一種電纜溝蓋板啟閉機械裝置在變電站中的應用

盧雨翔，萬夢怡，喻小勇

（國網江西省電力有限公司超高壓分公司，江西南昌 330000）

0 引言

在變電站內敷設電纜、檢查電纜溝或電纜消防隱患整治等工作時，需要頻繁將電纜溝蓋板打開、關閉，電纜溝蓋板的重量在30 kg至50 kg，在啟、閉過程中，通常使用人工作業方式，作業人員通常使用定制的鋼筋、戴手套等方式進行電纜蓋板搬運，在涉及大量蓋板啟閉工作時，將會帶來以下3 個問題：1）人工啟閉方式效率低。由于蓋板重量重，通過人工的方式無法持續搬運大量蓋板。2）人工啟閉安全風險較高。啟閉蓋板時，由于蓋板重量大，人工啟閉時存在砸傷手指、扭傷腰部等人身安全風險。3）人工啟閉過程中存在蓋板脫落風險，可能導致損壞或壓壞電纜。

由此可知，在進行大量電纜蓋板啟閉工作時，人工啟閉方式嚴重制約變電站電纜相關作業的工作效率，極端情況下，可能導致作業人員、電纜受到嚴重傷害。文中介紹了一種基于履帶式機器人底盤和機械吊臂的裝置，該裝置采用遙控控制，可在變電站碎石、草地等路面行走，并具備一定的越障和爬坡能力。吊臂可隨意拆裝，與底盤結合，實現對電纜蓋板的啟閉，在提升電纜蓋板啟閉效率的基礎上，確保人身、設備安全。

1 裝置總體方案設計

梳理變電站內常見電纜溝蓋板的尺寸、重量、厚度、敷設方式等參數，確定電纜蓋板啟閉裝置的尺寸、載重、機械臂長度、行進方式等。確定采用履帶式底盤結構和機械吊臂相結合的方式，具備在500 kV 變電站的碎石或草地上行走和基本越障的能力，并根據設備結構，確定本裝置的系統結構，如圖1所示。

圖1 裝置系統結構

該裝置采取可拆卸結構，吊臂與機械底盤采用可拆卸結構，便于運輸。吊臂采用“工”字型鋼，具備一定的抗彎折強度，吊臂全重約30 kg，主要由絞磨電機、吊臂、吊繩、吊鉤4部分組成，通過底座上4顆可拆卸M6螺栓與機械底盤連接。底盤主體由不銹鋼材質組成，具備輕量化、結構強度高的優點，底盤內部采用中空結構，內部為電池倉、底盤動力系統、底盤液壓轉向系統。

2 執行與作業

2.1 行進機構

電纜蓋板啟閉裝置的工作環境主要為變電站內，站內主要地形為水泥地、碎石地、草地和少量斜坡。為能夠適應這些地形，常見的行進機構主要有輪式機構、履帶式機構、腿足式機構，在不同地形上以上三種行進機構的通過性和穩定性各不相同[1]，其主要區別如下：輪式機構優點在于行進速度較另外兩種機構更快，對各類地形適應性高，缺點為通過臺階、基坑的越障能力較差；腿足機構的優點在于更能適用于復雜地形，在經過體積較大的障礙物時具備更強的通過性，但缺點是機構的速度慢，且控制系統結構復雜，各零部件更為精密，成本較高；履帶式機構綜合以上兩類機構的優點，越障性、通過性較高，同時可適用于不同地形，制造成本較底，特別是在變電站內碎石、草地上具有更強的通過能力[2]，但其缺點也同樣明顯，一是能耗較高，在用電池驅動過程時連續工作時間較短，二是整體重量大，由于要驅動履帶、兩對負重輪和兩對行走，對驅動機構的負載能力提出較高的要求。

