输电线路除冰机器人机械部分设计开题报告

1、. .本 科 毕 业 设 计 开 题 报 告题 目：输电线路除冰机器人机械局部设计学生*：学号：所在院(系)：机械工程学院 专业班级：机自091班 指导教师：2013年3月13日题 目输电线路除冰机器人机械局部设计1、 选题的目的及研究意义 随着我国经济的快速开展以及人民生活的不断提高，保证电网平安稳定运行变得越来越重要， 电力工业关系到国计民生。电网平安生产的关联性强，影响电网平安的因素多而复杂，从一次能源， 到发、输、配、用的任何一个环节出了问题，都有可能引发电网事故，造成灾难性后果。特别是，近年来发生的冰雪、地震等严重自然灾害，更是对电网平安形成了严峻的考验。冰灾对电力传输的危害在于，电

2、网系统覆冰严 重时会断线、倒杆塔，导致大面积停电事故，且事 故发生在严冬季节，大雪封山，公路结冻，难于抢修，造成长时间停电。因此，冰雪、冻雨是许多国家电网系统所面临的严重威胁之一 。 2021 年年初，受北方南下强冷空气西南暖湿气流共同影响，南方区域的*、*、*、*等省遭遇历史上罕见的雪凝灾害性天气，电力根底设施遭到大面积的严重破坏，到2008年2月27日，低温雨雪冰冻灾害造成南方电网10kV 及以上线路7541条被迫停运，35kV及以上变电站859座被迫停 运，10kV及以上线路倒杆倒塔及损坏126247基座。在1998年的美加冰灾中，Hydro-Quebec 的电力网络超过3000km 受

3、到冰灾影响，造成1000座高压输电杆塔、30000座配电杆塔倒塌，4000台变压器需要修复。Hydro-Quebec和Ontario Hydro电网系统的维修费用为10亿加拿大元。美国在大范围和持续的电力中断下，20条主要输电线路、13000座电线杆、1000台高压设备和5000台变压器需要更换，费用高达1750万美元。美加冰灾造成470万加拿大人和50万美国人遭受停电影响，其中40万户居民停电超过两个星期，电网系统的修复直到10月份才完成。瑞典南部2005年1月遭受严重暴风雪灾害，风速 到达46m/s，电网系统、通讯以及铁路公路等长时间停运，65万人得不到电力供应，电网修复时间长达7周。德国

4、2005年11月的冰雪灾害造成超过70条输电线路倒塌，20万人停电。 总之，输电线路除冰问题已然成为一个世界性问题，而本课题的目的就在于设计一种可以代替传统除冰方式的新型设备，尽可能的高效、快速、平安的完成输电线路的除冰人物。尽可能减少线路覆冰为人民财产平安带来的损失，同时减轻电力工作人员的工作难度和工作量。本课题研究的意义就是，由于我国地域广阔，人口众多，对电力的需求也是与日俱增；因此在各种地理环境中都设有大量的输电铁塔架设输电线路。但是每到冬季就会面临这样一些问题，那就是输电线路覆冰，对输电平安造成严重隐患，尤其以2021年的雪灾为甚，雪灾造成了严重的损失。尤其是对输电线路造成严重破坏，由

5、于输电线路覆冰，而是线路被压断，甚至铁塔被压塌，对周边的人畜造成很大的平安隐患。电力部门为了快速抢修线路，以防对居民生活带来不必要的影响，派出大量的电力工作人员，进入受损区域进展抢修。但是线路覆冰较厚人力去除很难，而且也不平安。同时也浪费了大量的财力和时间，为了减少人力资源的浪费，也为了防止人力除冰过程中各种意外的发生，同时也是为了加快除冰的效率，我拟设计一台能够在输电线路上自行行走的除冰机器人来代替人来完成输电线路的除冰工作。以最快的速度帮助电力部门恢复电力，以免对居民生活、工厂生产等造成较大影响。输电线路除冰机器人有着重要的应用价值和广阔的应用前景。能够为国家在以后的输电线路除冰方面节约人

