输电拉线自动除锈防护装置的设计

王磊 胡昀 许建清 左源 余波明

摘  要：针对输电拉线锈蚀缺陷的工程实际问题，通过设计和创新，研发一种拉线自动防锈蚀处理便捷装置，包括装置的原理方案设计;机构设计和主要模块设计;虚拟样机三维建模和装配，从而提供一种操作简便、成本低廉、实用有效的拉线自动防锈蚀处理装置，防止拉线严重锈蚀而影响杆塔和输电线路的安全运行，提升拉线运维机械化水平。

关键词：输电;拉线;除锈;方案设计;机构设计;三维建模

中图分类号：TM726         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）01-0090-03

Abstract： In view of the practical engineering problems of wire drawing corrosion defects in transmission lines， a convenient device for automatic anti-corrosion treatment of wire drawing is developed through design and innovation， including principle scheme design， mechanism design and main module design. The three-dimensional modeling and assembly of the virtual prototype provides a wire drawing automatic anti-corrosion treatment device with simple operation， low cost， practical and effective， which can prevent the cable from serious corrosion and affect the safe operation of towers and transmission lines. improve the level of wire drawing operation and maintenance mechanization.

Keywords： transmission; cable drawing; rust removal; scheme design; mechanism design; three-dimensional modeling

引言

拉門塔是目前世界各国均已广泛采用的一种输电塔型。拉门塔受力的关键在于拉线，输配电线路不可避免地要经过一些酸雨严重、空气湿度大、有腐蚀性气体、阴雨多或者受环境污染的地段，这些不利的环境和自然因素，都给拉线造成较为严重的锈蚀现象，尤其是镀锌钢铰线拉线的锈蚀更甚，而拉线对杆塔的受力平衡起着关键性的作用，任何一根拉线遭到锈蚀破坏将严重影响杆塔的安全运行，严重时造成倒杆断线，而导致停电的大事故，给电网及地方经济带来经济损失。据统计每年工区运行线路有约300多根拉线锈蚀严重，需要花大量时间、人力和财力进行拉线更换。以往大多采用手工或简易工具对拉线进行除锈和喷漆防护，但进度慢、劳动强度高、且锈尘和油漆对人体健康有影响。另外，也只能对低处的拉线锈蚀部分进行处理，除锈防护效果大打折扣，如果要对高处进行处理就要高空作业，给人身安全和线路安全都会带来较大威胁。因此为了减轻拉线的运行维护工作量和运行费用，更重要的是保障线路安全运行，多送多供，就需要对拉线进行防锈蚀专门研究。由文献检索可知，目前尚未见用于拉线这种特殊用途线材的现场自动除锈设备的报道，因此本课题拟设计一种实用有效的拉线自动除锈防护装置，将具有积极的实用意义和推广价值。

1 技术要求及原理方案设计

根据YB/T 5004-2012《镀锌钢绞线》规范，高压和超高压输电线路架空线及杆塔用拉线推荐采用的是镀锌钢绞线，断面结构共12种尺寸规格，公称直径范围：7.8-17.5mm，安装倾斜角45度。研发针对在多规格尺寸、大倾角和细长型的拉线上进行自动除锈防护喷漆的装置，目前还没有现成的方案和产品可供借鉴和参考，另外还要考虑输电线路野外现场作业条件和环境的限制，要成功开发一种便携实用的拉线防锈蚀处理装置，还需要充分考虑拉线的结构特点、应用场合及期望实现的各种功能。

考虑到输电线路野外现场作业条件和环境的限制，结合拉线的结构特点和应用场合，确定装置的功能技术要求为：（1）可对尺寸规格在8-18mm范围的拉线进行锈蚀清除;（2）

具有足够的空间和负载能力，可模块化搭载相应除锈和刷漆装置;（3）保证装置可以沿拉线运动，除锈时的速度达到450米/小时，续航时间2小时;（4）具有较小的质量和体积，单机重量小于10千克，便于携带和投送。

