一种输电线路绝缘子串检测机器人机构设计

引言

绝缘子是工作在高压输电线上的一种绝缘体,它将高压输电线杆与输电线连接起来,在这样特殊的环境下工作,必定对绝缘体有着特别高的要求,它不仅要求绝缘体具有较强的机械性能,同时还要求有较高的绝缘性能。输电线路的绝缘子工作在自然环境中,经受着高电压的影响及长时间的外部环境侵蚀,绝缘性能难免下降,进而变成不良的绝缘子,而不良的绝缘子严重威胁着电力系统运行的稳定性和可靠性。因此,针对长期工作在高压输电线路中绝缘子的检查工作显得尤为重要,检查绝缘子的状态,有利于保证高压输电线路安全工作。随着电压等级的提高绝缘子串长度也在不断增加,采用传统的人工方法进行检测难度也大大增加,因此新型检测设备的研制越来越重要。为了代替传统人工操作的检测方法,对于自动检测机器人检测技术进行研究进而实现高效的带电自动检测迫在眉睫。

目前,国内外关于悬垂绝缘子检测机器人的研究甚为广泛,伴随产生了多种机器人。根据行走机构工作原理,可以分为三种形式,分别为蠕动式、履带式和轮腿式。依据仿生学原理的行走形式,蠕动式行走机构沿着悬垂绝缘子串蠕动爬行,如韩国电力研究院研制的悬垂绝缘子清扫机器人和美国电力研究院研制的1ke机器人,该行走机构具有运动稳定性好、可靠性高等优点,其主要的缺点是步态控制复杂。高压绝缘子维护清扫机构由意大利学者LuigiParis研发,采用履带式的行走机构,通过履带沿着绝缘子表面滚动式地爬行,该机构具有良好的适应能力和承载能力,被广泛应用于各类越障机器人中,但其结构较复杂,机器尤为笨重。轮腿式行走机构是利用多组轮腿与绝缘子瓷裙交替接触来实现沿着悬垂绝缘子串运动,韩国电力研究院研制的绝缘子检测机器人和中国科学院沈阳自动化研究所研制的叶轮滚动式悬垂绝缘子检测机器人都采用了轮腿式行走机构。轮腿式行走机构工作原理简单,运动连续性好,体积轻便,但其对不同绝缘子串的适应性、运动稳定性及承载能力较弱。

绝缘子串长期工作在自然环境下的输电线路上,根据这一外部自然环境特点,考虑到检测任务较为严峻,结合现有新型装置机构的优势,本文提出了一种新型绝缘子检测机器人机构。这种新型检测机构可以分为四部分,分别是固定安装支架、行走驱动装置、导向装置及检测装置。新型机构的行走移动方式特别,不依赖于绝缘子串本体,可以适应不同的绝缘子串,例如水平、垂直、单串以及双联或其他绝缘子串。该新型检测机构优势较多,它不仅结构简单、上串操作简单,还有着较好的适应性、较快的移动速度,同时对绝缘子磨损较小,检测准确率及可靠性较高。

1任务需求与环境描述

在架空输电线路中,比较常见的绝缘器件是盘形悬式绝缘子,根据《劣化盘形悬式绝缘子检测规程》(DL/T626一2005)中的要求,针对分布电压、绝缘电阻要进行定期测量,同时这也是工频耐压实验中的一项重要检测内容。

通常而言,只会将绝缘子串处于铅垂状态的情况纳入研究中,这种状态的表现形式是所有绝缘子片的轴线处于同一条直线上,如图1(a)所示。实际上会有一些偏差,因为相邻两个绝缘子片通过铁帽和钢脚连接,这样仅控制了高度方向的参数和位移,对相对转动并没有影响。根据《绝缘子串元件的球窝连接尺寸》(GB/T4056一2008),相邻绝缘子片间临界夹角按不同连接标记规定为9°~12°,同时受到外界因素影响,如自然弯曲、安装误差等因素,实际输电线路中的绝缘子串轴线会出现一段小角度范围内弯曲的空间曲线,如图1(b)所示。现阶段,人工登塔带电检测是国内比较常见的检测输电线路瓷质绝缘子的方法,该方法主要工作原理如下:电力操作人员登上铁塔,利用携带的绝缘杆将绝缘子检测装置靠近绝缘子,并使绝缘子检测装置的探针与相邻两绝缘子的铁帽可靠接触,进行绝缘电阻的测量,根据阻值的大小来判断是否为低值绝缘子。图1所示正是电力操作人员在检测耐张瓷质绝缘子串。