6、力、物力、财力，把这些转移到更需要的地方。而且输电线路除冰设备也一直是国外许多国家研究的热点，我国也是一个冰灾多发国度，有必要对机器人除冰技术进展研究，这不仅可以提高除冰效率，降低劳动本钱节省救灾时间，同时也有助于我国机器人技术的开展。另外，除冰机器人在平时也可用于线路巡检，可以节约人力本钱，而且机器人也更为平安快捷，对于电能的输送将会有至关重要的作用。2、 综述与本课题相关领域的研究现状、开展趋势、研究方法及应用领域等。目前机器人在输电线路上的应用主要为巡线，巡线机器人研究始于二十世纪八十年代末，每过、加拿大、日本等兴旺国家相继开展了巡线机器人的研究，九十年代末国内的一些研究机构也开场了对巡

7、线机器人的研究，并取得一定成果。与巡线机器人比较，除冰机器人的研究起步较晚，较早出现的输电线路除冰机器人有加拿大魁北克机电研究院于2000年开场研制的LineROVer遥控小车。该遥控小车用于两塔之间的除冰，但无越障能力。2006年该研究小组对遥控小车进展改进，使其构造更为复杂，且具备越障能力。在国内*大学在国家的科技工程资助下，联合国防科技大学、*大学、*大学等多家单位，开发研制了单体除冰机器人和可越障的两臂除冰机器人、三臂除冰机器人，积累了一定的经历。加拿大研制的机器人参数如下：1导线直径D不大于25mm；2小车自重不大于20；3电机功率P=1.2W，电压U=12V；4小车行走速度V=0.

8、27m/s；一部由*工业大学研发的“高压线除冰巡检机器人，有望帮助中国南方遭受低温雨雪冰冻灾害的地区去除高压线上的积冰，既可有效维护电力供应，又可防止人工高危作业，提高救灾抢险效率。它长厘米、宽厘米，看上去就像吊在金属电线上的小坦克模型。按下开关，它便紧紧地夹着电线稳步前进，最前端安装的两把月牙形除冰刀有力开合，将附着在金属电线上的冰凌击碎。团队负责人、*工业大学机电学院学生李莹介绍，这部机器人重公斤，能除掉毫米线径上包裹的直径达毫米的冰柱，速度可到达每小时米。由于使用了小组自行研发的随动越障扇轮、人字定心机构、碟形链传动等机构，“除冰机器人可以在塔桥悬挂式电线上穿越障碍物且不减速，能爬上度的

9、斜坡，承受级风力。此外，机器人上装有远程遥控模块，操作者可在室内控制机器人，无线摄像功能可帮助工作人员在室内通过视频随时观察除冰动态及电线破损情况。机器人上部还装有夜视灯，可以在夜间和雾霾天气下作业。近年来由于机器人技术水平的不断提高，除冰机器人的技术已有了较大开展，除冰机器人以后的开展趋势将是1除冰理念的更新，以前涉及输电线路的除冰，人们首先想到如何除冰，但除冰理念的不断改进，我们应该采用“防冰+除冰的新除冰放法；2更多的采用高智能化的技术，利用先进的计算机控制技术和人工智能技术开发的除冰机器人将成为未来除冰技术的主流，在整个除冰过程中，机器人可自主的导航、越障、除冰以及紧急故障诊断修复或反

10、响；3应用复合除冰技术，集合各种除冰方法的优点，扬长避短，到达最正确除冰效果；4除冰技术平安化，实现远距离遥控，保证操作人员的平安。目前输电线路的除冰方法主要有热力融冰法、机械除冰法、自然除冰法和机器人除冰法。热力融冰法，是指利用附加热源或者导线自身发热，融化冰雪的方法。目前常用的热力融冰法有过电流融冰法、短路融冰法、直流融冰法三种。过电流融冰技术是在线路导线或者地线上通以高于正常电流密度的传输电流，获得焦耳热以到达融冰目的。但是过电流技术负荷大，停电时间长，操作难度大，是该技术推广受到较大限制。短路电流融冰，是人为将输电线路导线短接，形成短路电流，利用其热量加热导线以到达融冰目的。短路融冰技

