基本信息
- 項目名稱：
- 架空輸電線除冰器
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 2008年2月，我國發(fā)生了歷史罕見的雪災，南方輸電線路大面積覆冰，輸電鐵塔大量倒塌，南方地區(qū)大面積電力中斷。為解決上述問題，提出應用機械敲擊方法去除覆冰,設計了【架空輸電線除冰器】 該除冰器由電動機通過皮帶驅動帶有凹槽的行走輪在架空輸電線上行走，在行走輪一側的彈性臂上裝有三個敲擊頭，行走輪轉動行走時，敲擊頭隨之轉動并敲擊電線上的覆冰，使之脫落。 通過采用開放式結構，該除冰器可由遙控油動直升機，微型飛艇或氣球輕松地放在輸電線上，避免了人在輸電線上作業(yè)潛在的危險。 通過在除冰器兩側安裝探測器，除冰器可以在碰到電線桿或者鐵塔之后自動換向。 除冰器上裝有遙控開關，可以在地面任意控制它的工作狀態(tài)。 目前該除冰器樣品由12伏蓄電池驅動，電機采用40W直流電機，行走速度1米每秒，敲擊頻率3次每秒，未來通過電磁感應技術將可以直接從輸電線上獲取電能，驅動交流電機，除冰能力將有很大提高. 該除冰器采用機械敲擊方式實現(xiàn)除冰功能，結構簡單，操作方便，易于維護，成本低廉。在惡劣的凝凍天氣條件下，為保障通信和電力傳輸系統(tǒng)的正常運行，提供了一種實用可靠的專用設備。該產品具有一定的市場應用前景。
- 詳細介紹：
- 研制背景及設計目的: “冰污染”一個不被人們所熟知的新概念，在去年春節(jié)期間引起了社會的關注。正如”光污染”,”聲污染”一樣，防止消除冰污染迫在眉睫。 2008年2月，我國發(fā)生了嚴重的雪災，南方輸電線路大面積覆冰，輸電鐵塔大量倒塌，以致京九鐵路中斷，貴州全省電力系統(tǒng)癱瘓，南方地區(qū)大面積電力中斷。由此可見，由覆冰引起的輸電線路事故，嚴重威脅著電力傳輸及通訊網絡的可靠性。 為解決上述問題，有人提出向電網輸入較大的電流，提高電線溫度來阻止結冰，但是由于氣溫很低，要想阻止結冰必然要耗費極大的電能，并且在技術上還有障礙。根據(jù)實驗數(shù)據(jù),機械破冰比熱力融冰所需的能量小10萬～1百萬倍?；诖朔N原因,即使其效率低至1%,機械法仍遠優(yōu)于熱力法，有極大應用價值。而一般情況下，機械方法的除冰效率高于1%，在3%～4%之間,這意味著機械法耗能比熱力法小100多倍。 已通過實驗證明，機械法中敲擊法又比切削法效率高，節(jié)省能量。為此，提出應用機械敲擊方式除冰，通過計算模擬及實驗設計了架空輸電線除冰器。 工作原理 該除冰器由電機通過皮帶傳動帶動凹槽的輪子在架空輸電線上行走，在輪子一側的彈性臂上裝有三個敲擊頭，當輪子轉動行走的時候，敲擊頭隨之轉動并敲擊電線上的覆冰。 通過采用開放式結構，該除冰器可方便地安放在輸電線上。 通過在除冰器兩側安裝探測器，除冰器可以在碰到電線桿或者鐵塔之后自動換向。 除冰器上裝有遙控開關，可以在地面任意控制它的工作狀態(tài)。目前該除冰器樣品由12伏蓄電池驅動，電機采用150W直流電機，行走速度1米每秒，敲擊頻率3次每秒，若能通過電磁感應技術從輸電線上獲取電能來驅動交流電機，除冰能力將有很大提高。 主要設計內容:行走輪的設計,.傳動部分的設計,敲擊部分的設計,動力部分的設計,電源的選擇.