一种不停电螺栓紧固作业装置研究与应用

宋红为 赵志海 马建文 马云飞

摘   要：在本研究中，针对高压输电线路引流板螺栓作为研究对象，并提出能够沿高压输电线行使且由双作业臂携带的一种螺栓紧固工具，进一步实现那耐张线夹引流板螺栓紧固带电作业装置，提出四臂移动作业的螺栓紧固装置，即移动机器人双臂携带螺栓末端的机械手和携带螺栓拧紧末端机械手，研究带电作业装置机械结构，分析了携带螺栓连接末端和作业末端性能的动力学模型，通过实际应用完成带电作业检测，进一步验证了该设计方案的正确性。

关键词：不停电  螺栓紧固  作业装置  研究  应用

中图分类号：TM75                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）11（a）-0026-02

由于高压输电线路运行环境较差，外界环境包括履冰，微风振动等都会出现导线振动，进而使耐张线夹引流板螺栓出现松动，由于接触不良而导致电阻增加，使引流板溫度快速升高，接触面氧化情况恶化，长时间会导致出现引流板烧毁问题，出现安全事故，这对于电网运行来说是十分不利的。带电作业是电网常用的检修方法，可实现在不停电的情况下完成电网检修，当前耐张线夹螺栓紧固作业是在人工等电位状况下完成的，容易受到带电作业距离因素的影响，工作人员很难实现这一动作，无法达到螺栓紧固扭矩的相关要求，甚至使用扳手套通无法套住螺栓。而带电作业装置可克服这种问题，进一步提高耐张线夹引流板螺栓紧固作业的安全性。因此在本研究中提出能够沿高压输电线路行驶，且由双作业臂携带螺栓紧绷末端工具，完成引流板螺栓紧固带电作业检修的装置。

1  螺栓颈部作业装置设计

首先从螺栓紧固中作业对象分析来看，耐张杆塔线路结构主要涉及导线，耐张绝缘子串，跳线，压缩型耐张线夹，其中在导线固定的作用下压缩型耐张线夹能够固定与耐张绝缘子串中，进而实现跳线导线的相互连接。压缩型耐张线夹结构是有引流板，钢锚，管体和线夹构成的，六角螺栓能够用于连接引流线夹和引流板，带电装置可对该螺栓构件完成紧固操作。

从装置的结构设计方案上来看，在人工开展螺栓紧固时通常需要固定螺栓，另一边还需要借助扳手完成螺母的拧紧操作，而带电作业装置能够模仿人的结构，利用双作业臂完成操作，其中一个机械臂用于螺栓固定，另一个用于螺母的拧紧操作，且作业末端使用内角套筒能够与外六角螺栓进行紧密配合，因此该装置作业臂需要调节末端作业装置，相对外六角螺栓位置，进而可以使螺母与内六角套筒处于同一种线，同时为实现螺母与套筒的连接作业末端，还需要具备一定的旋转自由度，可以使内六角套筒与螺母实现微调，此外由于耐张杆塔线路转角塔杆类型不同，在引流板和垂直面间存在夹角，这也为对接末端装置提出更高要求，因此在结构上作业末端装置需要对夹角有一定的自适应要求。针对上述要求提出装置结构模型主要是由装置本体结构，螺母拧紧结构装置和螺栓固定装置共同构成的，带电作业装置本体及平台为移动机器人双作业机械臂，能够固定在机体的前端，整个移动机器人是由双固定臂，行走轮，机体等电位轮共同构成的，在机体中双作业臂能够保持一定距离，实现反对称布置，固定臂与行走轮连接并沿导线行走，行走轮的一侧安装的夹爪装置能够用于护线，在夹爪装置旁存在等电位轮能够确保装置与导线实现等电位。在机体两侧分别布置了作业臂，采用移动关节和旋转关节串联的方式构成一种开放式运动链。