11、术对供电系统有较大影响，消耗电量大且需要修改保护定值，同时还必须在短路情况下保证系统平安和重要用户的供电，操作过程复杂、繁琐，对调度员要求高。直流电流融冰原理是将覆冰线路作为负载，施加直流电源，用较低电压提供短路电流加热导线使覆冰融化。但直流电源融冰技术需要一种特种直流电源对其供电，该电源必须具有良好的恒流特性，并在负载扰动或者试验状态变化时做出快速响应，以确保电源的稳定加热。机械除冰法是利用机械外力是线路上的覆冰脱落的方法，目前机械出兵的主要方法有“ad hoc、滑轮铲刮法、电磁力除冰法和机器人除冰法。ad hoc法又称为外力敲击法，即有现场工作人员借助工具敲击线缆除去覆冰的方法。该方法虽然

12、简单易行，但只适应于10kv为主的的近距离线路除冰，除冰效率低、工作量大，因此只是在紧急情况下的权宜之计，应用范围甚少。滑轮铲刮法是地面上的操作人员通过控制输电线路上的滑轮移动，借助里的作用使导线弯曲，从而使覆冰破裂。滑轮铲刮法操作简单、效率高、能耗小，且价格低廉，是目前主要除冰方法之一。但是这种除冰方式受地形的限制，平安性能还有待进一步完善。电磁力除冰法是将输电线路在额定电压下短路，短路电流产生适当的电磁力使导体相互撞击而使覆冰脱落的方法。但由于目前导线间短路引起的电压降问题和对系统稳定性的影响没得到及时的解决，是该方法没有被推广。自然除冰法是指在不需要外力的情况下，仅靠自然的力量实现除冰的

13、方法。如在输电线路上安装阻雪环、平衡锤等装置，在积雪或者覆冰到达一定程度时，借助风力、重力等作用自行脱落，这种除冰方法简单易行，但具有较大的偶然性，不能实现可靠除冰；在线路外表刷涂憎水性材料或者吸热图层的除冰法，具有一定的研究价值，但由于自身的缺陷导致应用前景受到较大限制。除了以上除冰方法外人工除冰、激光除冰也在研究当中。人工除冰方法主要是由维护工人通过拉纤方式敲打线缆使覆冰脱落，这种方法仍然是我国主要采用的除冰方法之一，但该法效率低下，环境对操作限制很大，且电力工人的生命平安受到极大的威胁。激光除冰法是利用高功率、高能量的激光对输电线路进展除冰的方法。该方法具有远距离、非接触、外加热源、不需

14、要在电网内部增加设备、不断电除冰等优点，但目前激光除冰的系统庞大，本钱高，灵活性不够。机器人除冰法也属于机械除冰法的一种，它是利用安装在输电线路上行走的机器人的除冰机构自动除去覆冰的方法。它是输电线路除冰开展趋势，具有功耗小、效率高、人员无损伤等优点，上世纪80年代，以美国、日本、加拿大等少数兴旺国家率先采用该除冰方法。随后我国也开场了除冰机器人的研究，经过近十年的努力，已取得较大突破。目前除冰机器人研究主要涉及除冰机构设计、除冰机器人行走机构设计和能量采集系统等方面。机器人技术的开展，它应该说是一个科学技术开展共同的一个综合性的结果，也同时，为社会经济开展产生了一个重大影响的一门科学技术，它

