劉家軍，韓思丹

（西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安710048）

1 引言

在接觸網(wǎng)線路檢修作業(yè)中，為了確保檢修人員的安全，需在相關(guān)作業(yè)區(qū)間掛接接地線。在傳統(tǒng)的操作過程中，檢修人員需攜帶多中絕緣工器具（驗(yàn)電器、接地線等）抵達(dá)現(xiàn)場，人工進(jìn)行驗(yàn)電和放電操作后，確定線路無電后再手動(dòng)掛接地線，在檢修作業(yè)完成后，檢修人員需要拆除全部接地線后再送電［1-5］。驗(yàn)電器與接地線是檢修作業(yè)中必不可少的工具，為了保證線路作業(yè)人員的安全，驗(yàn)電后掛接地線步驟的連續(xù)是十分重要的［6-8］。1接觸網(wǎng)日常檢修作業(yè)的絕緣工器具種類雜，數(shù)量多，對于檢修人員需要注意工具的攜帶、保管和維護(hù)，增加了工作量。且線路檢修多為高空作業(yè)，攜帶多種絕緣工器具也增加了高空作業(yè)的作業(yè)強(qiáng)度。

文獻(xiàn)［9］應(yīng)用視頻監(jiān)視和遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制技術(shù)，研究了一種接觸網(wǎng)驗(yàn)電、放電、接地一體化的全過程快速遙控操作裝置，采用直流驗(yàn)電閉鎖控制器作為裝置的核心控制單元，控制裝置驗(yàn)電、放電與接地，并將信息通過通信接口上傳至后臺(tái)系統(tǒng)。但是該裝置舍棄了傳統(tǒng)的絕緣操作桿，安全可靠性降低。文獻(xiàn)［10］研制了一種可帶電操作檢查螺栓松緊程度的新型裝置。該裝置采用雙管式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部桿件帶動(dòng)頭部套筒運(yùn)動(dòng)，尾部采用鋼制的搖柄。操作桿頭部使用了雙齒輪結(jié)構(gòu)，通過齒輪傳動(dòng)變換套筒方向，使得操作桿不僅可以緊固順線路方向的螺栓還可以操作橫線路方向的螺栓。該絕緣操作桿僅適用于檢查螺栓松緊程度的作業(yè)。文獻(xiàn)［11］設(shè)計(jì)了一種遙控多功能驗(yàn)電器，伸縮桿體頂部設(shè)置驗(yàn)電器，采用紅外信號傳遞信息，電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪和伸縮齒條實(shí)現(xiàn)桿體的自動(dòng)伸縮。該裝置紅外信號易受到干擾，且驅(qū)動(dòng)裝置采用齒輪和伸縮齒條增加驗(yàn)電桿本身的重量，增加作業(yè)人員的作業(yè)負(fù)擔(dān)。

針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了具有驗(yàn)電與接地一體化的智能掛接地線裝置，通過可伸縮的驗(yàn)電桿實(shí)現(xiàn)在不用更換絕緣工器具的情況下，完成先驗(yàn)電，后掛接地線。有效減少操作人員攜帶檢修工具的種類，提高線路日常檢修工作的效率

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案

圖1 接觸網(wǎng)地線桿

現(xiàn)有接觸網(wǎng)地線桿如圖1所示，在實(shí)際現(xiàn)場作業(yè)時(shí)，三節(jié)絕緣桿通過螺紋連接使用，以此達(dá)到操作距離，三節(jié)絕緣桿均為環(huán)氧樹脂制成的中空桿。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)示意圖

具有驗(yàn)電與接地一體化的智能掛接地線裝置如圖2所示，該裝置由五部分構(gòu)成:地線掛鉤、地線桿、驗(yàn)電器和伸縮式驗(yàn)電桿。伸縮式驗(yàn)電桿在驗(yàn)電前后處于縮回狀態(tài)，如需驗(yàn)電，按鈕控制伸縮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)電桿隨著伸縮機(jī)構(gòu)伸長到操作高度。在驗(yàn)電工作完成后，地線掛鉤和地線桿用來掛接地線。這樣在驗(yàn)電與掛接地線中間無需更換絕緣工器具。驗(yàn)電器與驗(yàn)電桿通過螺紋連接固定。該結(jié)構(gòu)相對簡單，操作方便，便于檢修人員使用。

2.2 工作原理

圖3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)傳遞簡圖

如圖3所示，在進(jìn)行驗(yàn)電桿伸縮的時(shí)候，首先按鈕給單片機(jī)信號，單片機(jī)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，使導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)軟管直線運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)電桿伸長。同理，當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，驗(yàn)電桿縮回。

3 伸縮式驗(yàn)電桿設(shè)計(jì)

