基本信息
- 项目名称：
- 模块化自动高压电线除冰器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本设计是一套模块式高压电线除冰器。该系统采用电机控制带动整体机构运行的机械装置，主要由行走机构、振摆机构及击锤机构及两个连接部构成，具备在线路上自行行走，自行越障和及自行除冰功能。能够适用于现有不同塔基构架的高压电线线路及通信电路的除冰工作及巡线功能。本设计采用模块化设计，可根据覆冰的薄厚情况更换除冰机构采用不同模式进行除冰。
- 详细介绍：
- 1、本设计是一套节能，安全、便利的装置。该装置利用机械传动和电机控制组合完成除冰。该装置的设计能够减轻人工除冰的危险性，提高除冰效率。 2、模块式高压电线除冰器总体设计方案 本机构由1-击锤机构系统；2-振摆机构系统；3-行走机构系统；4-连接部1；5-连接部2五部分组成。 2.1击锤机构 击锤机构的主要功能通过打击杆的敲击和挤压的方式敲掉透明坚固，比重大粘附力强的冰体。击锤机构包括两个打击杆A,B、电机、连接杆13、扇形齿轮、齿条等构件组成。 击锤设计特点： （1）防不完全齿轮卡死设计。打击杆敲击冰层完毕后，不完全齿轮沿齿条向电线方向（图中所示对称轴上的小圆部分）运动，为防止打击杆过度挤压电线而造成损伤，同时预防不完全齿轮在齿条上出现卡死现象。 （2）打击杆与冰层接触的凹面设计表面有突出类似齿面结构。为了有效地敲击掉电线上的冰层，在打击杆与冰层接触面的设计上采用了凹面设计。如此设计不仅可以减小打击面积，增大打击力，从而提高除冰效率。 （3）弹簧的功能体现。在设计过程中，多处利用了弹簧的势能转换。在打击杆底部连接位置设计了弹簧装置，当打击杆离开电线时，在齿条部压缩弹簧产生势能的同时，在连接杆底部同时积聚势能，当打击杆敲击冰面时，弹簧释放势能，给打击杆提供更大的敲击力量。 （4）打击杆的可更换性。打击杆设计成可拆卸式。操作工人可根据冰层厚度及线路结构的差异更换不同尺寸和强度的打击杆，体现了除冰器的模块化设计。 (5)可调机构设计。调节螺栓，改变齿条位置，使摇杆齿轮与齿条在合适的位置接触和脱离。由于螺栓的位置的移动，单向弹簧的变形量发生改变，通过调节顶头螺栓，使弹簧的变形量恢复到原来的设计值。 2.2 振摆机构 振摆机构的功能是有效去除粘附力较弱的薄的覆冰体。振摆机构包括2个工作轮1，2个支撑轮2，6个齿轮1； 2个牵引轮，机构由电机提供动力，最终带动接触在高压电线上的工作轮向前运动并对电线上的冰层实施挤压，从而达到除冰工作。 振摆机构设计特点： （1）工作轮的设计为整个机构提供支撑作用。 （2）振摆机构通过旋转支撑轮，改变初时角度，以控制工作轮的运动轨迹，从而达到可以根据冰层的情况来调整合适的除冰方式。 2.3行走机构 行走机构是整个除冰器的载体，其主要功能是保证整个除冰机构能够沿导线平稳行走的过程中完成持续除冰工作。当遇到障碍时，依靠机械动作完成自动翻越障碍功能。 行进机构的设计特点： （1）引入仿生学理念。该机构模仿虫子蠕动的动作，从而避免机构在行进过程中出现打滑，保证机构平稳行进。 （2）自锁功能的实现。在连杆的带动下能够实现电线锁杆在电线上的自锁，给机构提供行进支点。 （3）避障原理简单。由于两个电线锁杆间的距离远大于防震锤等障碍物的径向尺寸，因此行走机构可以轻松越过电线上的障碍。 （4）行走推力大。传统的巡线机器人多采用轮式推进，推力小，不能保障较大的运输载荷。本设计行走机构独辟蹊径，采用自锁原理，因而能够推动更重的机器在高压电线上稳定行进。 （5）安全可靠。传动部分选择了连杆，运作原理简单，故障率低，能适应较严酷的作业环境，便于维护。 2.4机械手机构 机械手具有悬挂机构及自动感知障碍，并自动避障的功能。它能保证除冰器在线路上行进及避障时安全悬挂在高压线路上，防止机构脱落。它由绝缘内胆、金属构架、伸缩触点及伸缩套等构件组成。 机械手的设计特点： （1）避障方式巧妙。该结构无需任何电子控制系统， 仅通过机械碰撞即感知故障，实现自动避障功能，从而降低制作成本，提高设备可靠性。 （2）合理选择材料和设计方案。弹簧的配用及伸缩套的设计可以提高手爪机构的回弹速度，充分考虑到除冰安全性和机构稳定性，有利地保证机构始终悬挂于电线之上。 2.5连接部1 连接部1的主要功能是连接击锤机构和振摆机构，并起到导向作用控制整个机构的行驶方向。它由伸缩套、可变滑轮等构件组成。 连接部1的设计特点： （1）可变滑轮的设计。通过弹簧的作用随冰层厚度调整滑轮的宽窄，使整个机构始终保持在电线垂直上方，沿线路直线运动。 （2）避障功能的实现。当滑轮行进遇到障碍时，能够自动将滑轮抬升实现避障。 2.6连接部2 连接部2的主要功能是连接振摆机构和行走机构，辅助完成振摆机构定向和碾压功能，并保持行走机构的稳定性。连接部2主要由电机、辊轮及特殊滑轮等构件构成。 连接部2的设计特点： （1） 辊轮位置的设计，保持行走机构的整体机构稳定性。 （2） 弹簧轨道的设计，可以实现连接部2随时可以避障。 （3） 轨道的斜角设计，可以实现单向自锁保证行走机构的行走稳定性。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目前高压线的除冰工作大多采用人工进行。寒冷的天气，高空作业给人工除冰带来很大的安全隐患和施工难度，为解决高压电线的覆冰问题，给人民生活生产正常提供有力保障；为减轻人工除冰的危险性，提高除冰效率，提出本设计理念。 本设计研究的基本思路是确定模块式高压电线除冰器的整体设计方案。整个机构能完成在电线上自行行走，机械除冰，自动越障的功能。可根据冰层情况更换除冰模块。机构的运行要保证其可操控性、安全性和稳定性。 本装置的发明是利用机械传动原理保证整个装置在稳定行进过程中完成除冰，其创新点在于： 模拟人工破冰方式，提高破冰效率。 机械避障 无需繁琐的人工操作或是稳定性欠佳的控制系统，增加除冰距离，提高机构可靠性； 机构模块化设计 可任意组合机构模块以完成不同程度的除冰需求；若换上检测装置非灾期间可用于巡线； 双面破冰，使用对称机构设计实现双面破冰，即可达到良好的除冰效果，同时又能保持机器在电线上行走的稳定性； 除冰可靠 除冰“双保险”， 机械除冰与振动除冰相结合。击锤在前，完成高频率的敲击作业，可先行解决电线上的悬冰和浮冰；振摆机构跟进，通过快速的碾压式敲击进一步除去电线表面覆冰。 本装置能有效清除电力输变电线路，电力塔及通信线路等电力设施上的覆冰。
科学性、先进性
- 项目在研究过程中，不论是行进机构还是除冰机构，都具有独特的巧妙设计，有许多创新之处，其创新关键技术如下： 自动避障机构的设计 在行走机构，连接部及振摆机构的中都考虑到避障功能，保证机构遇到障碍自行规避。 击锤机构防卡死机构设计 保证机构运行的稳定性。 振摆机构的设计 振摆机构通过调节牵引轮上直杆的位置改变机构的运动轨迹，保证达到更好的除冰效果。 仿生学原理的应用 行走机构的行进模拟虫子爬行动作。为防止机构在敲击冰面时沿电线滑脱，利用二连杆机构和自主设计的电线锁杆构件实现机构自锁及行进。手爪机构的设计是模拟猴子在林中翻越的动作，在防止整个机构可靠悬挂的同时，实现避障功能。 机爪的设计 实现避障功能的同时，保证机构在高压电线上悬挂的安全性。 模块化设计 除冰机构的设计包括两部分。其中击锤机构可以实现敲击功能，其两个打击杆可以根据冰层的厚度更换。 振摆机构可以实现碾压及振动功能，对于较薄的冰层，可以在行进的过程中把冰层除掉。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 专利转让
作品可展示的形式
- 图纸、磁盘、图片以及样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 基于其巧妙的设计理念，本装置对于猫头塔，酒杯塔、直线塔等塔基构架的高压电线线路的除冰工作全部适用，能有效清除电力输变电线路，电力塔及通信线路等电力设施上的覆冰。 本装置构造简单，设计巧妙，易于加工；实用性强，对操作人群的技能没有特殊要求；产品利用机械原理实现机构运作，能够完成长距离的除冰工作，因此制作成本及维护成本大大降低。本产品减少了人工除冰高空作业的安全隐患，减轻了寒冷作业的伤害，大大提高除冰效率，相信投入市场后能具有相当大的实用价值和商业价值。
同类课题研究水平概述
- 目前现有的除冰器的发明专利有很多，比如： 实用新型专利号：200820228165.4 授权公告号：CN201323428 发明专利申请号：200810080100.4 公开号：CN101420110 太原理工大学的张超群等人于2008年提出架空输电线除冰器的设计方案并申请专利制作样机。该除冰器由电机通过皮带传动带动凹槽的轮子在架空输电线上行走，在轮子一侧的弹性臂上装有敲击头，当轮子转动行走的时候，敲击头随之转动并敲击电线上的覆冰。 专利号：200810112532 这种电线除冰器的特征在于：它包括一个电线的固定装置，用来使电线除冰器固定在电线上，并且使电线除冰器不会从电线上滑落，包括一个加热装置，用来使该装置的温度提升并且能够作用在冰雪上，使冰雪融化，本发明的效果使得在高压线上或电线上通过一个可以进行移动的除冰装置来进行高空的除冰作业，使得在没有人操作的情况下也能进行冰雪的去除。 专利号：200820076528.7 一种智能电缆除冰器，包括行走轮及行走支架，行走支架上方固定有承载板，承载板一端固定有转轴，转轴上装有旋转套筒，旋转套筒两侧分别设有与其制成一体的长摇臂和短摇臂，长摇臂伸出承载板并夹持在电缆两侧，短摇臂位于承载板上；承载板上还设置由智能控制电路控制的行走电机和除冰拍打电机，凸轮位于两个短摇臂之间；行走支架下方悬挂蓄电池配重箱。 但是分析以上几种除冰器，存在其弊端体现于： 1. 以往设计的除冰器均以行走轮实现在电缆上行走,此设计容易出现打滑现象,并可能产生空转，严重时可以从电线上脱落。 2. 除冰机构固定化,当常规除冰时,不需除厚冰区装备,这些装备成为了累赘。 3. 在遇到复杂的除冰环境时，所采用的智能装置很容易出现故障, 并且低温影响芯片正常工作,不宜完成正常除冰工作。 4. 很多高科技除冰机构对操作者有很高的技术要求,不宜推广使用,并且需要较高的生产成本和维护成本。 本设计与其他除冰器相比较的优势在于： 1. 本设计以两个对称设置的电线锁杆与电线自锁,避免行走机构在行进期间打滑。 2. 本设计采用模块理念,各机构根据冰情进行组合达到最大除冰效率。 3. 本设计属纯机械设计,避障巧妙,不会因芯片及探头故障造成损失。 4. 本设计充分考虑维护、使用,设计巧妙，使用方便。
