高压线除冰机器人设计

福州大学
本科毕业设计（论文）
开题报告
题目轻量化高速过障超高压巡线除冰机器
人设计
院、系机械工程及自动化
专业机械设计制造及其自动化
学生姓名杨祥
学号*********
指导教师聂晓根
2013年10 月28 日
国内外研究现状、发展动态；查阅的主要文献
通过这个课题的研究，能通过一种机械设备，较高效率的替代工作人员预防和除去因雨雪冰冻引起的线缆冰冻灾害，减轻工作人员的负担，保障电力设施的正常运行，降低电力公司的损失，保障人民生活的正常进行。

如今一些国家也在研究线缆除冰问题，不少国家在此领域也有不少成就，线缆除冰技术关系到人们生活中的各个方面，除了电力公司设备设施，工作人员的安全外，还关系到交通运输，生活用电等。

各种除冰技术及除冰方案也有所不同，目前国内外的除冰技术有30余种，常见的就有热力融冰法、机械除冰法、自然被动法和其他方法。

热力融冰法[1]就是利用电阻焦耳效应发热来融化线缆上的覆冰，具体操作方法为当供电线缆上的冰层达到一定厚度时，先停止供电，断开供电导线与两端设备的联接，在线路的一段用临时导线将结冰的供电导线联通，而在另一端接上除冰用的临时电源和滑动变阻器调节电流的大小，使供电导线的温度保持在一定的范围内。

已有的机械除冰法也有各种各样的机构形式：文献[架空高压输电线除冰机器人设计] [2]给出了一种由曲柄滑块机构组成，滑块沿轴线方向高速往复滑动，冲击头与滑块固接，带动冲击头敲打覆冰。

其冲击头构件零件图如图1所示：
图1 敲打式除冰冲击头
这种机构除冰方式可以用于不同厚度形状的覆冰，但由于覆冰在低温下具有粘性，冲击头破冰后，可能在电线上粘有一层薄冰层，可能会使得破冰不够彻底，且影响除冰效率。

文献[高压输电线上除冰机器人的系统设计] [3]提出了一种压轮推进方式除冰机构，该机器人除冰刀具如图2所示：
图2 压轮推进式机器人刀具示意图
该设计机体上的两个固定压轮骑挂在输电线上保持机体的平衡，机体的重心位于输电线下方，另两个动力压轮分别与两个固定压轮配合，当推动动压轮时, 动压轮向上抬升, 与固定压轮配合从上下夹紧输电线, 依靠压轮与输电线的摩擦获得前进的动力，机体前部的除冰机构呈圆柱形, 分为上下两个。

工作时圆柱形除冰机构旋转, 在推进过程中将覆冰切削成粉末而将冰破除。

这种除冰机器人的优点是：此机构小巧玲珑，结构紧凑，刀具能够和高压输电线较好的贴合，而且刀身的弧形设计又能避免刀具对电线本身造成的切削伤害，这种刀具配合高速旋转的发动机，能达到较好的除冰效果，但是这种特殊的机构形式决定了它的除冰速度必然低下，相对其他方案，在同样的能耗下，可能效率不够明显。

基于机械振动与撞击原理的电磁力技术和电脉冲技术[4]是为飞行器除冰研制的。

但是，由于电磁力或电脉冲可以使导线产生强烈而又在控制范围内的振动，所以二者也是架空线路易接受的除冰方法之一。

为飞行航空器除冰研制的基于机械冲击和冲撞的3种技术是：1985年由Finke和Banks、1988年由Mulherin和Donald—son、1991年由Graber 和Mack等分别研究和改进的超声振动除冰技术[5]；1988年由zumwalt 和Egbert、1993年Bond和Shin、1994年由Smith等分别研究和改进的电磁脉冲除冰技术；1992年由Martin和Putt、1996年由Loughborough和Hass等研制和应用的气动脉冲除冰技术[6]。

电磁脉冲技术将是输电线路除冰最易接受的方法。

美国堪萨斯州的wichita州立大学也提出了电脉冲法除冰(Electro—Impulse De—Icing，EIDI)，即利用电容器组向线
圈放电，由线圈产生强磁场，在置于线圈附近的导电板(即目标物)上产生一个幅值高、持续时间短的机械力，使冰破裂而脱落，但在线路融冰研究方面因技术不成熟和费用过高没有达到预期的目的。

湖南大学在2009年11月份申请的一份专利《架空线除冰机器人的除冰机构》[7]如下图所示：
图3 破冰锥破冰机构示意图
该装置安装于架空线除冰机器人的前端，其特征在于，在所述的除冰机构的前端设有冰刀底座，在所述的除冰底座上安装有用于在架空线除冰机器人推进过程中进行除冰的组合冰刀。

所述的架空线除冰机器人的除冰机构还包括破冰锥套、安装于破冰锥套内的可伸缩的破冰锥、破冰锥底座、凸轮、弹簧和破冰电机。

该除冰机构i结构简单、实用、安装、拆卸和更换都很方便，可以适用于不同覆冰程度的架空线，除冰效果好。

参考文献：
[1] 王肖然. 供电线路快速除冰方案[J ]. 发明与创新, 2008年6月。

.
[2] 李海，张吉等.架空高压输电线除冰机器人设计[J ]. 中国科技信息，2010年第19期。

[3] 王超，魏世明，廖启征. 高压输电线上除冰机器人的系统设计[J ].机械工程与自动化，2010年2月。

[4] 缪思怡，孙炜，张海霞. 基于小波矩的高压输电线路除冰机器人障碍智能视觉识别方法[J ]，机器人，2010年5月
[5] Serge Jourden. De—leer Installation at Lrvis Substation on Hydro Qurbec’s High Voltage System[J].SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY，2009，Vol.3 No.1：P1-6.
[6] László E. Kollár , Ossama Olqma , Masoud Farzaneh，Natural wet-snow shedding from overhead cables [J]. Cold Regions Science and Technology，2010,年5月
[7] 王聪，孙炜，向阳琴. 架空线除冰机器人的除冰机构[J ]. 机器人技术，2009年11月。

1．学术构想与思路；主要研究内容及拟解决的关键问题（或技术）
本课题拟采用两步除冰式装置，除冰装置的第一部分，即首先在整个机器的最前端采用两个高速铣刀（专用）从架空电线的两侧进行一次除冰（如图4所示），其次采用一对带有凹槽的圆筒式刀具夹着电线进行二次除冰，从而彻底的清理线缆上的冰层。

行走装置采用两个个压轮，电机通过减速后将动力传送给动压轮，整个机器在压轮与线缆的摩擦力的推进下前行破冰。

图4 一次除冰机构示意图
滚刀
线缆
图5二次除冰机构示意图
本课题的主要研究内容：
(1)除冰机器人的整个形状布局以及各个零部件的大小尺寸，材
料，结构。

(2)除冰机器人在线缆上行走的运动形式及动力装置。

(3)两次除冰装置的具体机构及摆放的位置情况，使其进行有机的
相互配合。

根据上述研究内容，本课题需要解决的关键问题主要为：（1）两步除冰机构的合理工作方式及行走装置的工作方式设计。

（2）在不同冰层的情况下，整体机构能保证最好的除冰效果。