通過對以上三種機構綜合比較，履帶式機構具有支撐面積大，越障力和通過性強等優點。同時履帶與地面相互作用，整體結構地面附著性增強，不易打滑，在跨越障礙、坡道或在碎石、草地行進等方面具備一定優勢。因此選用履帶機構作為電纜蓋板啟閉機器人的行進機構。

2.2 傳動機構

傳動機構是將電機產生的動力傳遞給行進機構的重要部件?，F有的履帶式行進機構的傳動結構主要有：同步齒形帶傳動、鏈輪傳動、齒輪傳動等多傳動方式[3]。同步齒形帶傳動的優點在于傳動性能平穩、全重較輕、維護性強、傳動齒輪精確定位等優點，但傳動在載荷不穩定的情況下對載荷變動吸收能力較差。由于履帶多用于橡膠材質，不適用于環境溫度高、腐蝕性強的環境。鏈輪傳動結構具有傳動精確、效率高的特點，但缺點是傳動平穩性較差、瞬時傳動比不穩定等。齒輪傳動具有傳動效率高、使用壽命長、結構緊湊等特點，但在加工和制造時成本高，安裝時精度要求高。

綜合考慮電纜蓋板啟閉機器人的體積及工作環境和條件，該方案選定齒輪傳動作為電纜蓋板啟閉裝置傳動機構的傳動方式。電纜蓋板啟閉裝置在碎石、積水等特殊路面和電纜蓋板上進行越障或工作時，需要低速通過，而在平直路面行走時，需盡可能保持高速前進。對于這種情況，通常的解決方法就是采用輪履復合式結構，給輪與履帶不同的驅動力，以達到不同速度的目的。

整個電纜蓋板啟閉裝置動力由驅動電機輸出，該動力模塊為前驅式。其通常包括傳動軸、減速器和傳動鏈輪這三部分[4]。動力經由電機、減速器、傳動軸、后置傳動鏈輪、傳動鏈、前置傳動鏈輪得以輸出，從而完成履帶式機構的行進。

2.3 驅動系統

驅動系統是為電纜蓋板啟閉裝置提供動力的主要部件，驅動系統的確定直接影響著電纜蓋板啟閉裝置的行駛性能。目前，應用于履帶式底盤的動力系統主要有液壓、氣動和電動。三種動力方式各有優劣，液壓動力系統動力強，體積小，調速便捷，但液壓系統成本高，受環境影響較大，可靠性低，維護保養難度高；氣動機構成本較低，動作靈活可靠，但驅動力偏小，在需要調速、轉彎等需要精確控制的場合適應能力較差；電動驅動系統具有控制精度高，輸出扭矩大的優點，但滿載長時工作時，性能較低。

綜合對比三種動力方式，電纜蓋板啟閉裝置將采用電動驅動方式，電動驅動方式具有動力穩定、傳動效率高、體積小等特點，適合為電纜蓋板啟閉裝置提供動力。電動驅動方式按照驅動電機不同可分為交流和直流兩種。交流電機成本低，結構簡單，需要借助變頻設備來實現調速[5]，，無法通過改變轉速進行調速，在應用于電纜蓋板啟閉裝置時，需要鋰電池產生的直流電轉化為交流電，使整個驅動模塊設計更加復雜。因此選用直流電機作為電纜蓋板啟閉裝置的首選驅動方式，它具有調速簡單、轉動力矩大、控制靈活、供電簡單的優點。