控制系統(tǒng)的設計,工作性能試驗及調試改進跨越鐵塔（電線桿）的探究,在多股輸電線上工作的探究. 主要部件:行走輪 2個.特種皮帶2條,電動機 1臺,敲擊錘 2個,機架 1個,皮帶輪 2組,電池 1塊. 總體設計: 爬坡功率計算: 以爬坡能力為15°坡度選擇電動機，預估除冰器總重為25kg,為確保除冰效果，設計除冰器行走速度V=1m/s ? 爬坡功率P=FxV=65x1=65W 其中， F 代表輪子與電線之間的摩擦力 彈簧的選擇和敲擊除冰能力的測試: 由于沒有現(xiàn)成的相關數(shù)據(jù)，暫通過試驗來選擇彈簧； 以能敲碎放置在平板上的3cm厚的冰塊為原則。 敲擊功率計算: 設計敲擊頻率為 10次/s，即每10cm敲擊一次，即每次敲擊可除去10cm范圍內的覆冰或使10cm范圍內不能形成覆冰，在雪花凝成冰之前將其震落。 要想計算敲擊功率，必須知道每次敲擊所消耗的能量。敲擊時，敲擊錘的動能完全被消耗，即敲擊錘的動能就是每次敲擊所需的能量. 所以敲擊功率P'=NE 其中，N代表每秒敲擊的次數(shù)。 總功率計算: 考慮皮帶傳動效率 μ 之后， p=P'/μ 為確保功率足夠，選用額定功率150W的電動機。 電源及電動機的選擇: 為使除冰器能夠獨立運動即不外接電線，本設計選用蓄電池，采用直流電動機。（若外接電線，在高壓線上使用存在安全隱患） 但蓄電池續(xù)航能力欠佳，尚需尋找續(xù)航能力更強的電源解決方案。 ? 蓄電池參數(shù)： 電壓12v 容量14Ah ? 電動機參數(shù)： 額定電壓： 12V 額定功率： 150W 轉速： 300r/min（自帶減速器電機） 外形尺寸：直徑90mm，長 220mm 啟動轉矩：4.0 N?M 傳動部分: ? 傳動比：1：1 （由于采用里自帶減速器的電動機，所以傳動部分沒有減速） ? 除冰器對行走速度無嚴格要求，且?guī)鲃觽鲃悠椒€(wěn)，能緩沖吸振、結構簡單、軸間距大、成本低，所以選擇帶傳動。 ? 經帶傳動設計計算，選擇了長度基準L=800 的Z型帶。 ; 機體部分的設計; 為了減輕重量，機身采用5mm厚鎂合金板。 重心的控制; 在整體設計時盡量使重心位于輪子正下方，裝配好之后可以通過調節(jié)電池的位置來調節(jié)重心。 工作周期: 設計除冰速度為1m/s,以150m間距的電線桿為例， 完全工作一次的時間 T=150s=2.5min。 軸的設計 ? 軸固定不動，輪子通過軸承固定在軸上，由皮帶帶動旋轉 ? 軸承選用6204，輪子兩側各一個 ? 強度計算： 簡化為懸臂梁，在距左端62.5mm處承受150N集中載荷（即除冰器重量的一半）。顯然，懸臂梁固定點處彎矩最大，以此處為危險點進行計算 此處彎矩M=FxL 抗彎截面模量：Wz=∏d3/32 最大彎曲正應力：δmax=M/W ? δmax遠小于軸所用材料45鋼的屈服強度 ，即軸強度滿足； ? 太細太長的軸和孔都難以加工，出于加工方便的考慮，所以軸徑取得遠大于強度需要。 行走輪: 由于沒有相關數(shù)據(jù)，暫通過參考類似材料的滾動摩擦系數(shù)結合試驗來選擇輪子材料及設計行走輪外形。 材料的選擇:保證足夠的摩擦,耐磨性,抗風化,密度小 綜合以上因素，選用尼龍 抗拉強度 δb=320MPa 屈服點 δs=215MPa 行走輪內徑r: 除冰器的行走速度已經確定V=1m/s，，即為定值。