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中國地質大學長城學院畢業(yè)設計（論文）開題報告
學生姓名
趙鵬飛
學號
05208325
專業(yè)班級
機制3班
指導教師
楊義勇
職稱
教授
單 位
中國地質大學長（北京）
課題性質
設計 論文□
課題來源
科研□ 教學□ 生產 其它□
畢業(yè)設計（論文）題目
西南地區(qū)電網線纜除冰機器人設計
一、研究目的及意義
我國是輸電線路覆冰最為嚴重的國家之一，2008年1月我國南方數省輸電線路遭遇歷史上罕見的冰雪災害。長時間持續(xù)的高強度、大范圍低溫雨雪冰凍天氣，導致湖南、江西、浙江、安徽、湖北等地的電網發(fā)生倒塔、斷線、舞動、覆冰閃絡等多種災害。雪災造成國家電網公司直接財產損失達104．5億元，災后電網恢復重建和改造需要投入資金390億元?。高壓輸電線路大面積覆冰是造成電網損失的主要原因，而采用人工除冰的方法不僅效率低下，而且對電力工人的生命安全造成了極大的威脅，因此研發(fā)輸電線路在線除冰機器人，利用機器人代替人工除冰，對于保護電網安全運行以及電力維護人員生命安全等都具有極其迫切的現實意義。防震錘、懸垂線夾、耐張線夾等部件是高壓輸電線路安裝中必要的附件，但是對于在線上行走的除冰機器人來說，就構成了使其不能平坦行走的障礙。所以障礙物的檢測與識別是除冰機器人在線自動行走時必須完成的工作，是實現除冰機器人在線行走的關鍵技術之一。
二、研究現狀
通過這個課題的研究，我們能通過一種機械設備，較高效率的代工作人員預防和除去因雨雪冰凍引起的線纜冰凍災害，減輕工作人員的負擔，保障電力設施的正常運行，降低電力公司的損失，保障民生活的正常進行。
如今一些國家也在研究線纜除冰問題，不少國家在此領域也有不少成就，線纜除冰技術關系到人們生活中的各個方面，除了電力公司設備設施，工作人員的安全外，還關系到交通運輸，生活用電等。各種除冰技術及除冰方案也有所不同，目前國內外的除冰技術有30余種，常見的就有熱力融冰法、機械除冰法、自然被動法和其他方法。
三、國內的一些研究成果
熱力融冰法[1]就是利用電阻焦耳效應發(fā)熱來融化線纜上的覆冰，具體操作方法為當供電線纜上的冰層達到一定厚度時，先停止供電，斷開供電導線與兩端設備的聯接，在線路的一段用臨時導線將結冰的供電導線聯通，而在另一端接上除冰用的臨時電源和滑動變阻器調節(jié)電流的大小，使供電導線的溫度保持在一定的范圍內。
已有的機械除冰法也有各種各樣的機構形式：文獻[架空高壓輸電線除冰機器人設計]給出了一種由曲柄滑塊機構組成，滑塊沿軸線方向高速往復滑動，沖擊頭與滑塊固接，帶動沖擊頭敲打覆冰。其沖擊頭構件零件圖如圖1所示：
圖1 敲打式除冰沖擊頭
這種機構除冰方式可以用于不同厚度形狀的覆冰，但由于覆冰在低溫下具有粘性，沖擊頭破冰后，可能在電線上粘有一層薄冰層，可能會使得破冰不夠徹底，且影響除冰效率。
文獻[高壓輸電線上除冰機器人的系統(tǒng)設計}]提出了一種壓輪推進方式除冰機構，該機器人除冰刀具如圖2所示：
圖2 壓輪推進式機器人刀具示意圖
該設計機體上的兩個固定壓輪騎掛在輸電線上保持機體的平衡，機體的重心位于輸電線下方，另兩個動力壓輪分別與兩個固定壓輪配合，當推動動壓輪時, 動壓輪向上抬升, 與固定壓輪配合從上下夾緊輸電線, 依靠壓輪與輸電線的摩擦獲得前進的動力，機體前部的除冰機構呈圓柱形, 分為上下兩個。工作時圓柱形除冰機構旋轉, 在推進過程中將覆冰切削成粉末而將冰破除。
這種除冰機器人的優(yōu)點是：此機構小巧玲瓏，結構緊湊，刀具能夠和高壓輸電線較好的貼合，而且刀身的弧形設計又能避免刀具對電線本身造成的切削傷害，這種刀具配合高速旋轉的發(fā)動機，能達到較好的除冰效果，但是這種特殊的機構形式決定了它的除冰速度必然低下，相對其他方案，在同樣的能耗下，可能效率不夠明顯。