伸縮式驗(yàn)電桿由電機(jī)、雙導(dǎo)向輪、PU空心軟管以及三節(jié)伸縮桿組成。雙導(dǎo)向輪與電機(jī)設(shè)置在驗(yàn)電桿尾部，電機(jī)提供原動(dòng)力，控制雙導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)。PU空心軟管帶動(dòng)三節(jié)伸縮桿伸縮。

導(dǎo)向輪是帶有滑輪結(jié)構(gòu)的器件，主要用于對軟體管道或者軟體線性物體（鋼絲、尼龍繩等）移動(dòng)過程中的方向引導(dǎo)。在某些項(xiàng)目或產(chǎn)品中使用導(dǎo)向輪可以起到省力的作用。本文導(dǎo)向輪伸縮機(jī)構(gòu)中導(dǎo)向輪起傳動(dòng)作用，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)，它是構(gòu)成導(dǎo)向輪伸縮機(jī)構(gòu)的重要組成部分［12-14］。

雙導(dǎo)向輪，一個(gè)作為主動(dòng)輪，一個(gè)作為從動(dòng)輪。電機(jī)給主動(dòng)輪動(dòng)力后，兩輪接觸面間將產(chǎn)生法向力，由法向力產(chǎn)生的摩擦力將帶動(dòng)從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。如圖4所示，在兩導(dǎo)向輪中間放置PU空心軟管，軟管管徑需和雙導(dǎo)向輪之間空隙直徑相等。當(dāng)主動(dòng)輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)從動(dòng)輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與軟管外壁產(chǎn)生摩擦力，使得空心軟管向下移動(dòng)。同理，當(dāng)主動(dòng)輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)從動(dòng)輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，空心軟管向上移動(dòng)。

圖4 導(dǎo)向輪伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

通過分析導(dǎo)向輪伸縮機(jī)構(gòu)中導(dǎo)向輪與空心軟管之間的接觸應(yīng)力，為二者的尺寸大小設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

根據(jù)赫茲接觸理論可得，當(dāng)導(dǎo)向輪與空心軟管接觸時(shí)，由于二者的接觸部分為線面接觸，所以受力后接觸面形狀為矩形，而且該接觸面的壓應(yīng)力分布為一個(gè)半橢圓體，如圖5所示。設(shè)矩形的長度為L，寬度為2b，圖中F為外部載荷，R為導(dǎo)向輪半徑。

圖5 導(dǎo)向輪與空心軟管接觸圖

由于矩形接觸面的寬度2b?R，所以可以將接觸面上的任一點(diǎn)按照彈性力學(xué)理論中的半無限平面來進(jìn)行分析，一般圓柱體與平面的接觸公式為:

則導(dǎo)向輪和空心軟管接觸部位的b和p0為

由式可得:矩形接觸面的半寬度b與F、R的平方根成正比，和L的平方根成反比；最大接觸應(yīng)力p0與F的平方根成正比，與R、L的平方根成反比。

因而在設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合雙導(dǎo)向輪與PU空心軟管之間的運(yùn)動(dòng)以及應(yīng)力分析，選擇外徑19mm，繩槽半徑為4mm的U槽導(dǎo)向輪。PU空心軟管選擇外徑8mm，內(nèi)徑6mm，以此保證二者之間的相對運(yùn)動(dòng)。

三節(jié)伸縮桿采用釣魚竿的結(jié)構(gòu)，即桿套桿式伸縮結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是由多個(gè)同軸圓筒依次嵌套構(gòu)成，且圓筒直徑依次減小。第一節(jié)管嵌套在第二節(jié)管里，第二節(jié)管嵌套在第三節(jié)管里。軟管固定在第一節(jié)管頂部，當(dāng)空心軟管向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，將帶動(dòng)三節(jié)伸縮桿的伸長。

同理，當(dāng)空心軟管向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，將使第一節(jié)管縮回，同時(shí)帶動(dòng)三節(jié)伸縮桿縮回。第一節(jié)管頂部固定有驗(yàn)電器。

綜合考慮重量，絕緣，價(jià)格等因素，三節(jié)伸縮桿均采用PC高強(qiáng)度管，第一節(jié)管長度為0.68m，外徑35mm，內(nèi)徑29mm，第二節(jié)管長度為0.7m，外徑24mm，內(nèi)徑18mm，第三節(jié)管長度為0.71m，外徑18mm，內(nèi)徑12mm。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 電機(jī)選擇

由于步進(jìn)電機(jī)適合微電腦和單片機(jī)控制，且耐用，成本低，綜合考慮實(shí)際使用及性價(jià)比，本文選用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源。步進(jìn)電機(jī)是一種用來精確控制位置和速度的電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的最大特點(diǎn)是其“數(shù)字性”，對于接收到的一個(gè)脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)在驅(qū)動(dòng)器的推動(dòng)下將運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度。如接收到一串脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)將連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一段距離。同時(shí)要想改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以通過改變脈沖頻率實(shí)現(xiàn)。

