绝缘绳现场盘放装置的研制与应用

国网青海省发电公司西宁供电公司 王常明 樊昌军 李 强 王 森

当输电线路出现上述较小的故障进行检修及处理时，为保证用户的正常用电，通常会进行带电消缺作业[1]。作业过程中一般会由操作人员进行带电操作。为保证作业人员的安全，防止误触电等危险的发生，绝缘的作业工具及绝缘的保护工具是作业人员必备装备。绝缘绳又是检修作业的重要辅助工具。检修人员在作业过程中通常需多条绝缘绳协助作业，尤其是在大跨距的电杆及电塔上工作时，需使用通径φ16及以上的绝缘绳，且绝缘绳的长度会依据作业半径而相应调整[2]。

由于绝缘绳的重要作用是进行打结及施加拉伸力，因此绝缘绳的硬度较软，多根绝缘绳同时作业过程中易于出现相互缠绕及打结等工况，这会造成施工人员不得不将绝缘绳事先盘好、以便作业过程中能够顺利的释放绝缘绳，减少作用过程中由于多根绳子一起释放发生的相互缠绕等问题造成的作业时间增长等问题[3]。

1 工作原理

针对φ16及以上通径的绝缘绳释放及盘收过程的作业方式，提出了研制一种应用于作业现场盘放绝缘绳的电动式盘放装置[4]。该装置采用卷盘驱动装置与驱动电机及控制装置相连接，并且采用了自动排线结构对绝缘绳进行有序排布，实现绝缘绳的自动有序盘放[5]。该方法在保证作业人员的安全的前提下，有效的提高了绝缘绳的盘放效率，且人力、物力、资源投入较小，工作效率高，能够达到输电线路安全检修的目的。

该装置的主要设计思路式通过驱动电机驱动变速箱旋转，经过变速箱的降速增扭矩的转换后输出到卷盘驱动轴，卷盘驱动轴设计有手动及自动两个切换齿轮，利用齿轮的切换将卷盘的动作分为电动驱动模式及手动式模式。在装置的尾部设计有相应的绝缘绳排布装置，该装置利用轴的旋转驱动绝缘绳能够整齐的排布在卷筒上，从而实现对绝缘绳的顺利盘放（图1）。通过转速控制器控制电机的旋转速度，经过减速机的扭矩转速转化驱动卷盘驱动轴运动，从而提供绝缘绳盘放力矩。利用绝缘绳自动排绳装置，实现对绝缘绳的整齐排放。

图1 工作原理结构框图

绝缘绳现场盘放装置是应用于作业现场对绝缘绳进行有序盘放的装置，该装置中主要包括电源、转速控制装置、驱动电机、减速装置、手动自动切换装置、卷盘驱动装置、手动驱动装置以及自动排绳装置组成。绝缘绳的自动盘放主要通过驱动电机完成，随车电源提供电力，经由转速控制装置进行转速控制，进而控制驱动电机的旋转速度，旋转电机的转速决定了卷盘的旋转速度。减速机直接与驱动电机相连接，驱动电机的旋转速度和旋转力经过减速机的转化作用，提高了输出扭矩，降低了输出速度，从而得到驱动卷盘旋转的合理速度。

自动排绳装置能够根据卷盘的旋转速度调节位置，从而保证绝缘绳能够整齐顺利的排布在卷盘上。手动模式下，可以防备电源无电情况下对卷盘进行操作，实现对绝缘绳的顺利收放。

2 方案设计

在充分分析输电线路作业现场绝缘绳盘放的工况需求的基础上，得到了主要要实现的目的为通过电控驱动的方式完成绝缘绳的电动盘放，从而降低作业人员的手动盘放作业需求，提高作业效率；另外在盘放过程中需要对绝缘绳的进行有效整理，以便绝缘绳能够有序的盘卷在卷盘上，保证绝缘绳不会出现“打结现象”。在以上两个工况需求下，分别对其电控系统、驱动方案以及排绳机构等装置进行了设计。

