鋼絲繩爬行器結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

鋼絲繩爬行器結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)鐘功祥，彭福國(guó)，呂志忠【摘要】摘要:隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，電纜檢測(cè)需要鋼絲繩爬行器攜帶儀器檢測(cè)鋼絲繩代替以往由人工巡檢的方式。研究中根據(jù)仿生學(xué)原理提出鋼絲繩爬行器結(jié)構(gòu)不同的3種方案，通過(guò)對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，得出能夠跨越高壓電纜上大部分障礙物的優(yōu)化結(jié)構(gòu);并在SolidWorks中對(duì)爬行器主要受力部件進(jìn)行受力仿真分析，為后續(xù)優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)提供理論基礎(chǔ)。【期刊名稱】機(jī)床與液壓【年(卷)，期】2015(043)021【總頁(yè)數(shù)】5【關(guān)鍵詞】關(guān)鍵詞:電纜檢測(cè);爬行器;SolidWorks0刖言高壓輸電線路是長(zhǎng)距離輸配電力的主要方式，擔(dān)負(fù)著輸送電力的重任，是國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的〃動(dòng)脈”，起著極其重要的作用。由于高壓線路的工作環(huán)境復(fù)雜，常常因?yàn)槭艿匠掷m(xù)的機(jī)械張力、電氣閃絡(luò)、材料老化的影響而產(chǎn)生嚴(yán)重的事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了保證輸電線路安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，需要對(duì)輸電線路進(jìn)行定期的巡檢。目前，對(duì)輸電線路進(jìn)行巡檢的方法主要有兩種:一種是人工目測(cè)法，巡檢人員用望遠(yuǎn)鏡對(duì)線路進(jìn)行檢測(cè)，但這種方法效率低、精度低、漏檢的可能性大;二是航測(cè)法，檢測(cè)人員搭乘直升機(jī)沿輸電線路飛行，用肉眼或機(jī)載攝像設(shè)備觀察、記錄線路的使用情況，同時(shí)也有檢測(cè)費(fèi)用高昂、技術(shù)難度高等缺點(diǎn)。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，將巡線機(jī)器人應(yīng)用與高壓輸電線路的巡檢作業(yè)，并可以跨越輸電線路上的障礙物（防震錘、耐張線夾、懸垂線夾、桿塔等），利用攜帶的儀器對(duì)輸電線及附近的器件進(jìn)行檢測(cè)，步進(jìn)可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低巡檢費(fèi)用，而且可以提高巡檢作業(yè)質(zhì)量和效率，因此迫切的需要一種線纜爬行器能高效地完成檢測(cè)任務(wù)。巡線機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)80年代末，日本、美國(guó)、加拿大、泰國(guó)的一些研究機(jī)構(gòu)先后開展了巡線機(jī)器人的研究，國(guó)外巡線機(jī)器人的發(fā)展以加拿大的魁北克水電研究院的SergeMontambault等研制的名為L(zhǎng)inescout的巡線機(jī)器人［4］最具典型性，其能夠?qū)崿F(xiàn)跨越輸電線纜上的障礙物，并且已經(jīng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［5］,爬行性能良好，有成套的操作設(shè)備，但機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，價(jià)格昂貴;國(guó)內(nèi)巡線機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)90年代末，具有代表性的有武漢大學(xué)的吳功平等［1］研制自動(dòng)巡線機(jī)器人、北華大學(xué)的姜生元等［2］吊臂式巡線機(jī)器人等。通過(guò)查閱文獻(xiàn)［6］了解，國(guó)內(nèi)外高壓巡線機(jī)器人的行走方式基本為兩種：步進(jìn)蠕動(dòng)式和連續(xù)滾動(dòng)式。步進(jìn)蠕動(dòng)式行走速度較慢，爬行過(guò)程穩(wěn)定性高，且具有跨越障礙的功能;連續(xù)滾動(dòng)式速度快，但不平穩(wěn)，且單一的輪式爬行方式難以跨越障礙物。文中設(shè)計(jì)的機(jī)器人行走裝置將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，研制出了具有越障功能的鋼絲繩爬行器。