《除冰机器人机械结构设计》开题报告4100字

PAGE1除冰机器人机械结构设计目录一．课题来源………………二．选题的性质……………三．论文选题的目的和理论实践意义……四．与本选题相关的国内外研究现状，…………………预计可能的研究突破和创新点………五．主要参考文献…………六．分析研究的可行性、基本条件及能否取得实质性进展……………七．选题的研究方法和进度安排…………开题报告内容一．课题来源从上世纪末开始，随着我国国家电网的快速发展，已经基本实现了家家通电的局面。给国家和人民的生产与发展带来了极大的便利，已经成为现代社会不可或缺的一部分，同时也成为国家发展的重要支柱。我国幅员辽阔，纬度跨度较大，不仅仅是在东北地区，在我国的南方地区，在冬季时也经常会遭受到冻雨的危害。当亚欧大陆的大气环流出现异常时，冷暖空气便交汇在我国南方地区和长江中下游，温暖潮湿的气流携带大量水气就会出现凝结，从而形成雨雪或雾凇，进而导致高压输电线路发生覆冰现象。当覆冰达到一定厚度时，导线由于热胀冷缩的缘故就会产生巨大的拉应力，并且因为低温而变脆。在这两种情况的综合影响下，输电线路就会发生断裂或者输电塔发生倒塌。从而引起大规模，长时间的断电，严重影响着人们的生活和国家的发展。我国在2008年发生的重大冰雪灾害。当时由于技术条件的限制，必须依靠人工攀爬到线路上进行除冰作业，使得许多作业人员因此而失去宝贵的生命。以及在去年冬天我国部分地区因为冰雪灾害的影响，在一些地区的铁路电网上出现了覆冰，列车受电弓无法与电路接触，导致了部分地区的交通运输的瘫痪。各个国家为了尽可能的减轻该种灾害的影响，都进行了大量的研究工作。常用的除冰方法可以分为机械除冰和热力融冰。当前机械除冰主要是通过工人进行敲击，将线路上的覆冰去除，虽然这种方式的效果好，但除冰的效率低，且极易影响工人的生命安全。热力融冰中的直流融冰技术目前在我国应用较为广泛，且该种方法的除冰效率极高，可以在十几分钟的时间内，去除掉约两百公里的线路覆冰。但进行该种作业必须保证在两座变电站之间的线路必须为通路状态，如若已经发生线路断裂则无法应用。本文在总结现有除冰机器人的优势之上，将冲击式除冰方法与铣削式除冰方式进行结合，搭载在一个除冰机器人上，使其可以几乎不受输电线路上覆冰厚度的影响进行作业。二．选题的性质：1．理论研究（）2．应用研究（√）3．应用理论研究（）三．论文选题的目的和理论实践意义本文主要根据除冰机器人可能遇到的作业环境，对除冰机器人的总体方案进行了设计。并尽可能以最困难的环境条件来对除冰机器人的一级二级除冰机构进行设计，并对其进行了强度校核，保证其能够安全，高效，稳定的进行除冰作业。四．与本选题相关的国内外研究现状，预计可能的研究突破和创新点（一）与本选题相关的国内外研究现状1.国外研究现状西方一些发达国家以及日本等国在该种机器人方面的研究起步较早，并取得了相应的成果。最早在该方向进行研究的是加拿大的魁北克电力研究院SergeMontamtault等人经过两年的研究设计，推出的HQLineROVer遥控小车，该小车只具备巡视功能，且只能在一条无障碍的线路上进行工作。然后在经过不断的升级与改进之后，该团队于2006年推出了他的升级款，使得该小车能够对线路上的部分障碍物进行跨越，但是依旧不具备除冰功能。不过该巡线小车为后续除冰机器人的发展提供了平台，只要在该小车上将巡线部分改为除冰机构，并重新设定程序即可。日本东京电力公司也曾经研制过一台巡检机器人，该机器人可以在线路上独立行走且可以通过其上搭载的前后两臂进行越障。在以后的研究中，并以此为基础，在其上搭载了除冰机构，主要是利用电晕效应进行除冰。此外，美国，泰国，墨西哥等国家也先后研制过一些该类机器人，并制造了样机进行了相应的实验，但基本上都为巡检机器人，不具备除冰功能。2.国内研究现状我国在这方面的研究最早起步于上世纪的九十年代，但却很少取得成果。最近几年来，尤其是2008年特大冰雪灾害之后，我国许多科研院所开始着手对其进行更进一步的研究，并取得了不错的成果。