步進(jìn)電機(jī)的選擇主要是以負(fù)載的阻力矩為依據(jù)，電機(jī)的扭矩大于負(fù)載的力矩，電機(jī)才可帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)。本文通過估算的方法來確定負(fù)載阻力矩。計(jì)算中摩擦阻力為主要考慮因素，在設(shè)計(jì)中選取的是PU空心軟管，其摩擦系數(shù)為 0.08-0.12，計(jì)算中取其值為0.1。

式中:F—摩擦阻力，N；

μ—摩擦系數(shù)；

M—工作負(fù)荷（即為驗(yàn)電桿重力），N。

式中:T—阻力矩，N·m；

L—阻力作用點(diǎn)到轉(zhuǎn)軸距離，m。則:

T＝ μ×M×L＝0.1×0.35×9.8×1.38＝0.47

通過對比價(jià)格、質(zhì)量、安裝尺寸等因素，最終選擇42BYGH40-1.2A步進(jìn)電機(jī)，其參數(shù)如表1所示。

表1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)

4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成。步進(jìn)電機(jī)使用時(shí)不能直接接到工頻交流或直流電源上，必須通過專業(yè)的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器采用單極性直流電源供電。要使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，需要按合適的時(shí)序給步進(jìn)電機(jī)的各項(xiàng)繞組通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。為配合已選用步進(jìn)電機(jī)的使用，本文選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N，其參數(shù)如表2所示。

表2 驅(qū)動(dòng)模塊參數(shù)

4.3 控制模塊

圖6 系統(tǒng)流程圖

綜合考慮已選用的步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)模塊，最終選取基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32處理器。該處理器的數(shù)據(jù)處理能力為 1.25DMips/MHz，相比于同類型芯片，STM32在數(shù)據(jù)處理能力方面有著非常明顯的優(yōu)勢；相較于51、AVR系列單片機(jī)，STM32具有結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)難度低、功能強(qiáng)等優(yōu)勢，在各領(lǐng)域STM32的應(yīng)用十分廣泛。本文通過三個(gè)按鈕開關(guān)分別控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停止，三個(gè)按鈕不可同時(shí)按下，一個(gè)按鈕控制一個(gè)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)驗(yàn)電桿的自動(dòng)伸縮。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向同其繞組的通電順序有關(guān)，將按鈕開關(guān)信號作為系統(tǒng)的輸入信號，ARM單片機(jī)控制輸出相應(yīng)的脈沖信號和方向信號，該信號通過驅(qū)動(dòng)器功率放大，達(dá)到步進(jìn)電機(jī)所需要的驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)電流，從而控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作。

芯片選購?fù)瓿珊?，進(jìn)行編程，具體程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。

5 三維建模

SolidWorks軟件是最有影響力的三維軟件之一，它具有非全約束的特征建模技術(shù)，為設(shè)計(jì)者修改模型提供便利，在設(shè)計(jì)的過程中修改部分設(shè)計(jì)，其他與之相關(guān)聯(lián)的部分也會(huì)隨之改變［15］。它集成設(shè)計(jì)、分析、加工和數(shù)據(jù)管理，通過查看模型的屬性可以獲得分析和加工模擬結(jié)果，在特征管理器中詳細(xì)地列出了相關(guān)數(shù)據(jù)信息，作為設(shè)計(jì)者修改、優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)。SolidWorks是機(jī)械設(shè)計(jì)經(jīng)常使用的建模軟件之一，可以很方便地完成各種復(fù)雜模型的設(shè)計(jì)。本文采用SolidWorks進(jìn)行絕緣操作桿的三維建模，所建模型如圖7所示。

圖7 絕緣操作桿三維模型

6 結(jié)束語

本文在對現(xiàn)有掛接地線裝置結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，通過合理的機(jī)械設(shè)計(jì)和單片機(jī)控制，設(shè)計(jì)了具有驗(yàn)電與接地一體化的智能掛接地線裝置，解決了傳統(tǒng)接觸網(wǎng)驗(yàn)電放電接地模式存在的安全隱患和不足。該裝置集驗(yàn)電與接地功能于一體，減少了絕緣工器具的數(shù)量，極大地縮短了操作時(shí)間，提高了操作的安全性和可靠性。

（1）采用電機(jī)控制雙導(dǎo)向輪的結(jié)構(gòu)，在摩擦力的作用下實(shí)現(xiàn)驗(yàn)電桿的自動(dòng)伸縮，綜合考慮多種因素，確定零件型號；

（2）利用步進(jìn)電機(jī)和單片機(jī)所組成的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)驗(yàn)電桿伸縮。

（3）通過使用三維建模軟件SolidWorks進(jìn)行建模仿真，確定了裝置的結(jié)構(gòu)，證明了本次設(shè)計(jì)的合理性與可行性，為后續(xù)實(shí)物制作奠定了基礎(chǔ)。