2绝缘子串检测机器人设计

2.1绝缘子串检测机器人构型分析

机器人结构示意图如图2所示,该机构主要由四部分组成,分别为固定安装支架、行走驱动装置、导向装置以及检测装置。固定安装支架一侧是绝缘齿条类型,起着驱动行走装置的作用,利用齿轮与绝缘齿条相啮合驱动行走驱动装置。在行走驱动装置上安装了导向装置,行走驱动装置的一侧与检测装置相连接,这样四个组成部分就关联了起来。通过如下方式实现输电线路绝缘子串的逐片检测:行走驱动装置在齿轮与齿条啮合的驱动下移动行走,并将检测装置送达预先设定好的位置,探针旋转后搭接到钢帽上,以实现检测工作。

固定安装支架由三个重要部分组成,分别是固定安装座、绝缘齿条和拉簧。将固定安装座的一端固定在输电线路铁塔塔材上,较链与绝缘齿条与另一端连接,使用一根拉簧将固定安装座与绝缘齿条连接。行走驱动装置主要包含下列组成部分:驱动电机、驱动齿轮、驱动齿轮安装座、从动齿轮、从动齿轮安装座及控制箱体。驱动齿轮安装座和从动齿轮安装座分别安装在控制箱体的两端,驱动电机和驱动齿轮安装在驱动齿轮安装座上,从动齿轮安装在从动齿轮安装座上:另外,电子控制元件及无线传输系统安装在控制箱体中,位置传感器安装在控制箱外。

通过齿轮、齿条啮合传动驱动机器人上下移动,进而实现该新型机构的行走移动,这种驱动方式不仅行走速度快、到位准确,而且检测效率较高。这种新型设计方式对绝缘子串的本体要求较低,可适应、应用于多种形式的绝缘子串。该机构行走驱动部分与绝缘子串互不接触,只有导向架存在局部接触,承受着的阻力较小,因而对绝缘子片涂层的磨损较小。使用这种新型机构装置,仅仅需要将固定安装座连接到杆塔塔材的合适位置,不需在绝缘子串上安装检测机器人。电机通过齿轮直接驱动检测装置的探针进行运动,检测操作平稳,稳定性好,搭接绝缘子钢帽的可靠性高,进而确保了检测数据的有效性。同时导向装置起着保护作用,能够确保机器人完成工作,不会从输电线的绝缘子串上掉落,保证了机器人自动、安全、稳定、可靠地完成检测工作。

2.2检测装置

如图3所示,绝缘子检测装置主要由探针、电机和齿轮三部分构成。

将检测机器人主体送达预先设定的位置,启动电机,并驱动旋转关节,在相邻两个绝缘子片间,将检测探针搭接到其铁帽上,进而实现检测装置对绝缘子片绝缘电阻值的自动检测。)23工作流程分析

采用该机构对输电线路绝缘子串劣化绝缘子片进行检测,主要有两种状态:行走状态,如图4(a)所示,探针旋转避开绝缘子串:检测状态,如图4(b)所示,旋转探针到钢帽处,与钢帽连接。

绝缘子串检测机器人工作原理如下:

