1、高压线自动除冰装置设计说明书设计者：刘波、陈沛东、郭磊、王昊、徐鑫指导老师： 易传云华中科技大学 武汉 430074作品内容简介我们设计的除冰机，除冰对象为冬季大雪过后，高压电线上所包裹的厚冰层。电线上积累的厚冰层有可能造成电线断线倒杆，造成输电网的瘫痪，严重影响了人民的正常工作和生活。而除冰机则解除了人工除冰给工作人员带来的生命危险，提高了除冰效率。该除冰机以锂电池为动力源，通过电机驱动两组轮子转动，使除冰机前行。同时通过电机驱动打击机构进行除冰。砸冰机构经齿轮对电机减速后，通过齿轮-同步带轮传动，使拨杆等速反向转动拨动砸杆，砸杆上装有弹簧，实现砸冰杆的重复敲打。行走机构则通过两组带有凹槽一
2、大一小两个轮子上下夹紧电线行走，保证其不因振动而脱离电线。用紧贴着电线的行程开关来检测冰渣是否除尽，而后利用延时电路控制除冰机是否继续前进。联系人：刘波联系电话：18971144908EMAIL：设计背景冬日我们都被美轮美奂的雪景所迷倒，然而这也可能会给我们带来意想不到的灾害。雨凇现象及其危害：雨凇是指超 冷 却 的 降 水 碰 到 温 度 等 于 或 低 于 零 摄 氏 度 的 物 体 表 面 时 所 形成 玻 璃 状 的 透 明 或 无 光 泽 的 表 面 粗 糙 的 冰 覆 盖 层 （ 如 下 图 所 示 ） 。雨凇现象造就了很多令人叫绝的自然美景，然而如果这种情况出现在我们的输电线路上
3、，则要大煞风景了。我国几乎每年都会有局部地区出现不同程度的雨凇现象。1 954 年 12 月 至1955 年 1 月 湖 北 省 洞 庭 湖 区 ， 1969 年 初 广 东 北 部 ， 1972 年 2 月 1 8 日 湖南 、 贵 州 、 江 西 等 地 、 1973 年 12 月 新 疆 省 奇 台 县 ， 1977 年 10 月 27-28日 河 北 省 的 承 德 市 ， 1979 年 1 月 28 日 至 2 月 3 日 山 东 省 青 岛 、 临 沂 、 胶 南等 地 ， 1997 年 12 月 26 30 日 河 北 省 围 场 县 ， 1998 年 12 月 1 日 江 苏
4、省 的宿 迁 、 新 沂 、 邳 州 、 东 海 ， 2002 年 12 月 25-26 日 广 西 省 桂 林 市 ， 2005 年2 月 6 日 鄂 西 南 、 江 汉 平 原 、 鄂 东 北 地 区 ， 2005 年 2 月 8 日 位 于 重 庆 市 东 南的 酉 阳 地 区 都 曾 出 现 过 十 分 严 重 的 雨 凇 现 象 。 对 输 电 线 路 造 成 了 很 大 的 影 响 .其中 最 令 我 们 映 象 深 刻 的 要 数 2008 年 1 月 月 下 旬 我 国 中 部 就 出 现 了 严 重 的 线路 覆 冰 ， 造 成 10 多 个 省 的 部 分 电 力 供 应
5、中 断 ， 给 人 民 的 生 命 财 产 安 全 造 成了 严 重 的 威 胁 。然而对于输电线的除冰问题一直以来没有找到合适的方法。当下一般采取的方法是靠人工除冰。既让工作人员爬到电线上，用工具猛烈敲击凝结在电线上的冰，将其震碎。这种方法的缺点是效率十分之低。而且电力工人的生命安全受到了很大的威胁。在 07 年末、08 年初的南方雪灾中，甚至有三名电力工人因此献出了宝贵的生命。因此，发明一种安全高效的输电线除冰装置十分必要。 研究现状：1、有人提出在输电线上通电，将冰融化。此法危险，而且需要电线通电时才能行得通，而在雪灾的情况下电线是不会通电的，故此法不可行。2、还有人提出用筒状的旋转头从