在作业臂中安装螺母拧紧装置，为使螺母拧紧装置结构简单实现最大化扭转力矩，应当采用涡轮涡杆传动进行扭矩的输出，同时这一装置具有良好的自锁效能，螺母拧紧电机减速器可以带动涡轮涡杆传动，进而可以使旋转轴旋转，能够为松开和拧紧螺母提供必要的扭转力矩，并带动内六角套筒实现微调操作。在螺母拧紧过程中，螺母被裹在前端内六角套筒中，为实现螺母和套筒的良好对接，在旋转轴和套筒间设计十字角完成连接，在十字铰架中同时还设置了旋转弹簧，能够确保在不受力的情况下内六角套筒可与旋转轴实现同轴。在旋转轴中还设置移动弹簧，当螺母与套筒前端接触之后可以通过作业臂纵向移动进而压缩移动弹簧，调节作业臂其他的关节位置使十字铰能够与螺母形成作用力，内六角套筒与旋转轴调整角度后，可实现与螺母对接，工作人员在平面上相互垂直的两个摄像头可用于螺母和套筒位置的观察，进而可对作业臂各关节和螺母拧紧装置进行调节，螺栓固定装置安装在另一个作业臂中，其结构模型如上所示，该结构是与螺母拧紧装置十分类似的，但相对来看，这一装置没有电机和涡轮涡杆，传动机构只需带有内六角套筒固定，且能够压住螺栓头限制转动即可。

从螺母拧紧装置末端性能上来看，螺栓拧紧作业末端主要是利用十字铰，进而可以使内六角套筒相对螺母具备位姿误差补偿能力，在本研究中需要对实现该补偿功能十字铰完成性能分析，能够准确分析螺母末端整体对于螺栓位姿误差的动态响应和相应捕获能力，进而可以使螺母作业末端实现高效运行。

从螺母装置末端传递扭矩上来看，在螺母拧紧装置实现未知的补偿功能的十字铰的机构模型主要是单万向铰链机构，当垂直面与引流板存在夹角时，此时内六角套筒移动角度能够与螺母进行位置调节，使其完全被覆盖。

2  螺栓紧固装置动力学分析

在实际作业过程中，该装置需要根据螺栓的具体位置进行作业臂的调整，各关节电机始终处于运行状态，这对于装置通道系统来说提出较高要求，动力学分析是连杆关节参数与驱动轮的关系分析，通过对装置反射动力学分析可得到关节驱动力，进而能够为实现动态控制提供参考。

动力学建模。该装置动力学建模使用的是牛顿，欧拉方法，kane方法以及旋量对偶数法等，其中Lagrange方法能够构建能量函数，通过能量建模无需求约束反作用力，能够避免方程中不需要的内力项，推导过程比较简便，利用该方法可以推导装置作业臂动力学模型，利用该方法构建巡检装置动力学方程式，需要建立拉格朗日函数，该函数被定义为系统动能与位能之间差。根据系统动力学方程，拉格朗日方程如下所示。

在作业臂动力学仿真过程中，通过利用仿真功能模块能够对该模型完成仿真操作，比如我们可以设置end time为20s，步长为1000，完成仿真测试后检测横移关节，旋转和伸缩，纵移关节，在整个运动中所受到的作用力矩和位移变化曲线，调用仿真处理模块得出各关节作用力力矩与位姿变化关系。在驱动力作用，各个关节能够按照预设轨迹确定运动关系到达最终的位置，比如对于横向关节来说，在5s内虽不会产生运动，但由于旋转关节运动会对其产生一定的耦合力，在前5s会受到作用力，并且出现对称关系，通过进行仿真结果分析，发现多处关节驱动力距高于仿真实际检测的力矩，满足实际使用要求。

3  结语

针对目前高压输电线路引流板在螺栓停工过程中的作业需求，在本研究中提出了螺栓螺栓紧固作业装置结构模型，并完成动力学分析。

参考文献

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