鋼絲繩爬行器結構方案設計

鐘功祥，彭福國，呂志忠

(西南石油大學機電學院，四川成都 610500)

鋼絲繩爬行器結構方案設計

鐘功祥，彭福國，呂志忠

(西南石油大學機電學院，四川成都 610500)

隨著現代化技術的發展，電纜檢測需要鋼絲繩爬行器攜帶儀器檢測鋼絲繩代替以往由人工巡檢的方式。研究中根據仿生學原理提出鋼絲繩爬行器結構不同的3種方案，通過對3種不同結構方案的優缺點進行對比分析，得出能夠跨越高壓電纜上大部分障礙物的優化結構;并在SolidWorks中對爬行器主要受力部件進行受力仿真分析，為后續優化及實驗提供理論基礎。

電纜檢測;爬行器;SolidWorks

0 前言

高壓輸電線路是長距離輸配電力的主要方式，擔負著輸送電力的重任，是國家基礎設施建設和社會發展的“動脈”，起著極其重要的作用。由于高壓線路的工作環境復雜，常常因為受到持續的機械張力、電氣閃絡、材料老化的影響而產生嚴重的事故，造成巨大的經濟損失。為了保證輸電線路安全、穩定地運行，需要對輸電線路進行定期的巡檢。

目前，對輸電線路進行巡檢的方法主要有兩種:一種是人工目測法，巡檢人員用望遠鏡對線路進行檢測，但這種方法效率低、精度低、漏檢的可能性大;二是航測法，檢測人員搭乘直升機沿輸電線路飛行，用肉眼或機載攝像設備觀察、記錄線路的使用情況，同時也有檢測費用高昂、技術難度高等缺點。隨著機器人技術的發展，將巡線機器人應用與高壓輸電線路的巡檢作業，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)，利用攜帶的儀器對輸電線及附近的器件進行檢測，步進可以減輕工人的勞動強度，降低巡檢費用，而且可以提高巡檢作業質量和效率，因此迫切的需要一種線纜爬行器能高效地完成檢測任務。

巡線機器人的研究始于20世紀80年代末，日本、美國、加拿大、泰國的一些研究機構先后開展了巡線機器人的研究，國外巡線機器人的發展以加拿大的魁北克水電研究院的Serge Montambault等研制的名為Linescout的巡線機器人［4］最具典型性，其能夠實現跨越輸電線纜上的障礙物，并且已經進行了現場試驗［5］，爬行性能良好，有成套的操作設備，但機械結構較為復雜，價格昂貴;國內巡線機器人的研究始于20世紀90年代末，具有代表性的有武漢大學的吳功平等［1］研制自動巡線機器人、北華大學的姜生元等［2］吊臂式巡線機器人等。

通過查閱文獻［6］了解，國內外高壓巡線機器人的行走方式基本為兩種:步進蠕動式和連續滾動式。步進蠕動式行走速度較慢，爬行過程穩定性高，且具有跨越障礙的功能;連續滾動式速度快，但不平穩，且單一的輪式爬行方式難以跨越障礙物。文中設計的機器人行走裝置將兩者的優點結合，研制出了具有越障功能的鋼絲繩爬行器。

1 爬行器結構方案設計

一個完整意義上的巡線機器人應包括兩大技術，由沿線爬行的爬行機器人本體和對線纜進行故障檢測［6］的檢測兩部分組成，而文中主要是對爬行器的爬行機構進行設計。

巡線機器人可以分為兩類:一類是具有跨越障礙物的功能，但結構尺寸大、質量大，因而實用性差，并大多處于實驗室研制階段;另一類則只能在兩桿塔間的直線段運動，不具備跨越障礙物功能，因而巡線機器人作業范圍受到了極大的限制。

1.1 主要跨越的障礙物

要對爬行器的結構進行設計，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。

圖1 爬行器跨越的主要障礙物

1.2 爬行器爬行機構設計

根據仿生學原理，構想出了有4個卡爪的爬行器結構，并在SolidWorks中進行實體建模，通過分析不同結構的優缺點，得出較優的結構，這里提出3種方案。

1.2.1 方案一

爬行器各部件連接關系如圖2所示。

其工作過程:一側的兩個卡爪通過無線模塊接收到的信號控制卡緊電機帶動鏈輪，與鏈輪相固定連接的花鍵套帶動花鍵桿旋轉，進而卡爪旋轉卡緊鋼絲繩，另一側兩個卡爪松開，通過兩個絲杠的轉動，一側主體前進至絲杠末端，伸縮電機啟動，兩卡爪伸長并卡緊鋼絲繩，另一側兩個卡爪進行放松、收縮動作，兩側如此交替動作，通過蠕動爬行的方式，實現爬行器的前進及越障。

方案一的優、缺點:能夠實現爬行及越障的功能，是一種新穎的結構;但在沒有障礙物的情況下，每次向前爬行都需要卡爪放松、收縮、伸長、卡緊的過程，從爬行的長期過程來看，兩側卡爪的交替動作浪費了運行的大部分時間，使得爬行器整體的運行速度受到限制。