6、中间旋转除冰，此种方法会产生很大的后座力，是机构前进困难，其次，机构工作时电线必然是弯曲的，在加上机构自身的震动，旋转头很容易伤到电线。此法不可行3、最近亦有人提出高压线的除冰应是预防式的。即高压线上一有冰块生成，除冰机就进行工作。这样的除冰方法虽然能很好的达到除冰的效果。然而高压线都能承受一定的载荷，也就是说只有在冰块的重量超过了额定的载荷的时候我们才需要采取措施将它除掉。否则就会造成资源的浪费。4、最后的一种方法是敲打除冰，它是可行的，然而对它的研究还是处于理论阶段。我们的机构所选择的方法就是敲打除冰设计方案总体方案1、动力源为锂电池，通过驱动电机来实现除冰机的工作。2、执行机构分为两部分
7、：砸冰机构、行走机构。行走机构则通过两组带有凹槽一大一小两个轮子上下夹紧电线行走，保证其不因振动而脱离电线。砸冰机构实现砸冰杆的重复敲打。3、基体为钢架。总体结构总体图a、砸冰机构砸冰机构的总体图如下。砸冰机构总体图砸冰机构的动力是由电机提供的。电机固定在电机板上，电机板通过盲孔固定在钢架上砸冰机构提供的转矩通过减速齿轮传给轴三如图所示。选用同步带轮，实现反向和长距离传输轴三上分别放有同步带轮和齿轮分别把动力传给同步带轮轴和齿轮轴。之所以这样设计是考虑到我们需要实现同步带轮轴与齿轮轴的转向时时相反。而如果我们用齿轮组实现上述功能，则至少需要六个齿轮，而且由于我们的中心距设计的比较大，此时齿轮的
8、直径也会很大，这不仅会增加重量，提高成本，而且还会和钢架产生干涉，所以我们放弃了采用齿轮组，而采用一组同步带和 一组齿轮的传动。轴三的一端固定在电机板上一端用轴承座固定在支架上同步带与齿轮的传动比都是 1：1。这样实现了齿轮轴与同步带轮轴转速相同转向相反。拨杆互成 900齿轮轴与同步带轮轴上都装有两个拨杆前后相距 100mm，拨杆互成 90o（经我们验证，前后两锤交互击打时震动最小，工作最平稳，砸冰效率最高。使两拨杆互成 90o可实现交互击打） 。用轴承座固定在支架上。其具体的实现方法是将杆上固定前后拨杆的键槽开成互成 90o的。传动部分图传动轴图拨杆与砸杆 900时分离，蓄能最大拨杆拨动砸杆
9、旋转蓄能，当两杆呈 90o时两杆分离（此时能使弹簧达到最大的拉伸长度，蓄能最大，有利于砸冰，提高系统效率） ，砸杆在弹簧力的作用下自动复位砸冰；一小段时间后拨杆的另一端到达了拨动始位，则继续拨动砸杆进入下一个拨动周期。如此往复循环可实现循环砸冰。拨杆截图与波动原理图如下：拨杆拨动原理图如图，砸杆固定在轴承座上，轴承座固定在下主板上，下主板固定在钢架上。砸杆部分图砸杆的设计砸杆的具体结构如下图所示，转动件的轴和轴承座相配合，固定弹簧的孔距转动中心的距离为 200，锤中心距转动中心距离为 500。砸杆末端与转动中心的距离在原理图中已作叙述，各部件的设计与安装说明已再下图中体现，不再累述。砸杆结构图
10、砸冰部分的钢架总体图如下图，它采用钢管焊接而成，焊接的强度和精度都保证的比较好。砸冰机构所有的部件最后都是固定在支架上，部件与支架都是靠螺栓连接的，故相应的部位我们都打有螺孔，对于固定部件的选择，我们本来想采用钢板或是铝板来连接。但是这样就会增加整个机构的重量，而且更致命的是：由于我们的机构是在高空中工作的，风力很大，如采用板式连接，受到的风的阻力将会非常之大，有可能使机构不能正常的前进，甚至会出现危险。故经过权衡，我们决定采用钢架连接。砸冰部分钢架b、行走机构行走机构整体图轮子可采用二轮式轮子可采用二轮式的（如下图） ，如此设计最大的好处是可以防止轮子在运动过程中由于震动或是风力的作用而脱落
11、，以致机器损坏甚至重大安全事故。前轮驱动行走机构采用前轮驱动，这是由于整个机构的重心更加靠近前轮。合叶与卡扣式结构但是这样的设计给机器的安装和人工通过障碍时造成了很大的麻烦，经过反复的推敲，决定采用类似荷叶的开合机构（如下图） ，并用卡扣加以紧固。使用了卡扣的结构使得在人工越过障碍时也比较容易，可以通过卡紧和放松卡扣比较轻松地实现。 合叶式结构弹簧自适应不同粗细的电线与不同厚度的冰层在大、小两个轮抱住电线的时候，可能会因为电线上冰层的厚度不均匀导致轮与电线之间挤压，为此，我们设计了弹簧机构进行缓冲，在小轮下面的法兰里放了一个压簧，可以根据冰层的厚度自我调节弹簧的长度从而起到缓冲作用。法兰结构由