15、的开展归功于在第二次世界大战中，各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的开展。另一方面它也是生产力开展的需求的必然结果，也是人类自身开展的必然结果，那么人类的开展随着人们这种社会开展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技开展过程中的一个客观需要。机器人的应用领域研制机器人的最初目的是为了帮助人们摆脱繁重劳动或简单的重复劳动，以及替代人到有辐射等危险环境中进展作业，因此机器人最早在汽车制造业和核工业领域得以应用。随着机器人技术的不断开展，工业领域的焊接、喷漆、搬运、装配、铸造等场合，己经开场大量使用机器人。另外

16、在军事、海洋探测、航天、医疗、农业、林业甚到效劳娱乐行业，也都开场使用机器人。从机器人的用途来分，可以分为两大类：军用机器人和民用机器人。军用机器人主要用于军事上代替或辅助军队进展作战、侦察、探险等工作。根据不同的作战空间可分为地面军用机器人、空中军用机器人(即无人飞行机)、水下军用机器人和空间军用机器人等。军用机器人的控制方式一般有自主操控式、半自主操控式、遥控式等多种方式。    在民用机器人中，各种生产制造领域中的工业机器人在数量上占绝对多数，成为机器人家族中的主力军；其它各种种类的机器人也开场在不同的领域得到研究开发和应用。总体看来，假设按用途分

17、，民用机器人可以分为以下几个主要类别：效劳机器人、工业机器人除冰机器人作为机器人家族中的新成员，研究和应用目前都处于早期开发阶段，现阶段的应用主要有输电线路的巡检及除冰，随着技术的不断开展除冰机器人在以后也许有着跟广阔的应用前景。3、 对本课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的研究方法技术路线或设计实验方案进展说明由于本课题主要针对的是除冰机器人的机械局部设计，不牵扯控制系统，将要解决的主要问题就是除冰方式的选择，本课题采用两步除冰式装置，除冰装置的第一局部，是除冰机器人前端的机械除冰夹，将线路上的覆冰敲碎，其次采用一对带有凹槽的圆筒式刀具夹着电线进展二次除冰，从而彻底的清理线

18、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。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，构造。(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，使其进展有机的相互配合。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。其次就是进展行走机构设计、除冰机构设计、越障机构设计等。然后还要解决各个部件的装配位置，以到达最好的除冰效果。除

19、冰机构：除冰机构是表达机器人除冰性能好坏的最重要部件，其主要工作原理是通过传动机构的运动，带动除冰构件铲除输电线路的覆冰。2021年有河海大学娄宝东等设计的线缆除冰装置利用前后振动的盾牌挤压覆冰线缆实现破冰，如下列图其构造简单、轻便，但覆冰强度较大时，机构除冰效果不佳。*大学王耀南等设计的冲击式除冰机构是采用安装在机器人前端的破冰锥敲击线路的覆冰如图，然后通过组合冰刀铲除覆冰，该法可适用于不同覆冰程度的架空线，除冰效果好。行走机构：行走机构是架空输电线路除冰机器人的重要组成局部，是机器人设计成败的关键之一。除冰机器人的行走机构主要有步进式和轮式两种，步进式通过多只手臂交替移动完成在线爬行，行走

20、方式为连续式，其移动速度慢、效率低。轮式行走机构依靠电机驱动行走轮与导线之间的摩擦，驱动机器人前进。轮式移动爬行行走机构具有移动平稳、速度快、效率高等特点，因此现在巡线机器人多采用此种行走机构。机器人的越障是设计的关键，目前的越障方法是越障时，始终保证两臂挂线以及重心的小断调整，保证机器人平安、有效和平稳的越障网。机器人采用乎臂上升偏转式越障，如下列图，为机器人前臂越障过程。1行走电机驱动机器人在输电线上行走，当前臂传感器检测到障碍物时，三个臂的行走电机同时停顿，机器人停顿前行。2前臂除冰行走机构上升脱线后摆臂电机驱动前臂摆动至一定角度。3中臂、后臂的行走电机启动，机器人前行至中臂传感器检测到