1.2.2 方案二

方案二如圖3所示，其爬行的過程跟方案一大致相同，但卡爪部分增加了兩個電機及減速器，這樣在爬行的過程中，兩側卡爪始終保持卡緊狀態，根據爬行過程中鋼絲繩的坡度改變卡緊力的大小，由卡爪上的電機直接驅動滾輪前進，當遇到障礙物時，才松開一側卡爪，越障過程跟方案一中的越障方式相同。

圖3 方案二

方案二的優、缺點:能夠實現爬行、越障的功能，大大提高了爬行器爬行的速度及效率，但卡爪卡緊需要經過齒輪傳動、鏈條傳動，由于鏈條傳動本身的特點決定了一側的兩個卡爪難以保證卡緊力能夠完全同步，同時卡爪伸縮也需要齒輪傳動、鏈條傳動，在雙電機基座板上受空間尺寸的限制，使得設計難以實現。

1.2.3 方案三

方案三如圖4所示，在前兩個方案的基礎上對結構進行改進，將卡爪的伸縮動作通過齒輪傳動、絲杠傳動實現，而卡爪的卡緊通過電機、減速器、齒輪傳動直接帶動花鍵桿、卡爪，減速器的減速比可根據需要選用。這樣，不僅替代了方案二中的鏈傳動，使一側的兩個卡轉能夠同步運行，而且伸縮動作用一個絲杠帶動兩個花鍵桿，使得整體結構更加簡單、緊湊，性能更加穩定。

圖4 方案三

經過比較3種方案的優缺點，確定了方案三為最優的結構設計方案。

2 爬行器的組成及其功能

根據所要跨越的障礙物對爬行器的結構進行設計，其各個部件按照功能的不同進行分類，主要由如下幾個部分組成，如圖5、6所示。

圖5 爬行器軸測視圖

圖6 爬行器左視圖

(1)卡緊部分:主要由卡緊電機、減速器、齒鍵、卡爪組合機構組成，用于爬行器在越障時卡緊鋼繩，并在越障驅動的作用下，一側向前運行跨越線路上的障礙物。

(2)越障驅動:主要由絲杠、滑臺、桿組成，在爬行器一側卡緊鋼絲繩時，由另一側的絲杠電機驅動絲杠滑臺前進。

(3)連接塊:由連接塊將兩側絲杠組連接固定，形成一個整體，并且為控制電路板、電池及其他設備提供安置空間。

(4)通信系統與控制系統:通信系統與控制系統由單片機及其擴張功能模塊構成。爬行器的所有動作都是通過電機實現的，控制系統用單片機于對各個電機進行時序控制，而對系統控制的最終權限由地面通過通信系統發送指令控制爬行器前進、后退、越障。

(5)控制軟件:用vb軟件編寫的爬行器控制軟件，其主要作用是通過控制軟件對爬行器的動作進行控制。

(6)電池:為爬行器各電機、單片機及各個模塊提供電源。

3 爬行器基本參數計算

爬行器設計應該滿足的基本參數:(1)鋼絲繩直徑:≤70 mm;(2)小車行走速度:0.16 m/s;(3)最大爬坡角度:30°;(4)小車自重:≤30 kg。

3.1 卡爪卡緊力的計算

爬行器在鋼絲繩上爬行的簡化力學模型如圖7所示。

圖7 爬行器在鋼絲繩上爬行的簡化力學模型

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與爬行坡度的函數關系，式 (2)為爬行器能夠向上滾動爬行的條件。

式中:Fa為爬行器靜止時所需卡緊力;Fb為電機提供向上拖動力;m為爬行器總機質量;μ為卡爪與鋼絲繩靜摩擦因數;θ為爬行器的爬行坡度。

由《機械設計手冊》查得鋁硅合金與硬橡膠的摩擦因數μ=0.25，靜止時所需要的卡緊力與爬行坡度的關系［8］如圖8所示。

圖8 卡緊力與爬行坡度的關系

由圖8可知，爬行坡度為14°左右時，爬行器可以依靠自重產生的摩擦力保持不動，但大于14°時必須給卡爪施加相應的卡緊力才能保證爬行器不會向下滑動;隨著爬行坡度的增加至30°時，卡卡爪的緊力至少達到需要340 N。

卡爪的壓緊力由電機提供，靜止時電機扭矩與壓緊力的函數關系為:式中:T電為電機扭矩;i減為直角減速器傳動比;i齒為齒輪傳動比;r為卡爪兩側實際接觸面到對稱中心的距離。

根據結構尺寸及機械設計準則，確定減速器及齒輪的傳動比，故可以根據扭矩及轉速確定卡緊電機的型號。

3.2 爬行電機的選型計算

爬行器卡爪處總共有兩個驅動電機，是驅動爬行器前進的動力源，在爬行器運行不打滑的情況下，根據功、能關系可以求得功率。如式:

式中:t為時間，s;v為爬行器運行速度，m/s;s為單位時間爬行的路程，m;P為電機功率，W。

考慮到傳遞效率及留有一定余量取P=25W，則選取的前進驅動電機的相關參數如表1所示。

表1 前進驅動電機的相關參數

4 關鍵部件受力分析及優化

要保證爬行器能夠正常工作，首先應保證各個零部件能夠不失效，所以對爬行器的卡爪、花鍵桿及連接塊在SolidWorks的Simulation模塊中進行了受力仿真分析。