2.1 电控系统框图

搭建的电气控制系统框架如图2，对电机的控制主要包括两种模式，一种是在线模式，也就是直接通过控制器上面的旋钮及按钮对电机驱动器进行控制。另一种是遥控模式，通过遥控器发出指令到电机控制器上，然后电机控制器输出相应的控制信号给电机驱动器。电机驱动器由锂离子蓄电池供电，并将供给的电能转化成驱动电流提供给被驱动的电机，实现对电机转速及扭矩的控制。驱动电机的控制器在应用过程中可实现遥控功能，该遥控功能是利用遥控器对控制器发出指令，由控制器上安装的通讯模块进行接收，经控制器对遥控信号处理后输出到被控电机处，从而实现对被控电机的遥控。

图2 电控系统框图

在作业现场工作过程中，传统工作模式下基本需要人对绝缘绳的长度进行估算，由经验得出绝缘绳的长度大概是多少。在此设计方案中设计有对绝缘绳长度的测量装置，该测量装置主要通过安装在排绳机构处的计米器完成。该计米器主要包括一个计量轮、计量用的高精度编码器、以及电控数显系统组成，计量轮与排绳机构的滚筒相接触，当滚筒旋转时带动计量轮旋转，从而编码器跟随转动，输出脉动信号供给电控数显器。电控数显系统主要是计算从编码器输出的脉冲信号并对其进行处理，计算得出的长度值通过数显系统显示出来。

2.2 驱动方案确定

在该绝缘绳盘放装置的设计过程当中，需要对驱动电机进行选择，常用的驱动电机主要包括直流和交流两种，其中交流电机需要三相或者单相交流电，在野外工作过程中会因供电电源导致电动模式不一定能够正常运转，因此采用了直流驱动电机。通过对直流有刷电机和直流无刷电机的优缺点对比分析，选择直流无刷电机来作为本次设计工具的主要元件。通过对绝缘绳现场盘放装置的盘绳扭矩计算选择250W，电压24V，3000r/min 的直流无刷电机(图3)。

图3 直流无刷电机图

2.3 绝缘绳排绳装置设计

绝缘绳在卷盘上卷曲期间，由于绝缘绳的绳间摩擦力的作用，会导致绝缘绳不自主的叠摞在一起，排布过程不流畅而且易于出现“脱扣”现象，因此设计排绳机构非常必要（图4）。自动排绳装置主要包括皮带、带轮、排布轴以及排绳器等零部件组成，带轮驱动排布轴转动，从而驱动排绳器左右移动，移动过程中绝缘绳能够左右摆动，实现绝缘绳的有序排列。图中所示的皮带一端连接在卷盘驱动轴处，另一端与排绳装置排布轴的带轮相连，当卷筒传动轴旋转时该卷筒排绳器跟随转动。

图4 绝缘绳排绳装置图

2.4 减速机选择

在绝缘绳盘放装置的设计过程中，考虑到作业现场绝缘绳的盘放速度较低，且需要一定的自锁能力，因此选择蜗轮蜗杆减速器作为其主要的减速装置（图5）。常用的减速机构主要包括齿轮式减速机涡轮蜗杆式减速机，其中齿轮式减速机需要多级齿轮来实现较大的减速比，当齿轮级数较多时其结构较为复杂且整体重量较大，然而涡轮蜗杆式减速机的单级减速机就能得到很大的传动比（一般为5～100）、结构紧凑、可加润滑油或油脂使用。传动平稳、噪音较小、大速比可实现自锁性能等。小单级+大单级减速机联接使用可增大总速比、增大扭矩等优点，故而选用蜗轮蜗杆式减速机。