第一步,吊装上塔。将整个机器人系统吊装到待作业的输电线路杆塔上,然后固定安装座连接到待作业绝缘子串上方的塔材上。

第二步,安装上串。将导向装置安装在输电线路待检测的绝缘子串上,使导向架紧靠在绝缘瓷瓶的瓶沿上。

第三步,行走到位。行走驱动装置中的驱动电机动作,驱动齿轮沿绝缘齿条带动机器人本体向导线方向行走,当位置传感器检测到信号后,驱动电机停止转动。

第四步,逐片检测。控制探针驱动电机动作,带动探针向待检测的绝缘子片方向转动,待探针可靠搭接到待检测绝缘子片的钢帽后驱动电机停止转动,绝缘子检测装置开始进行检测工作,检测完成后控制探针驱动电机动作,带动探针返回初始位置。

第五步,完成检测。重复第三步及第四步的行走及检测过程进行下一片绝缘子片检测,直到完成绝缘子串所有绝缘子片的检测。

第六步,吊装下塔。完成检测作业后,行走驱动装置中的驱动电机动作,驱动齿轮沿绝缘齿条带动机器人本体向杆楷楷材方向行走,直到回到机器人初始安装位置,从杆塔塔材上拆除固定安装座,再将整个机器人系统吊装下塔,检测过程结束。

3机运动仿真证

结合上文的分析和设计尺寸,这里采用三维模拟的方式,构建了机器人机构及其工作环境下的模型结构,三维模型如图5所示。绝缘子串的中心线与垂线之间存在一定的夹角,称其为θ,不同的θ值代表绝缘子串不同的状态环境,通过改变θ值,模拟不同状态下的三维模型。当θ≈0o时,绝缘子串为铅锤状态,一般为直线塔处的绝缘子串:当0o<θ<80o时,绝缘子串处于倾斜的工作状态,通常处于耐张塔处的绝缘子串为这种状态。

如前文所述,机器人行走到一定位置后,停止运动,探针转动搭接到绝缘子两侧的钢帽处,探测其阻值,完成检测工作。结合障碍物的特点及机器人的工作环境,机器人末端的运动轨迹规划示意图如图6(a)所示,机器人在齿轮、齿条传动驱动作用下,沿绝缘子串实现上下移动,当到达指定位置后,齿轮传动停止:检测装置处的驱动电机通过齿轮传动驱动探针转动,完成探针与钢帽的搭接,停留一定时间,完成阻值检测:检测后,检测装置处的驱动电机通过齿轮传动驱动探针反向转动,完成探针与钢帽的脱离:然后机器人在齿轮、齿条驱动作用下沿绝缘子串继续移动。

采用step函数规划各驱动装置速度,step函数如下所示:

式中,λ为变量参数:h0为初始变量λ0的初始值:h1为终止变量λ1的终止值。

图6(b)分别仿真了沿不同倾斜角度的绝缘子串移动时,即θ=0o、16o、+2o、48o、64o、80o时机器人需要的驱动力,从图中可知倾斜角度越小所需的驱动力越小,机器人可以在较大倾斜角度的绝缘子串上完成行走作业,这个最大的倾斜角度可以为80o。由此可以得到以下结论:机器人可以在多种类型的绝缘子串上工作,适用于水平、垂直等不同倾斜角度的绝缘子串。

从图6(c)可以得到,倾斜角度直接影响着机器人与绝缘子串的接触力,两者之间的接触力随着倾斜角度的增大而变大,这里最大的接触力不超过400N,接触力越小,对绝缘子串的损伤也越小,进而验证了新型机器人机构设计的合理性、工作运行的可行性。

4结语

根据高压输电线路绝缘子串检测工作的特点及实际检测工作需要,本文设计了一种新型绝缘子串检测机器人机构。根据分析数据及三维仿真结果可知,这种新型的检测机器人,通过齿轮、齿条啮合直接驱动行走装置,不依赖绝缘子串本体,适用于多种形式的绝缘子串。同时驱动装置与绝缘子串并不接触,对绝缘子串的磨损较小。同现阶段的其他绝缘子串检测机器人机构相比,这种新型的检测机器人,不仅结构简单,上串操作简单,还有着较好的适应性,较快的移动速度,同时对绝缘子片磨损较小,检测准确率及可靠性较高。