1爬行器結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)—個(gè)完整意義上的巡線機(jī)器人應(yīng)包括兩大技術(shù)，由沿線爬行的爬行機(jī)器人本體和對(duì)線纜進(jìn)行故障檢測(cè)［6］的檢測(cè)兩部分組成，而文中主要是對(duì)爬行器的爬行機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。巡線機(jī)器人可以分為兩類:一類是具有跨越障礙物的功能，但結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量大，因而實(shí)用性差，并大多處于實(shí)驗(yàn)室研制階段;另一類則只能在兩桿塔間的直線段運(yùn)動(dòng)，不具備跨越障礙物功能，因而巡線機(jī)器人作業(yè)范圍受到了極大的限制。1.1主要跨越的障礙物要對(duì)爬行器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先就要了解爬行器所需要跨越的障礙物，一般線纜主要障礙物有:防震錘、懸垂線夾、絕緣子串、耐張線夾等，如圖1所示。1.2爬行器爬行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)仿生學(xué)原理，構(gòu)想出了有4個(gè)卡爪的爬行器結(jié)構(gòu)，并在SolidWorks中進(jìn)行實(shí)體建模，通過(guò)分析不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，得出較優(yōu)的結(jié)構(gòu)，這里提出3種方案。1.2.1方案一爬行器各部件連接關(guān)系如圖2所示。其工作過(guò)程:一側(cè)的兩個(gè)卡爪通過(guò)無(wú)線模塊接收到的信號(hào)控制卡緊電機(jī)帶動(dòng)鏈輪，與鏈輪相固定連接的花鍵套帶動(dòng)花鍵桿旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而卡爪旋轉(zhuǎn)卡緊鋼絲繩，另一側(cè)兩個(gè)卡爪松開，通過(guò)兩個(gè)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，一側(cè)主體前進(jìn)至絲杠末端，伸縮電機(jī)啟動(dòng)，兩卡爪伸長(zhǎng)并卡緊鋼絲繩，另一側(cè)兩個(gè)卡爪進(jìn)行放松、收縮動(dòng)作，兩側(cè)如此交替動(dòng)作，通過(guò)蠕動(dòng)爬行的方式，實(shí)現(xiàn)爬行器的前進(jìn)及越障。方案一的優(yōu)、缺點(diǎn):能夠?qū)崿F(xiàn)爬行及越障的功能，是一種新穎的結(jié)構(gòu);但在沒(méi)有障礙物的情況下，每次向前爬行都需要卡爪放松、收縮、伸長(zhǎng)、卡緊的過(guò)程，從爬行的長(zhǎng)期過(guò)程來(lái)看，兩側(cè)卡爪的交替動(dòng)作浪費(fèi)了運(yùn)行的大部分時(shí)間，使得爬行器整體的運(yùn)行速度受到限制。1.2.2方案二方案二如圖3所示，其爬行的過(guò)程跟方案一大致相同，但卡爪部分增加了兩個(gè)電機(jī)及減速器，這樣在爬行的過(guò)程中，兩側(cè)卡爪始終保持卡緊狀態(tài)，根據(jù)爬行過(guò)程中鋼絲繩的坡度改變卡緊力的大小，由卡爪上的電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾輪前進(jìn)，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，才松開一側(cè)卡爪，越障過(guò)程跟方案一中的越障方式相同。方案二的優(yōu)、缺點(diǎn):能夠?qū)崿F(xiàn)爬行、越障的功能，大大提高了爬行器爬行的速度及效率，但卡爪卡緊需要經(jīng)過(guò)齒輪傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)，由于鏈條傳動(dòng)本身的特點(diǎn)決定了一側(cè)的兩個(gè)卡爪難以保證卡緊力能夠完全同步，同時(shí)卡爪伸縮也需要齒輪傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)，在雙電機(jī)基座板上受空間尺寸的限制，使得設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)。1.2.3方案三方案三如圖4所示，在前兩個(gè)方案的基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將卡爪的伸縮動(dòng)作通過(guò)齒輪傳動(dòng)、絲杠傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，而卡爪的卡緊通過(guò)電機(jī)、減速器、齒輪傳動(dòng)直接帶動(dòng)花鍵桿、卡爪，減速器的減速比可根據(jù)需要選用。