12、两个圆柱筒组成，圆柱筒中开了两组键槽，利用导向键进行导向，同时还开了两个限位键槽，用螺钉挡住进行限位。总体钢架图钢架的总体图如上图所示，同样的，钢架的设计是为了减小风的阻力，同时我们还加了加强筋保证强度，连接行走部分与砸冰部分的杆必须计算精确以保证砸杆的中心与轮的中心位于一个水平线上。c、控制部分行程开关行程开关安在后面一组砸冰杆的锤的下边，并通过滑轮接触电线。当冰未被除完时，行程开关被触碰，冰除完后，行程开关将松开，从而冰除完时和没除完时传回的信号就不同了。信号通过控制电路处理，控制电机，来控制行走机构的运动。行程开关控制方法及其实现由于除冰装置在砸冰的过程中需要检测是否已经将电线上的冰砸完
13、，我们采用行程开关进行检测，行 程 开 关 又 称 限 位 开 关 ,可 以 安 装 在 相 对 静 止 的 物 体(如 固 定 架 、 门 框 等 ， 简 称 静 物 )上 或 者 运 动 的 物 体 （ 如 行 车 、 门 等 ， 简 称 动物 ） 上 。 当 动 物 接 近 静 物 时 ， 开 关 的 连 杆 驱 动 开 关 的 接 点 引 起 闭 合 的 接 点 分断 或 者 断 开 的 接 点 闭 合 。 由 开 关 接 点 开 、 合 状 态 的 改 变 去 控 制 电 路 和 机 构 的动 作 。而 假 设 除 冰 装 置 检 测 到 冰 已 经 砸 完 ， 那 么 它 将 需
14、要 前 进 一 小 段 距 离 ， 而后 再 进 行 砸 冰 和 检 测 ，而前进一小段距离原本可以轻松地用单片机实现，但是考虑到成本和低温下单片机的稳定性等问题，我们决定用以下电路实现。控 制 电 路我 们 的 电 路 图 如 图 所 示 ， 由 于 我 们 有 行 进 和 敲 打 两 个 电 机 ， 分 别 控 制 机构 的 前 进 和 冰 的 敲 打 ， 冰 未 完 全 砸 碎 时 机 构 要 求 不 能 前 进 ， 否 则 轮 的 前 进 会受 到 阻 碍 ， 而 且 到 机 构 到 达 电 塔 端 的 时 候 要 求 能 够 自 动 停 止 。 故 我 们 设 计 如上 电 路 ，
15、分 行 程 开 关 用 以 检 测 冰 是 否 已 被 砸 碎 。 如 果 冰 未 砸 碎 ， 机 构 不 能 前进 ， 只 能 继 续 进 行 敲 打 。 直 至 冰 被 完 全 砸 碎 分 行 程 开 关 闭 合 ， 机 构 前 进 直 至遇 到 前 面 冰 的 阻 碍 再 次 停 止 。 总 行 程 用 以 检 测 是 否 达 到 电 塔 端 ， 达 到 时 会 压下 总 行 程 开 关 ， 此 时 整 个 所 有 机 构 都 会 停 止 运 动 。 方 便 工 作 人 员 拆 卸 。理论计算1.行 走 电 机 的 选 择 ： 轮 的 外 层 （ 橡 胶 ） 和 电 线 外 层 （ 铝
16、） 之 间 的 滚 动 摩 擦系 数 是 0.25， 除 冰 机 质 量 按 25 千 克 算 ， 弹 簧 的 预 紧 力 约 为 50N， 算 出 摩 擦滚 阻 对 两 轮 的 阻 碍 的 力 矩 为 3.4N.m， 而 我 们 选 用 的 电 机 是 25W， 30r/min 的 ，可 提 供 的 最 大 力 矩 为 M=P/(2*3.14*n)=8N.m； 故 我 们 选 用 的 电 机 能 满 足 要 求 。2、砸冰部分电机的选择计算原理图如图易知弹簧对拨杆最大的扭矩出现在拨杆和砸杆平行之后到两杆分离之前的一端距离之内。如图所示，令拨杆与平行线呈 角，此时砸杆与平行线呈 角。OA=10
