以广泛应用于水平双分裂输电线路的施工与检修工作中，尤其体现在西北等多山区地带，有效的解决了高坡度施工、检修人员的安全及便捷性问题。存在极大的市场推广价值。