這樣，不僅替代了方案二中的鏈傳動(dòng)，使一側(cè)的兩個(gè)卡轉(zhuǎn)能夠同步運(yùn)行，而且伸縮動(dòng)作用一個(gè)絲杠帶動(dòng)兩個(gè)花鍵桿，使得整體結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、緊湊，性能更加穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)比較3種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，確定了方案三為最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。2爬行器的組成及其功能根據(jù)所要跨越的障礙物對(duì)爬行器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其各個(gè)部件按照功能的不同進(jìn)行分類，主要由如下幾個(gè)部分組成，如圖5、6所示?？ňo部分:主要由卡緊電機(jī)、減速器、齒鍵、卡爪組合機(jī)構(gòu)組成，用于爬行器在越障時(shí)卡緊鋼繩，并在越障驅(qū)動(dòng)的作用下，一側(cè)向前運(yùn)行跨越線路上的障礙物。越障驅(qū)動(dòng):主要由絲杠、滑臺(tái)、桿組成，在爬行器一側(cè)卡緊鋼絲繩時(shí)，由另一側(cè)的絲杠電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠滑臺(tái)前進(jìn)。連接塊:由連接塊將兩側(cè)絲杠組連接固定，形成一個(gè)整體，并且為控制電路板、電池及其他設(shè)備提供安置空間。⑷通信系統(tǒng)與控制系統(tǒng):通信系統(tǒng)與控制系統(tǒng)由單片機(jī)及其擴(kuò)張功能模塊構(gòu)成。爬行器的所有動(dòng)作都是通過(guò)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的，控制系統(tǒng)用單片機(jī)于對(duì)各個(gè)電機(jī)進(jìn)行時(shí)序控制，而對(duì)系統(tǒng)控制的最終權(quán)限由地面通過(guò)通信系統(tǒng)發(fā)送指令控制爬行器前進(jìn)、后退、越障?？刂栖浖?用vb軟件編寫的爬行器控制軟件，其主要作用是通過(guò)控制軟件對(duì)爬行器的動(dòng)作進(jìn)行控制。電池:為爬行器各電機(jī)、單片機(jī)及各個(gè)模塊提供電源。3爬行器基本參數(shù)計(jì)算爬行器設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足的基本參數(shù):(1)鋼絲繩直徑:<70mm;(2)小車行走速度:0.16m/s;(3)最大爬坡角度:30°;(4)小車自重:<30kg。3.1卡爪卡緊力的計(jì)算爬行器在鋼絲繩上爬行的簡(jiǎn)化力學(xué)模型如圖7所示。爬行器在鋼絲繩不打滑，式(1)為爬行器在鋼絲繩上保持靜止時(shí)與爬行坡度的函數(shù)關(guān)系，式(2)為爬行器能夠向上滾動(dòng)爬行的條件。式中:Fa為爬行器靜止時(shí)所需卡緊力;Fb為電機(jī)提供向上拖動(dòng)力河為爬行器總機(jī)質(zhì)量矛為卡爪與鋼絲繩靜摩擦因數(shù);。為爬行器的爬行坡度。由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得鋁硅合金與硬橡膠的摩擦因數(shù)M=0.25,靜止時(shí)所需要的卡緊力與爬行坡度的關(guān)系［8］如圖8所示。由圖8可知，爬行坡度為14°左右時(shí)，爬行器可以依靠自重產(chǎn)生的摩擦力保持不動(dòng)，但大于14°時(shí)必須給卡爪施加相應(yīng)的卡緊力才能保證爬行器不會(huì)向下滑動(dòng);隨著爬行坡度的增加至30°時(shí)，卡卡爪的緊力至少達(dá)到需要340N?？ㄗΦ膲壕o力由電機(jī)提供，靜止時(shí)電機(jī)扭矩與壓緊力的函數(shù)關(guān)系為:式中:T電為電機(jī)扭矩;i減為直角減速器傳動(dòng)比;i齒為齒輪傳動(dòng)比;r為卡爪兩側(cè)實(shí)際接觸面到對(duì)稱中心的距離。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸及機(jī)械設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，確定減速器及齒輪的傳動(dòng)比，故可以根據(jù)扭矩及轉(zhuǎn)速確定卡緊電機(jī)的型號(hào)。3.2爬行電機(jī)的選型計(jì)算爬行器卡爪處總共有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，是驅(qū)動(dòng)爬行器前進(jìn)的動(dòng)力源，在爬行器運(yùn)行不打滑的情況下，根據(jù)功、能關(guān)系可以求得功率。如式：式中:t為時(shí)間，s;v為爬行器運(yùn)行速度，m/s;s為單位時(shí)間爬行的路程，m;P為電機(jī)功率，W。考慮到傳遞效率及留有一定余量取P=25W，則選取的前進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。