图5 蜗轮蜗杆减速机

当输电线路检修现场操作期间需要对绝缘绳进行盘放，其工作时间不一定，所以在检修期间可能车载电源可能电量不足，因此需要设计有手动自动切换装置。卷盘的驱动扭矩来源于减速机的输出轴，在设计过程中，充分考虑减速机的输出轴与驱动电机的输入轴之间的配合关系，将手动与自动切换装置设计于此（图6）。此装置中主要包括拨叉机构和齿轮机构。其中齿轮包括两个，一是与减速机相连接的主动齿轮，另一个是与卷盘驱动轴相连接的从动齿轮，从动齿轮还与拨叉结构相连接。当盘绳车处于电动模式下，拨叉机构将从动齿轮与主动齿轮相互啮合，此时从动齿轮在主动齿轮的带动下旋转，进而驱动卷盘驱动轴旋转，实现对卷盘的驱动。

图6 手动自动切换装置

当盘绳车处于手动模式下，拨动拨叉机构，使得主动齿轮与从动齿轮相分离，此时主动齿轮的输出力就不在传递到从动齿轮上，从动齿轮与卷盘驱动轴处于无驱动状态。利用手柄驱动手轮卷盘另一侧的卷盘驱动轴旋转，实现对卷盘的旋转驱动。

3 整体结构及装置创新之处

绝缘绳盘放装置的各个执行器件是安装在底座上的，因此底座在整个装置中起到了支撑其他零部件的作用，而且在工作过程中要求有一定的强度并能根据作业位置实时移动，所以在设计底座时要充分考虑其整体零部件的布局及可移动性，并要考虑当卷盘完成绝缘绳的盘卷后重心位置是否发生移动。因此设计了整体的框架式底盘，能在保证底盘整体刚度的同时又降低其重量。为实现装置的移动，在底座下部安装有轮组以实现其自由移动。通过对电控系统、机械传动系统及自动排绳系统的设计，分别得到电动的卷盘扭矩传动系统、带有手动切换的机械式卷盘扭矩传动系统及与卷盘传动系统相互配合使用的自动排绳系统（图7）。

图7 整体结构图

自动式的绝缘绳盘放，提高了绝缘绳盘放的高效作业。设计了新型的绝缘绳现场盘放装置，通过电机控制器、电机驱动器、遥控器及直流电机的高效配合，实现了对现场自动盘绳。其中电机控制器中主要包括电机转速以及电机转向的控制，通过电机转速控制旋钮能够实现对电机转速的实时调节，达到了能够根据现场工作状况调节盘绳速度的目的。通过电机转向的控制实现了卷盘的正传及倒转的方向控制，达到了绝缘绳的高效收卷以及释放。

绝缘绳排绳装置设计，实现了绝缘绳的有序盘放。通过设计绝缘绳排绳装置，使得绝缘绳在收卷过程中能够有序的排放在卷筒上，实现了绝缘绳的顺序盘放。绝缘绳排绳装置中包含的皮带与皮带轮传动系统与卷盘驱动轴直接相连接，当卷筒旋转时会带动排绳机构的排绳轴旋转，排绳轴上的沟槽与排绳器相互配合，在卷筒旋转过程中排绳器左右横向移动、带动绝缘绳左右移动，从而实现绝缘绳均匀的排布在卷筒上。该设计能够避免绝缘绳一直处在一个位置收卷引起的“脱扣”现象。

4 结语

综上所述，本文根据输电线路作业现场绝缘绳盘放工况的需求，设计了新型的绝缘绳现场盘放装置，该装置通过电机控制器、电机驱动器、遥控器以及直流电机的高效配合，实现了对现场自动盘绳。其中电机控制器中主要包括电机转速以及电机转向的控制，通过电机转速控制旋钮能够实现对电机转速的实时调节，达到了能够根据现场工作状况调节盘绳速度的目的。通过设计绝缘绳排绳装置，使得绝缘绳在收卷过程中能够有序的排放在卷筒上，实现了绝缘绳的顺序盘放。在输电线路作业现场的实践证明，该装置能够较大程度的提高作业效率，降低作业人员的劳动强度。