4.1 卡爪與花鍵桿受力分析

實際工況中，一般情況下是四個卡爪共同分擔整機重量，越障的時候則只有一側的兩個卡爪卡緊鋼絲繩，此時卡爪與花鍵桿承受的力最大，故受力分析應為越障時的實際工況。

由文中第3節所述可知，在坡度為30°時，跨越障礙物時，兩個卡爪需要的壓力為340 N，并且承受整機300 N的重力，對于單個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格。

圖9 網格劃分

卡爪、花鍵桿、支承座的選用鋁合金 (1060－H18)，在Simulation模塊中仿真運行結果如圖10所示:

圖10 卡爪仿真結果

由仿真結果可以看出，卡爪處最大米塞斯應力為4.8×107N/m2，最小安全系數為2.6，最大位移量為0.681 4 mm，滿足設計要求。

4.2 連接塊受力分析

連接塊的作用是連接兩側絲杠傳動，并攜帶電池、控制模塊、無線模塊及檢測儀器。在爬行器工作時，需要對連接塊的強度進行校核，并仿真其在真實工況下的變形量，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副及自身的重力，為簡化分析，將卡爪、花鍵桿、支承座、電機及減速器產生的重力施加到兩側支撐板，其網格劃分及各部件連接關系如圖11所示。

圖11 網格劃分

仿真結果如圖12所示。

圖12 連接塊仿真結果

由仿真結果可以看出，連接塊與絲杠滑臺螺栓連接處應力最大，其值為3.24×108N/m2，而最小安全系數為0.39，表明當前連接塊強度不滿足設計要求，所以需要對連接部分進行優化處理，使整體最小安全系數至少大于1，保證爬行器能夠正常運行。

由分析圖可知，連接塊連接螺栓的螺栓孔為最危險處，受到了應力最大，所以對連接塊螺栓連接處進行加厚處理如圖13所示。

圖13 加厚連接塊

連接塊螺栓連接處加厚后再進行仿真計算，其結果如圖14所示。

圖14 優化結果

優化后，分析模型中最大米塞斯應力為7.7×107N/m2，最小安全系數為1.62，最大位移量為3.07 mm，滿足設計要求。

5 結論

(1)通過提出的3種不同鋼絲繩爬行器結構設計方案，相互比較各自的優缺點，得出了一種理論上能夠爬行、越障的鋼絲繩爬行器。

(2)對爬行器關鍵部位進行仿真分析，并對強度不足之處進行優化，為后續的優化和現場實驗提供了理論依據。

(3)下一步進行對鋼絲繩爬行器控制部分的硬件和軟件進行設計，完成鋼絲繩爬行器的完整設計，尚需加工實物進行現場試驗。

［1］吳功平，肖曉暉，郭應龍，等.架空高壓輸電線自動爬行機器人的研制［J］.中國機械工程，2006，17(3):237－240.

［2］姜生元，任立敏，焦宏章，等.吊臂式巡線機器人懸吊姿態平衡機構的研究［J］.機械設計，2011，28(1):50－53.

［3］張運楚，梁自澤，譚民，等.架空電力線路巡線機器人的研究綜述［J］.機器人，2004，26(5):467 －473.

［4］MONTAMBAULT Serge，HYDRO-QUEBEC Nicolas Pouliot.Development of an Inspection Robot Capable of Clearing Obstacles While Operating on a Live Line［C］//Conference on Transmission and Distribution Construction，Peration andLive-line Maintenance，IEEE，2010.

［5］TOTH Janos，POULIOT Nicolas，MONTAMBAULT Serge.Field Experiences Using Linescout Technology on Large BC Transmission Crossings［C］//1st International Conference on Robotics and Automation，October 5 －7.Canada，IEEE，2010.

［6］賁安然.在役平行鋼絲拉索斷絲漏磁檢測方法及裝置［D］.武漢:華中科技大學，2012.

Design of Line-spider Scheme

ZHONG Gongxiang，PENG Fuguo，LV Zhizhong
(Institute of Electrical and Mechanical，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China)

With the developmentofmodern technology，the cable inspection need line-spider to carry instruments instead of artificial inspection.According to the theory of bionics，three different kinds of solutions were proposed in the study of line spider reserch，based on comparing the advantages and disadvantages of three different structure scheme，it was concluded an optimization structure which can go over themost abstacles on the line.And FEManalysiswasmade formain components of the line-spider based on the SolidWorks，which provides the theoretical foundation for further optimization and experiments.

Cable detect;Line-spider;SolidWorks

TH12

B

1001－3881－ (2015)21－037－5

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.008

2014－08－20

省部共建“石油天然氣裝備”教育部重點實驗室資助項目 (2011 sts03)

鐘功祥 (1962—)，男，碩士，教授，研究方向為石油機械工程。E－mail:zhonggx3170@163.com。

彭福國，E－mail:120978066@qq.com。