其中比较有代表性的是山东大学与加拿大魁北克水电研究院联合开发的LineROVer小车以及武汉大学吴功平教授团队的机器人。其中，山东大学与加拿大魁北克水电研究院联合开发的小车，他们在远程通信与控制、能源动力、防水性能等方面对LineROVer小车做了技术改进，并在小车上却集成了红外检测、压接管，电阻测量、除冰等带电作业功能，但却没有赋予其越障能力。武汉大学吴功平教授团队的除冰机器人采用了比较特殊的铣削式除冰，该种除冰方式可以避免普通挤压式除冰方法对输电线路的损坏。因为目前我国国内多采用多分裂式输电方案，其中多为六分裂式与八分裂式，因此重庆大学的研究团队开发了一种可以应用于分裂式输电线路的巡线机器人，其可以快速稳定的通过输电线路之间的连接架，但是该平台难以搭载除冰机构进行除冰作业。吴功平教授团队也在最近开发了可以应用于多分裂式输电线路的机器人，其越障方式已经相对来说较为成熟，但是也仅限于各根导线之间的连接架，对于塔杆以及别的障碍物仍然有所不足。总结现有的除冰机器人的除冰方式，主要为挤压，冲击，振动等方式。相比与传统的人工除冰方式，可以减少人员的伤亡，除冰效率也相对来说有一定的提高。与目前比较成熟的直流融冰技术相比较，虽然在融冰效率上低了许多，但是可以在导线断开的情况下继续作业。针对效率低的情况，可以每隔一段距离布置一个除冰机器人来进行解决。但是仍有一些关键的问题阻碍着除冰机器人的大规模使用，比如，该机器人无法自动攀爬上导线上进行作业，其虽然可以搭载越障装置，但是越障能力也有一定的限制，而且其电池的续航与重量也是在未来需要解决的一个问题。（二）预计可能的研究突破和创新点本文针对目前我国常用的各横截面直径尺寸不同的高压输电线缆设计一款可以通用的除冰机器人。结合实际情况，具体的设计内容如下：1.根据覆盖在输电线路上的各种冰的形成，以及不同种类覆冰的硬度，按照硬度最大的情况进行除冰结构中刀具，以及刀具支撑结构的设计，并对其进行强度校核。为了能够将一些硬度很高的覆冰通过冲击与铣削的方式去除，刀具的扭矩不能仅由电机提供，需要借助减速器来降低转速的同时并提高电机输出的扭矩，使其面对硬度高的冰层也不会发生刀具卡死的情况，保证机器人能够持续稳定的完成除冰作业。因此需要重点设计刀具的减速器，使其在有较大的减速比的情况下并且尽可能的小，并且有着一定的使用寿命，不会因为扭矩过高而发生失效。2.根据不同规格的输电线路的导线横截面的直径，设计刀具支撑结构，使其可以根据不同粗细的导线选择不同的刀具间距离，极大的增强该机器人的适用性，并且可以避免由于固定的刀具间距离而产生的遇到较粗的导线将其压裂或者遇到较细的导线不能很好的完成除冰的问题。五．主要参考文献[1]李宁.覆冰输电线路高频高压除冰技术研究[D].长沙理工大学,2010.[2]黄新波,刘家兵,蔡伟,王小敬.电力架空线路覆冰雪的国内外研究现状[J].电网技术,2008(04):23-28.[3]MontambaultS,PouliotN.TheHQLineROVer:contributingtoinnovationintransmissionlinemaintenance[C]//IEEEInternationalConferenceonTransmission&DistributionConstruction.IEEE,2003:33-40.[4]王刚.高压架空输电线路除冰机器人研究[D].西安电子科技大学,2014.[5]DebenestP,GuarnieriM,TakitaK,etal.Expliner-Robotforinspectionoftransmissionlines[J].IEEJTransactionsonPowerandEnergy,2008.[6]任志斌.高压输电线巡检机器人控制系统的研究与实现[D].上海大学,2010.