17、0，OO=180.557 mm,OOX=101.18 deg令 OA=X，有X2= OA2+ OO2-2 OA *OO*cos故X=42600.830249-36111.4 cos又有OA/sin=OA/sin故有=arcsin(OAsin/OA)=arcsin(100sin/42600.830249-36111.4 cos)由题意有F*BC=F*ODF=k*(310-216+2*OC)=0.2(94+2*sin(101.18-90+)OB)=0.2(94+400*sin(101.18-90+ arcsin(100sin/42600.830249-36111.4 cos)BC=200*cos(
18、101.18-90+)=200*cos(101.18-90+ arcsin(100sin/42600.830249-36111.4 cos)OD=X*cos(+)=42600.830249-36111.4 cos*cos(+ arcsin(100sin/42600.830249-36111.4 cos)故F=F*BC/OD= 0.2(94+400*sin(101.18-90+ arcsin(100sin/42600.830249-36111.4 cos)* 200*cos(101.18-90+ arcsin(100sin/42600.830249-36111.4 cos)/ 42600.830
19、249-36111.4 cos*cos(+ arcsin(100sin/42600.830249-36111.4 cos)其转矩：T=F*OA=0.02(94+400*sin(101.18-90+ arcsin(100sin/42600.830249-36111.4 cos)* 200*cos(101.18-90+ arcsin(100sin/42600.830249-36111.4 cos)/ 42600.830249-36111.4 cos*cos(+ arcsin(100sin/42600.830249-36111.4 cos)用 MATLAB 进行计算分析可得出上式的最大值TMAX4.
20、836N.m我们所选的电机的额定输出扭矩是 6 N.m.而且在实际的情况下 OA 不是100 而是 100 减去轴承半径所得的值。故其实际扭矩应该更小故我们所选电机是合适的3、由图 3-3、可知机构的重心基本上位于前轮（主动轮的下面） ，机构主要靠前轮支撑，后轮受力基本为 0.机构重 25.737kg创新点a、在行走机构部分，通过两组带有凹槽一大一小两个轮子上下夹紧电线行走，保证其不因振动而脱离电线。b、行走机构采用卡扣进行卡紧，效率高，强度好c、砸冰机构采用齿轮-同步带轮传动，减小机构重量，提高机构效率，减少干涉d、采用拨杆-砸杆机构进行敲打，结构简单，砸冰时实现完全脱离，效率高，可靠性好。
21、e、接触件做成单个的零件，易于跟换，减小更换成本。f、总体结构采用了钢架结构，减小受风面积，减小机构重量经济可行性分析该产品市场需求量大，若成批生产，可大大降低成本。经济效益十分可观。实用性及应用前景目前虽然很多人在研究一种行之有效的线上除冰装置，但并没有成熟的产品出现。目前的大多数设计都只停留在专利阶段。该产品设计简单，能够在输电线瘫痪的情况下工作。且其设计充分考虑了其工作时的稳定性。因此该设计更加实用。雨凇现象发生频繁，市场对该产品的需求量较大该除冰机采用了很多标准件，如实现批量生产成本将大大降低 参考文献1钟毅芳等主编，机械设计，武汉：华中科技大学，20052杨家军主编，机械原理，武汉：华中科技大学，20053匡建主编 理论力学，武汉：华中科技大学，2007