綜合考慮輪子的大小及轉速之后確定r=33mm，n=300r/min。 行走輪槽深h及外形 為了防止在行走過程中脫落，行走輪必須有足夠的槽深。 槽深h=40mm，試驗證明此種槽形設計，行走順暢。 敲擊部分: ? 敲擊錘安裝在彈性臂上； ? 彈性臂用彈簧制作，彈簧一端與敲擊錘相連接，另一端固定在行走輪上，隨輪轉動； ? 當敲擊錘碰到電線時，發(fā)生彈性變形，在敲擊完成之后滑過電線； ? 敲擊力使覆冰破碎，把積雪震落。 控制系統(tǒng): 遙控部分, 當除冰器高壓的架空電線上時，使用遙控器可以方便的控制除冰器的開啟狀態(tài)。 自動反向控制-機械部分: ? 為了使除冰器能在兩個電線桿之間來回往復運動，設計了自動反向控制部分 ? 探測桿可以沿導軌左右滑動； ? 當探測桿左端受到電線桿對它的碰撞力F之后，探測桿沿機體上的導軌向右滑動，將雙擲開關從左側撥向右側； ? 當探測桿右端受到電線桿對它的碰撞力F之后，探測桿沿機體上的導軌向左滑動，將雙擲開關從右側撥向左側； ? 機體和探測桿上均設計有限位部分，可以限制探測桿的滑動范圍； 自動反向控制-電路部分: ? 當開關擲于左側時，通過電動機M的電流方向是A 到 B，此時電動機正轉，除冰器正向前進； ? 當開關擲于右側時，通過電動機M的電流方向是B 到 A，此時電動機反轉，除冰器反向前進； ? 開關的撥動由機械部分控制； 防傾覆計算: ? 除冰器工作時，必然會有風力的影響； ? 除冰器最大截面積 ； ? 風級：8，風速： ； 形容：大樹枝折斷,大風 ? 設計抗風能力為8級，風壓 ； ? 則風對除冰器的作用力 ； ? 除冰器正常工作允許最大傾斜角為 . 假設除冰器傾斜并進行以下計算，示意圖如上： 重力力矩 M=GxBC 風力力矩 M=FxAB 可見重力力矩 風力力矩 ，即風力使除冰器產生的傾斜不會超過 ，所以風力不會影響除冰器正常工作。 其它部分: 跨越鐵塔（電線桿）的探究: 如果除冰器可以跨越鐵塔工作，除冰器的數(shù)量就可以減少很多，從而降低成本，下面簡要介紹一下跨越方法： 要實現(xiàn)跨越功能，需要在現(xiàn)有裝置上加上一個轉移平臺，當碰到鐵塔時，除冰器停止前進，轉移平臺開始工作，轉移平臺上的伸出臂伸到鐵塔的另一側，并固定在另一側的電線上，然后工作部分被轉移過去，再收回伸出臂，繼續(xù)工作。如此往復即可。不過轉移平臺對自動控制的要求很高，難度很大，由于時間和經費限制未作深入研究。 在多股輸電線上工作的探究: 很多高壓輸電線都是四股一相或六股一相，即一相的電流被分在四根或六根互相不接觸的電線上，這樣可以減小“集膚效應”從而增大傳輸電流。四根線被夾具分開 現(xiàn)有除冰器通過加大行走輪槽寬及槽深，就可以在多股輸電線上工作。 工作性能試驗: 重心調節(jié)，行走穩(wěn)定性改進，爬坡能力試驗 創(chuàng)新點及應用:采用機械敲擊方式除冰，能耗低；可實現(xiàn)自動換向，反復敲擊；將敲擊與行走巧妙的整合在一起，簡化機構，減輕重量； 采用遙控控制，操作簡便；采用開放式行走結構設計，便于放置。 推廣應用價值: 該除冰器采用機械敲擊方式實現(xiàn)除冰功能，結構簡單，操作方便，易于維護，成本低廉。在惡劣的凝凍天氣條件下，為保障通信和電力傳輸系統(tǒng)的正常運行，提供了一種實用可靠的專用設備。該產品具有一定的市場應用前景。 (詳細數(shù)據(jù)計算請參閱論文文檔)