[7]GongpingWU,XiaoX,XiaoH,etal.DevelopmentofaMobileInspectionRobotforHighVoltagePowerTransmissionLine[J].电力系统自动化.[8]李振宇.220kv高压输电线路巡线机器人控制系统的研制[D].武汉大学,2005.[9]BaiY,WuG,XiaoH,etal.OverheadHigh-VoltageTransmissionLineDeicingRobotSystemandExperimentStudy[C]//IntelligentRoboticsandApplications-ThirdInternationalConference,ICIRA2010,Shanghai,China,November10-12,2010.Proceedings,PartII.DBLP,2010.[10]柏龙,周晓霞,陈晓红,张俊芳,孙园喜,彭艳,罗均,蒲华燕,谢少荣.一种高压多分裂架空输电线路巡检越障机器人[P].CN112152150A,2020-12-29.[11]吴功平,朱家乐,樊飞.一种多分裂架空高压输电线路移动机器人及其可重构方法[P].CN109861133B,2020-06-09.[12]林坚磊,刘文华,陈雪,侯智强,宋赫.高压线除冰机器人本体结构设计[J].宁波职业技术学院学报,2015,19(02):63-66.[13]刘建伟,黄祖钦,廖燕军,吕宁.高压线防冰除冰机器人的设计[J].机床与液压,2014,42(21):42-45.[14]Yan,Li.IntelligentControlTechnologyofUltra-HighVoltageGrid[J].JournalofAdvancedComputationalIntelligence&IntelligentInformatics,2019.[15]刘泽洪.±1100kV特高压直流输电工程创新实践[J].中国电机工程学报,2020,40(23):7782-7792.DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.201451.[16]王耀南,魏书宁,印峰,杨易旻,谭磊,曹文明.输电线路除冰机器人关键技术综述[J].机械工程学报,2011,47(23):30-38.[17]夏辉军.输电线路防冰减灾技术研究及覆冰在线监测系统设计与实现[D].电子科技大学,2011.[18]WeiFA,SzbD,WzC,etal.Anefficientdynamicformulationforthevibrationanalysisofamulti-spanpowertransmissionlineexcitedbyamovingdeicingrobot[J].AppliedMathematicalModelling,2022,103:619-635.六．分析研究的可行性、基本条件及能否取得实质性进展（一）研究的可行性高压输电线路的正常运行关系着国家的生产与发展。而高压线路结冰则严重影响着人们的正常生活与生产，甚至给国家的经济发展带来巨大的损失。尤其是2008年我国发生的重大冰雪灾害，造成了约1500亿的经济损失，约一亿人遭受到不同程度的影响。因此，开发一个可以高效，安全，稳定的除冰机器人显得尤为重要。（二）基本条件及能否取得实质性进展经过前期的文献资料收集和自身的理论基础，在导师的指导下可以取得实质性进展七．选题的研究方法和进度安排（一）研究方法1.文献研究法对目前国内常用的输电线路的输电方案与线路规格进行了简单的总结。2.案例研究法对输电线路上常见的覆冰进行了简单的介绍，并根据这些介绍，确定除冰机器人具体的除冰方案。最后，明确除冰机器人的行走机构。（二）进度安排1.撰写开题报告2022年8月1日—2022年8月31日，通过查阅规定数量的相关文献，积累资料，完成调研后撰写《开题报告》。2.论文初稿写作2022年9月1日—2022年11月10日，完成毕业论文初稿写作，并将论文初稿提交指导老师。3.