由于拉线一端与地基固定，一端与输电杆塔上部固定，因此设计的装置只能从拉线中间投放，另外考虑拉线为细长型线材，为了有效除锈和在拉线表面涂装防锈漆，通过调研，确定装置的工作原理为：首先利用驱动电机驱动行走轮在拉线上行走，带动整个装置在线上爬升，并在装置上搭载模块化的除锈和刷漆防护盒，使得盒内的内绕型钢丝刷和油漆刷在拉线表面刷过，依靠刷子与拉线表面的摩擦力来除去锈迹，在回程过程中同时还可以起到清扫和涂刷油漆的作用。根据以上工作原理，该装置主要由驱动电机、行走机构、压紧机构、除锈模块、刷漆模块、电源和控制模块等组成。

2 主要机构和模块设计

2.1 行走机构设计

行走机构由行走轮、行走轮轴、驱动电机、支撑轴承、联轴器等组成。为防止单个行走轮打滑对装置的运动造成影响，行走驱动采用双电机双轮驱动，利用前后两个行走轮将装置悬挂在拉线上，驱动行走轮的电机两边各分布一个，以此来增加稳定性。

行走轮形状如图1所示，外径70mm，内径12mm，轮宽40mm，槽深9mm。行走轮采用“U”型凹槽回转结构，能增加行走轮与拉线接触面积，使之能够与拉线外形贴合，并且凹槽内径设计成20mm，当整个装置在拉线上行驶时，行走轮凹槽能将拉线包覆，因此采用同一行走轮就能够适应8至18mm直径范围内的拉线直径，此外，行走轮主体选用尼龙材料，内凹处粘有人字形橡胶或者做滚花槽，可以增加与拉线之间摩擦力，防止打滑。为了使行走轮运转灵活，行走轮内配装有6901双轴承，行走轮安装在行走轮轴上，行走轮轴与驱动电机的输出轴通过高弹性绕线联轴器相连，使得电机驱动行走轮转动，从而带动整个装置沿拉线前进，通过驱动电机的正反转来实现装置在线上的上行和下滑行走[1]。

2.2 驱动电机选择

考虑到野外输电拉线除锈作业没有现成的电源，因此驱动电机选用直流电动机，直流电动机具有良好的启动、制动性能，可以在较宽的范围内平滑调速，而且直接可以通过电池供电，适用于户外除锈作业。

拉线材质为镀锌钢绞线，行走轮采用高分子尼龙橡胶材料，查《机械设计通用手册》[2]，得到主动轮与高压电线之间的摩擦系数f=0.4，又设装置总重量为m=10kg，拉线安装倾角为θ=45°。因此，根据装置的爬坡动力学原理进行分析[3]，电机所需驱动力应为：

带入相关数据计算可得驱动电机所需的功率为17.8W，根据以上计算得到的所需电机功率，同时为尽量缩小车体的体积，考虑低速行走的要求，因此采用双电机双轮驱动的方式，选择直接带有减速器的直流无刷电机两个，型号为：XD-WS37GB3525，工作电压24V，负载电流0.6A，功率：10W，空载转速50r/min，负载转速：45r/min，可正反转。

2.3 压紧机构设计

机器挂接到拉线上后，为了增加行走轮与拉线之间的摩擦力，防止机器从线上掉落，确保机器行走的安全，还需要设计压紧机构。在两行走轮之间设置两个压紧轮，通过压紧轮提供足够的压紧力来实现行走轮与线缆之前的充分贴合及预紧力。压紧轮的轮槽形状和尺寸与行走轮相同，也采用超耐磨材料，从拉线下方装入，与拉线下表面贴合。为了防止行走轮与压紧轮发生干涉，压紧轮与行走轮错开布置。压紧轮安装在压紧轴上，压紧轴的两端用轴承座支撑，左端轴承座与下挡板固连，下挡板通过铰链活页与上挡板连接，因此压紧轴可以在安装时偏转一定角度，从拉线下方装入，待安装到位后，右轴承座通过弹簧锁扣与上挡板相连，从而使压紧轮安装到位，实现闭锁，完成闭锁后机器人将无法掉落，结构如图2所示。当需要从拉线上取下机器时，只需按开弹簧锁扣即可，拆装简单快捷。

2.4 除锈和刷漆模块设计

金属表面的除锈方法有多种，除去人工除锈外，通常分为机械打磨除锈法、化学除锈法和喷射除锈法[4]，但上述目前常用的除锈方法存在工作条件恶劣，容易对旁边的器件造成损伤和污染，而且由于设备体积和重量庞大，无法进入狭窄空间，因此不适用于户外输电线路拉线的除锈。对于拉线这样的细长线材，可以采用机械式除锈代替化学酸洗除锈，即利用拉线与除锈刷之间的滑动摩擦原理来进行除锈，具有成本低、操作方便、环境污染小等优点。