4關(guān)鍵部件受力分析及優(yōu)化要保證爬行器能夠正常工作，首先應(yīng)保證各個(gè)零部件能夠不失效，所以對(duì)爬行器的卡爪、花鍵桿及連接塊在SolidWorks的Simulation模塊中進(jìn)行了受力仿真分析。4.1卡爪與花鍵桿受力分析實(shí)際工況中，一般情況下是四個(gè)卡爪共同分擔(dān)整機(jī)重量，越障的時(shí)候則只有一側(cè)的兩個(gè)卡爪卡緊鋼絲繩，此時(shí)卡爪與花鍵桿承受的力最大，故受力分析應(yīng)為越障時(shí)的實(shí)際工況。由文中第3節(jié)所述可知，在坡度為30°時(shí)，跨越障礙物時(shí)，兩個(gè)卡爪需要的壓力為340N，并且承受整機(jī)300N的重力，對(duì)于單個(gè)卡爪所受到的力為整體的一半，圖9為仿真施加的約束及劃分網(wǎng)格?？ㄗ?、花鍵桿、支承座的選用鋁合金(1060-H18),在Simulation模塊中仿真運(yùn)行結(jié)果如圖10所示：由仿真結(jié)果可以看出，卡爪處最大米塞斯應(yīng)力為4.8x107N/m2，最小安全系數(shù)為2.6，最大位移量為0.6814mm，滿足設(shè)計(jì)要求。4.2連接塊受力分析連接塊的作用是連接兩側(cè)絲杠傳動(dòng)，并攜帶電池、控制模塊、無(wú)線模塊及檢測(cè)儀器。在爬行器工作時(shí)，需要對(duì)連接塊的強(qiáng)度進(jìn)行校核，并仿真其在真實(shí)工況下的變形量，看是否滿足爬行要求。在跨越障礙物的情況下，連接塊受到絲杠傳動(dòng)副及自身的重力，為簡(jiǎn)化分析，將卡爪、花鍵桿、支承座、電機(jī)及減速器產(chǎn)生的重力施加到兩側(cè)支撐板，其網(wǎng)格劃分及各部件連接關(guān)系如圖11所示。仿真結(jié)果如圖12所示。由仿真結(jié)果可以看出，連接塊與絲杠滑臺(tái)螺栓連接處應(yīng)力最大，其值為3.24x108N/m2，而最小安全系數(shù)為0.39，表明當(dāng)前連接塊強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求，所以需要對(duì)連接部分進(jìn)行優(yōu)化處理，使整體最小安全系數(shù)至少大于1,保證爬行器能夠正常運(yùn)行。由分析圖可知，連接塊連接螺栓的螺栓孔為最危險(xiǎn)處，受到了應(yīng)力最大，所以對(duì)連接塊螺栓連接處進(jìn)行加厚處理如圖13所示。連接塊螺栓連接處加厚后再進(jìn)行仿真計(jì)算，其結(jié)果如圖14所示。優(yōu)化后，分析模型中最大米塞斯應(yīng)力為7.7x107N/m2，最小安全系數(shù)為1.62,最大位移量為3.07mm,滿足設(shè)計(jì)要求。5結(jié)論通過(guò)提出的3種不同鋼絲繩爬行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，相互比較各自的優(yōu)缺點(diǎn)，得出了一種理論上能夠爬行、越障的鋼絲繩爬行器。對(duì)爬行器關(guān)鍵部位進(jìn)行仿真分析，并對(duì)強(qiáng)度不足之處進(jìn)行優(yōu)化，為后續(xù)的優(yōu)化和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù)。下一步進(jìn)行對(duì)鋼絲繩爬行器控制部分的硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成鋼絲繩爬行器的完整設(shè)計(jì)，尚需加工實(shí)物進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。參考文獻(xiàn)：[1]吳功平，肖曉暉，郭應(yīng)龍，等.架空高壓輸電線自動(dòng)爬行機(jī)器人的研制[J].中國(guó)機(jī)械工程，2006,17(3):237-240.[2]姜生元，任立敏，焦宏章，等.吊臂式巡線機(jī)器人懸吊姿態(tài)平衡機(jī)構(gòu)的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2011,28(1):50-53.[3]張運(yùn)楚，梁自澤，譚民，等?架空電力線路巡線機(jī)器人的研究綜述[J].機(jī)器人,2004,26(5):467-473.[4]MONTAMBAULTSerge,HYDRO-QUEBECNicolasPouliot.DevelopmentofanInspectionRobotCapableofClearingObstaclesWhileOperatingonaLiveLine[C]//ConferenceonTransmissionandDistributionConstruction,PerationandLive-lineMaintenance,IEEE,2010.[5]TOTHJanos,POULIOTNicolas,MONTAMBAULTSerge.FieldExperiencesUsingLinescoutTechnologyo