2.4 執行機構

該裝置中電纜蓋板啟閉裝置的執行機構主要包括承重機構和外殼，其中外殼是電纜蓋板啟閉裝置中核心電子零部件的載體。在承重機構上安裝機械吊臂用于吊裝電纜蓋板[6]。對承重機構要求從強度和剛度上滿足裝置運行走時的加速、減速要求，同時又必須采用輕量化設計，因而采用碳鋼作為承重機構主要材料。同時電纜蓋板啟閉裝置的吊臂也固定在硬鋁板上。承重機構中裝有鋰電池組、直流電機、驅動機構等部件來滿足機械構造設計以及整個裝置的重心要求，重心的高低將從根本上決定裝置在起吊時的抗傾翻性能，重心越低那么抗傾翻性能越好，但越障能力越低。綜上，裝置的整體結構從前往后分為三個部分，前部為控制模塊及核心二次元器件安裝區域，中部為控制裝置、直流電機、電機驅動裝置、二次線纜線槽，后部主要為動力總成，包括鋰電池、供電模塊等。該裝置的機殼采用碳鋼，這種材料結構輕便而且易于加工，質量較輕，裝配精度要求低，強度大，適合搬運電纜蓋板等較重物件。

2.5 電纜蓋板啟閉工作過程

在工作時，通過吊臂遙控控制吊臂電動絞盤，將吊鉤和吊帶放至合適位置，操作人員將吊帶和吊鉤鉤住蓋板四個角，稍微收緊吊帶，使得電纜蓋板輕微受力，開展起吊檢查。確認起吊前狀態正常后，啟動吊臂遙控，收緊吊繩，在蓋板起吊過程中，著重觀察吊臂和裝置狀態，發現異常立即將蓋板放下停止作業。裝置整體結構如圖2所示。

圖2 機械裝置結構圖

起吊后，控制機械底盤向前（后）移動，將底盤移動到制定位置，并控制吊臂遙控將蓋板放下，完成一次電纜蓋板的開啟過程，電纜蓋板閉合過程與此相反。機械吊裝的方式相比人工操作，提高了安全性，同時加快了工作效率。

3 遙控與控制平臺系統設計與原理

控制系統主要由顯示器、邏輯控制和顯示、主控制器單元、軸控制器單元及電機驅動器構成。轉向電機驅動器、動力電機驅動器及伺服電機分別為獨立系統[7]，三套系統在整個裝置的機軸控制器單元的控制下可以完全確保三套電機的轉速精度及穩定性。每個軸控制器單元可通過檢驗信號檢驗每個軸的扭矩，以此來組成每個軸系統的扭矩閉環控制系統，確保每個軸輸出的扭矩精準、可靠。在設計中，每個軸控制器都是一整套以單片機為核心，疊加小電路等構成的一套專用控制模塊。使每個動力電機可實現完整獨立的數據采集、計算、存儲、控制系統。在驅動過程中，可實現對每個直流電機的扭矩、角速度進行獨立、實時地檢測和控制，確保各電機的協同工作精度和穩定性。

系統框架圖如圖3 所示，配置了安卓開發環境，通過程序編寫上位機軟件。

圖3 系統框架

通過上位機給主控模塊發送前進、后退、轉向、吊臂上下活動的指令，遙控模塊接收到信號后，進行數據處理，然后給電機發送指令。電機可以通過指令實現對電機的開關。其程序設計流程圖如圖4所示。

圖4 程序設計流程圖

4 結語

根據現有研發條件，針對變電站電纜蓋板在啟閉過程中存在的問題和不足，研制一種變電站電纜蓋板啟閉裝置，減少人工搬運頻次，降低人工啟閉的安全風險，提升啟閉過程中運行電纜的安全性。在未來，該套裝置還可以在以下2個方面進行研究：

1）電纜蓋板啟閉裝置的遠程控制。隨著網絡時代的到來，遠程工作變成了現實。網絡的可靠性和實用性是實現自動啟閉蓋板遠程控制的主要研發領域。該次研制的履帶式底盤為無線控制，下一步可探索通過4G/5G網絡控制機械底盤的運動。

2）探索可更換的執行機構，該次采用機械吊臂的方式開展電纜蓋板啟閉，后期可更換例如機械手臂、消防滅火裝置、攝像頭等多種設備，使其具備其他功能，豐富使用場景和拓展任務種類。通過快拆方式，快速更換相應部件并投入到相應任務中，實現一機多用。