除锈部分的关键部件为钢丝刷，为了方便在拉线上安装和拆卸，钢丝刷采用两个半圆形内绕钢丝刷组合，两半钢丝刷分别放置在除锈盒的隔层中。除锈盒也由两半组成，一边通过活页铰链相连，另一边用弹簧扣锁紧，结构如图3所示。当除锈盒合上后，两半钢丝刷正好压紧在拉线表面，当机器沿线上行走时，沿拉线运动的钢丝刷与拉线表面产生摩擦，就可以刷除拉线表面的锈迹，同时也可对除锈后的拉线表面进行清扫。另外，钢丝刷与拉线表面的距离必须适当，距离太近相互压力大，磨损严重;距离太远相互接触不好，除锈效果差，针对此问题，可以通过调节除锈盒内的除锈刷尺寸和除锈盒的位置来实现。该除锈盒还可以改装成刷漆盒，即在上半盒内储存油漆，油漆通过上半盒下表面的滴漏装置滴在拉线的表面，下半盒内安装油漆排刷，当装置在线上运行时，可以实现拉线表面油漆的涂刷。

2.5 电源及控制模块

考虑到户外使用场合，采用两个24V的锂电池为两个直流电机提供电能。锂电池的型号为18650-24V3ah，品牌为祺索，锂电池的外形尺寸为72×55×27mm（长×宽×高）。锂电池安装固定在整个装置下部的控制箱中，控制箱内部还安装有远程控制模块。

由于拉线细长，悬挂在上面的设备不可避免会出现晃动、不稳定甚至掉落的情况，为了解决此问题，本装置选择两侧对称结构，其两侧下方设计有控制箱，箱内分别挂有相对较重的锂电池，使得整个装置的重心偏下。

为了方便投放和回收，整个机器的工作过程采用无线遥控方式。驱动电机的正、反转、启动和停止采用继电器和限位开关来控制。为了保障回收电量的要求，在机器上设置电源检测模块，当达到作业最低电量时将促发预警装置，确保装置能“收放自如”。

2.6 主要零部件的材料选择

为了尽量减轻整个机器的重量，实现轻量化且便于携带，在满足使用要求的前提下，在材料的选型上主要采用质轻的材料，大部分机械结构采用的ABS塑料件，承载框架采用铝合金，质轻且有优良的力学性能，可以很好的适应野外的各种恶劣气候。行走轮轴和压紧轮轴作为主要支撑结构，也作为车轮行走的扭矩传动机构，则采用合金鋼材料[5]。另外，涉及的螺纹连接件和轴系零部件，如轴承和联轴器等均选用标准件，方便装配和维护，减轻整个装置的制造成本。

3 三维建模及装配

对提出的系统方案进行技术设计，对关键受力部位进行受力分析、尺寸计算和结构设计，根据国家标准进行相关零部件的选型，对关键零部件进行计算和校核，然后进行整个装置的整体布局设计，在支架上合理布置各功能模块，同时考虑加工和安装的要求，根据设计尺寸进行零部件的三维实体建模和装配，最后得到整个装置的虚拟样机模型如图4所示。

4 结束语

通过设计和创新，得到了一种方便投放、操作简便、成本低廉、可不停电和适用性较强的拉线除锈防护设备，可以替代人工完成拉线的除锈防护，提高拉线除锈防护的工作效率，减轻巡线运维工作量，降低运维成本，提升运维机械化水平，保障电网安全稳定运行，具有较好的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]张屹，邵威.高压输电线路除冰机器人的机构设计[J].三峡大学学报（自然科学版），2008，30（6）：69-72.

[2]张展.机械设计通用手册[M].北京：机械工业出版社，2017.

[3]岳湘，王洪光，张成巍，等.110kV输电线路巡检机器人爬坡性能分析[J].机械设计与制造，2017（3）：56-59.

[4]杜雨轩.钢丝刷径向可调除锈机设计与研究[J].金属制品，2014，40（2）：38-40.

[5]濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2013.