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高压线机械除冰车的设计DesignofMechanicalDe-icingVehicleForHigh-VoltageLines摘要近年来，我国南方部分地区频繁发生雨雪冰冻灾害，导致输电线表面结冰、重力增大，高压输电线路大面积受损。为了避免高压线被压坏，保证电力输送的正常进行，就需要将高压线覆冰及时消除。在通过分析现有除冰技术各种利弊后，提出本文的机械除冰车方案。本文的目的是设计并制造一种新型的高压线机械除冰车。论文首先提出了除冰车的整体方案设计及所需解决的主要问题，包括悬挂问题、传动及驱动方式、除冰刀、行走轮和驱动轮的设计。然后进行了包括轴和除冰刀的设计计算、锁紧机构和调节机构设计的机械部分设计计算以及控制部分的设计，并给出了轴和除冰刀的加工工艺。论文最后总结了本设计的创新点及特点，并展示了部分实物及试验照片。本文设计的高压线除冰车不仅除冰方式独特、除冰效率高，而且其自动调节的结构可以减少除冰车在除冰时对高压线的损伤，其体积小，方便人工携带，操作简单，具有广阔的应用前景。关键词：高压线机械除冰车机械设计控制设计AbstractInrecentyears,snowandicestormsoccurfrequentlyinpartsofsouthernChina.transmissionlineswerecoveredbyheavyiceandalargedamagewascaused.Inordertoavoidtransmissionlinesbeingcrushedandensurethenormalpowertransmission,theheavyicecoveredinhigh-voltagemustbeeliminatedintime.Soweproposeamechanicalde-icingVehicleinthispaperthroughanalyzingvarietyofprosandconsoftheexistingde-icingtechnology.Thepurposeofthispaperistodesignanmanufactureanewtypeofmechanicalde-icingvehicleforhigh-voltagelines.Firstweproposedade-icingvehicle'soveralldesignandmajorproblemsneededtobesolved,includingtheissueofsuspension,transmissionanddrive,inadditiontothedesignoficeskates,runningwheelsanddrivingwheels.Thenwedesignandcalculatethemechanicalpartsofthede-icingVehicle,includetheaxisandiceskate's,lockingandadjustingmechanism'sdesign,andcontrolparts.Thenwegavetheprocessingofaxisandiceskate.Intheendofthepaper,weconcludesinnovationsandshowsomephysicalandtestphotos.Thede-icingmachineryforhigh-voltageproposedinthispapernotonlyhasuniquede-icingway，highde-icingefficiency，butalsoitstheautomaticadjustmentofthestructurecanreducetheinjurytohigh-voltagelinesduringthede-icing，itssmallsize，convenientartificiallycarry，haswideapplicationprospects.Keywords：De-icingmachineryforhigh-voltagelinesmechanicaldesigncontroldesign目录摘要IAbstractII1绪论11.1课题来源11.2课题的目的和意义11.3国内外研究现状11.4本文的研究内容22总体方案设计32.1除冰车的整体设计32.2本设计所需解决的问题42.2.1机械除冰车在高压线上的悬挂方式42.2.2传动方式42.2.3驱动方式及控制42.2.4除冰刀52.2.5行走轮与驱动轮53机械部分的设计计算63.1后轮轴63.1.1前提假设63.1.2电机的选择63.1.3后轮轴系的估算63.2前轮轴83.3除冰刀及除冰刀轴83.3.1方案比较83.3.2除冰刀轴的设计103.4锁紧机构103.4.1方案比较103.4.2锁紧轮的选择123.4.3锁紧轴系的估算123.5调节机构133.5.1方案比较133.5.2调节结构的工作原理154控制部分的设计165典型零件的加工工艺195.1轴的加工工艺195.2除冰刀的加工工艺206本设计的创新点、实物及试验照片216.1创新点及实物照片216.2其他特点及实物照片216.3试验照片23结论25参考文献27附录相关工程图281绪论1.1课题来源针对恶劣天气导致高压输电线路结冰的现象，创新性的提出并加工出了一种适用于线径为的高压线除冰破障机械。1.2课题的目的和意义在2007~2008新年之际，我国南方发生了特大雪灾。由于准备工作的不足，雪灾带来的损失和危害非常严重，人们正常的工作和生活受到极大的影响。雪灾发生后，许多电力工人为了维护电力输送这条生命线，有些人甚至还献出了自己宝贵的生命。因此，进行早期冰冻灾害的预防，降低灾害破坏程度的研究是非常有意义的。1.3国内外研究现状目前国外一般采用喷火器进行高压线除冰，如图1-1所示。但是成本很高。图1-1喷火器融冰针对2008年初发生的低温雨雪冰冻灾害，导致南方电网区域的贵州大部分地区、广西桂北地区、广东粤北地区、云南滇东北地区电网设施遭受到严重破坏，西电东送也受到严重影响。为提高电网对极端气候、重大自然灾害的抵御能力，南方电网启动了包括直流融冰装置样机研制重点攻关项目，如图1-2所示。图1-2直流融冰装置直流融冰技术先进，不需要很大的负荷，一般只需要1至2万千瓦，而且直流输出电压可调，可在一定范围内针对不同长短的单条线路进行融冰，不再需要进行线路串接，操作比较简单，为线路的融冰工作提供了更为简便的方式。固定式（可控硅）直流融冰装置是采用引入变电站10千伏电源，通过三绕组整流变压器后，送入12脉波可控硅整流器，经整流后输出3000伏/1400安的直流。该装置可实现输出电压、电流调节功能，可满足城前岭变电站除220千伏城烟线外的其余110千伏及以上电压等级线路的直流融冰。但采用直流融冰虽是一种切实可行、经济有效的防冰灾措施，但直流融冰装置存在直流输出电流大、大角度大电流长期运行、已建变电站的接入等多项新的问题。另外，在全国大学生机械创新大赛中也有关于机械除冰装置的设计。如陕西理工大学在第四届全国机械创新大赛中提出了一种类似爬杆机器人的除冰设备，通过夹紧机构对冰柱施加强大的夹力将冰柱夹碎，或者通过伸缩机构强大的推力将冰条割断来去除高压线覆冰。综上所述，目前尚没有采用成本低廉、不需要新增复杂装置、采用挤压、震动、切削的三重方式去除高压线覆冰的小型机械。1.4本文的研究内容基于已有方案的弊端，本论文提出了并实际加工一种新的适用于高压线除冰设备--悬挂式机械除冰车。该除冰车最大优势是属于高空破障作业工具，能够克服河流、沟壑等交通工具难以逾越的障碍，采用挤压、震动、切削的三重除冰效果，真正起到预防灾害的目的。该除冰车的制造成本低、体积小、可靠性高，具有很广阔的市场前景。论文主要包括以下几个方面的内容：（1）除冰车整体方案的设计及所需解决的技术问题；（2）除冰车机械部分的设计计算，包括前、后轮轴、除冰刀与除冰刀轴的计算，锁紧机构、调节机构的设计；（3）控制部分的设计；（4）典型零件的加工工艺；（5）除冰车的创新点、实物及试验照片展示。