湖南大學在2009年11月份申請的一份專利《架空線除冰機器人的除冰機構》[7]如下圖所示：
圖3 破冰錐破冰機構示意圖
該裝置安裝于架空線除冰機器人的前端，其特征在于，在所述的除冰機構的前端設有冰刀底座，在所述的除冰底座上安裝有用于在架空線除冰機器人推進過程中進行除冰的組合冰刀。所述的架空線除冰機器人的除冰機構還包括破冰錐套、安裝于破冰錐套內的可伸縮的破冰錐、破冰錐底座、凸輪、彈簧和破冰電機。該除冰機構i結構簡單、實用、安裝、拆卸和更換都很方便，可以適用于不同覆冰程度的架空線，除冰效果好。
四、國外的主要成就
基于機械振動與撞擊原理的電磁力技術和電脈沖技術[4]是為飛行器除冰研制的。但是，由于電磁力或電脈沖可以使導線產生強烈而又在控制范圍內的振動，所以二者也是架空線路易接受的除冰方法之一。為飛行航空器除冰研制的基于機械沖擊和沖撞的3種技術是：1985年由Finke和Banks、1988年由Mulherin和Donald—son、1991年由Graber和Mack等分別研究和改進的超聲振動除冰技術[5]；1988年由zumwalt和Egbert、1993年Bond和Shin、1994年由Smith等分別研究和改進的電磁脈沖除冰技術；1992年由Martin和Putt、1996年由Loughborough和Hass等研制和應用的氣動脈沖除冰技術[6]。電磁脈沖技術將是輸電線路除冰最易接受的方法。美國堪薩斯州的wichita州立大學也提出了電脈沖法除冰(Electro—Impulse De—Icing，EIDI)，即利用電容器組向線圈放電，由線圈產生強磁場，在置于線圈附近的導電板(即目標物)上產生一個幅值高、持續(xù)時間短的機械力，使冰破裂而脫落，但在線路融冰研究方面因技術不成熟和費用過高沒有達到預期的目的。
五、主要內容和要求
根據安排，我的任務是完成除冰機械人的控制設計，其中如何完成機械人的爬行設計，如何進行重力分配，結構尺寸大小，強度等都將是所要面臨的問題，對這些問題我將會進行細心地研究與檢測。
六、時間安排
2月10 日～2月25日 查閱資料準備開題報告
2月25 日～2月26日 外文翻譯
2月26 日～4月22日 主要部件設計及強度計算
4月23 日～5月19日 評閱、畢業(yè)答辯
七、預期結果
除了完成設計所要求的：了解現在電網線纜除冰機器人的發(fā)展概況，及使用過程中出現的缺陷，根據使用缺陷改進電網線纜除冰機器人的結構，并確定結構參數，對改進的結構進行校核，并繪制裝配圖和零件圖。還要對自己四年的學習做一個總結和復習。
八、參考文獻
[1] 王肖然. 供電線路快速除冰方案[J ]. 發(fā)明與創(chuàng)新, 2008年6月。.
[2] 李海，張吉等 .架空高壓輸電線除冰機器人設計[J ]. 中國科技信息，2010年第19期。
[3] 王超，魏世明，廖啟征. 高壓輸電線上除冰機器人的系統(tǒng)設計[J ].機械工程與自動化，2010年2月。
[4] 繆思怡，孫煒，張海霞. 基于小波矩的高壓輸電線路除冰機器人障礙智能視覺識別方法[J ]，機器人，2010年5月
[5] Serge Jourden. De—leer Installation at Lrvis Substation on Hydro Qurbec’s High Voltage System[J].SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY，2009，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，2010,年5月
[7] 王聰，孫煒，向陽琴. 架空線除冰機器人的除冰機構[J ]. 機器人技術，2009年11月。