21、障碍停顿。4前臂摆臂电机反转，前臂回摆至线上，除冰行走机构下降至前臂抱线。中臂、后臂的越障与前臂根本一样，简述为:中臂上升、旋转脱线;整体前移至后臂遇障碍、停车;中臂盘旋、下降抱线;后臂上升、后摆脱线;整体前移至后臂过障碍、停车;后臂回摆、下降抱线，完成整个越障的过程。这种越障形式简化了越障过程，有效的节约了越障时间。 本课题就是根据现有的技术资料，设计除根为合理、高效、平安、快捷的新型除冰机器人。拟采取的研究方法、技术路线、实施方案基于冰层强度和温度的特殊环境下工作问题的考虑，在设计中应该选择适宜的材料，这种材料不但具有较好的强度和刚度，更重要的是，能在较冷的环境下能稳定的工作而不至于是刀具

22、损坏，从而到达较好的除冰效果，延长刀具的使用寿命，且具有较高的除冰效率。整体构造的设计也要尽量考虑合理安排动力的分配情况，在保证最好的除冰效果下，减少能量损失。同时要考虑机器本身对线缆造成的负担。要选取适宜的装置功率，更加有效的提高除冰效率效率，而不至于使线缆因机器自身重量过大而造成破坏。在设计传动装置时也要对其功率和传动比进展校核。方案选择方面，因为使用的是两步除冰装置，刀具分别由两个高速电机直接带动，这种方案的好处是刀具能够获得较高的转速，省去了传动装置的能量损耗，考虑到冰的强度结冰的范围，理论上这种装置是有可行性的。在二次除冰的时候采用的是由一个电机带动，通过齿轮的啮合，实现两个滚刀同时

23、旋转从而彻底除去残留的冰。通过更换不同的刀具，甚至可以在不同直径的线缆上工作，在布局和制造时也比其他布局形式有优势，制造方便，材料消耗少，维修也相对方便。针对本课题的研究内容及目标，拟采用下述技术路线：1查阅国内外相关文献资料，先设计装置的整体的构造，分析装置的工作状态，对装置的各个局部的工作过程和状态进展逐一分析。2设计一次除冰装置，其中包括电机的选用，刀具的材料，以及形状的设计。3设计二次除冰装置，主要是电机传动机构，即电机和滚刀之间的传动构造。4设计一次除冰和二次除冰之间的过度装置。方案采用先后依次除冰法。5对设计的各个局部进展逐一校核，保证装置的的常工作。四、检索与本课题有关参考文献资

24、料的简要说明1 王肖然. 供电线路快速除冰方案J . 创造与创新, 2021年6月。.2 李海，X吉等 .架空高压输电线除冰机器人设计J . 中国科技信息，2021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，2021年2月。4 缪思怡，X炜，X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，2021年5月5 Serge Jourden. Deleer Installation at Lrvis Substation on Hydro Qurbecs High Voltage SystemJ.SOUTHERN POW

25、ER SYSTEM TECHNOLOGY，2021，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，2021,年5月7 王聪，X炜，向阳琴. 架空线除冰机器人的除冰机构J . 机器人技术，2021年11月。8山霞，舒乃秋.关于架空输电线路除冰措施的研究J.高电压技术，20064：25-27。9李鹏，范建斌，李

26、武峰.高压直流输电线路的覆冰闪络特性J.电网技术，2006, 30 <17) : 74-78.10李宁.输电线路除冰技术的研究J.防灾科技学院学报，2021 (9) : 33-37.11Landry M, Bcauchcmin R, Vnc A.Dc-icing EHV overhead transmissionlines using electromagnetic forccss generated by moderate short一(circuit(urrtC.Pros“dings of IEEE 9th International Conference on Transm-fission and Distribution Construction, Operation and Livc-line Mainta-ncc,2000:9丰100.12川谷山强.输电线路激光除冰技术试验分析及上程应用设计J.高电压技术，20