2总体方案设计本设计所要解决的技术问题是实现机械除冰车在高压线上的行走，让使用者只需要通过小巧的控制器就可以控制除冰车来达到其除冰的效果，并且不能对高压线造成损伤。为此，除冰车在整体设计上要求结构尽量精简，在高压线上的悬挂和移动方式可靠，传动方式优化，驱动和控制方便，零部件配置合理，除冰刀的形状及碎冰效果能达到预期等。2.1除冰车的整体设计图2-1除冰车整体俯视图图2-2除冰车整体右视图图2-3除冰刀局部图本论文提出的除冰车的整体结构如图2-1、2-2所示。除冰车在工作时，其运动传递过程如下：（1）图2-1中直流电机1带动链轮3传动到链轮4，将运动传递到后轮轴，使驱动后轮转动，并带动行走凹轮转动，从而使整个除冰车在高压线上行走。（2）直流电机2驱动链轮1传动到链轮2，将运动传递到除冰刀轴，使如图2-3中所示的除冰刀转动。2.2本设计所需解决的问题2.2.1机械除冰车在高压线上的悬挂方式悬挂在高压线上的设备会出现两侧剧烈晃动、坠落、行走不稳定的情况，除冰车也不例外。为了解决此问题，本设计中除冰车采用摆动原理[1]，选择两侧对称结构，其两侧下方分别挂有相对较重的蓄电池和电动机，使得整个除冰车的重心偏下，从而避免上述普通悬挂问题，如图2-2所示。2.2.2传动方式链传动是应用较广的一种机械传动。与带传动相比，链传动能保持准确的平均传动比，传动效率高，径向压轴力小，能在高温及低速情况下工作。与齿轮传动相比，链传动安装精度要求较低，成本低廉。除冰车对传动的精度要求不是很高，更重要的一点是链条的长度和松紧可以根据要求不断的调整，能够保证将除冰车的除冰效果调整到最佳，故本设计选择链传动方案[1]。2.2.3驱动方式及控制采用两个的蓄电池为两个直流电机和两个电动推杆提供电能，并通过链转动来驱动除冰车的行走及除冰刀的转动。由于此次属于高空作业，为了操作简便，采用无线遥控方式控制除冰车的工作过程[2]。由于考虑到高压线上的磁场可能对无线遥控系统造成一定程度的影响，所以本设计采用简单的继电器和限位开关来控制电机的正转、反转、启动、停止，如图2-4所示。图2-4除冰车行走模拟图2.2.4除冰刀本设计中，除冰刀中间呈圆形凹面，凹面为周期性波纹曲线，波纹曲面上均匀分布有滚花状的微刃，除冰刀的两侧设计有鹰嘴型的除冰刃。2.2.5行走轮与驱动轮行走轮与驱动轮均设计为凹轮，使之能够与高压导线外形贴合。凹轮采用超耐磨材料，内凹处应粘有人字形橡胶以增大摩擦力，为除冰车在高压线上行走提供必要条件[4]。通过绕度的计算确定除冰刀和前后轮的相对位置，使结构更紧凑更稳定。3机械部分的设计计算3.1后轮轴3.1.1前提假设除冰车必须能够除去线径左右的高压线上包裹的直径为以上的冰柱，并保证其悬挂在高压线上除冰时的速度达到米/小时，且除冰刀能够达到以上的转速。3.1.2电机的选择直流电动机具有良好的启动、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速。所以本设计选择直流电机[3]。表3-1两直流电机的基本参数型号工作电压工作功率工作转速3.1.3后轮轴系的估算图3-1后轮轴（1）后轮轴最小直径的估算为了实现除冰车的慢速运行，本设计选用表3-2中的电动机通过链传动带动后轮行走。电动机上的链轮齿数，后轮轴上的链轮齿数，链传动的传动效率一般取（本设计取），则后轮轴的输出功率：后轮轴的转速：选取轴的材料为钢，调质处理，查《机械设计第八版》表15-3，取，得：后轮轴上用于安装链轮的最小直径及外端紧固螺母处的轴径分别为，。选用的链轮，其厚度为，则。紧固螺母处选用型号，其轴长。链轮的采用轴肩定位，定位轴肩的高度一般取圆整后，取。（2）轴承的选择因轴承同时承受径向载荷和轴向载荷，故选用角接触球轴承。按照工作要求，安装轴承处的直径即可。选取0基本游隙组、标准精度级角接触球轴承，其尺寸。右端角接触球轴承采用轴肩定位，