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 發(fā)明目的： 2008年2月，我國發(fā)生了歷史罕見的雪災，南方輸電線路大面積覆冰，輸電鐵塔大量倒塌，以致京九鐵路中斷，貴州全省電力系統(tǒng)癱瘓，南方地區(qū)大面積電力中斷。為解決上述問題，設計了【架空輸電線除冰器】 基本思路： 該除冰器由電機通過皮帶傳動帶動凹槽的輪子在架空輸電線上行走，在輪子一側的彈性臂上裝有三個敲擊頭，當輪子轉動行走的時候，敲擊頭隨之轉動并敲擊電線上的覆冰。通過采用開放式結構，該除冰器可由遙控油動直升機，放在輸電線上，避免了人在輸電線上作業(yè)潛在的危險。通過在除冰器兩側安裝探測器，除冰器可以在碰到電線桿或者鐵塔之后自動換向。 除冰器上裝有遙控開關，可以在地面任意控制它的工作狀態(tài)。目前該除冰器樣品由12伏蓄電池驅動，電機采用40W直流電機，未來通過電磁感應技術將可以直接從輸電線上獲取電能，驅動交流電機，除冰能力將有很大提高。 技術創(chuàng)新點： 1.采用機械敲擊方式除冰,能耗低. 2.可實現(xiàn)自動換向,反復敲擊. 3.采用遙控控制，操作方便. 4.將敲擊與行走巧妙的結合在一起,簡化結構,減輕重量. 5.采用開放式行走結構設計，便于放置. 技術關鍵及主要指標: 行走輪的設計、傳動部分的設計、敲擊部分的設計、動力部分的設計、電源的選擇、控制系統(tǒng)的設計、工作性能試驗及調試改進、跨越鐵塔（電線桿）的探究、在多股輸電線上工作的探究
科學性、先進性
- 1.目前尚無此類自動化除冰設備，該除冰器是一種全新的專用除冰設備； 2.采用彈性臂帶敲擊頭隨輪敲擊設計，將敲擊與行走巧妙的整合在一起，極大的簡化了機構和減輕了重量。 3.采用遙控控制，可以根據(jù)氣候條件控制其工作狀態(tài)； 4.采用探測開關實現(xiàn)自動轉向； 5.采用開放式行走結構設計，方便往輸電線上安裝放置。 6.該設備通過機械直接作用解除冰雪的危害，對環(huán)境及植被無危害。
獲獎情況及鑒定結果
- 2008年10月該作品在第三屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽中獲得二等獎
作品所處階段
- 調試成功,已進入中試階段
技術轉讓方式
- 協(xié)議
作品可展示的形式
- 實物
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 使用說明：該除冰器由電機通過皮帶傳動帶動凹槽的輪子在架空輸電線上行走，在輪子一側的彈性臂上裝有三個敲擊頭，當輪子轉動行走的時候，敲擊頭隨之轉動并敲擊電線上的覆冰。 通過在除冰器兩側安裝探測器，可自動換向。 技術性特點及優(yōu)勢： 1.采用機械敲擊方式除冰,能耗低. 2.可實現(xiàn)自動換向,反復敲擊. 3.采用遙控控制，操作方便. 4.將敲擊與行走巧妙的結合在一起,簡化結構,減輕重量. 5.采用開放式行走結構設計，便于放置. 推廣范圍：南方易受凍雨災害地區(qū) 分析及說明：相對于熱力熔冰法，該除冰器節(jié)能100倍以上，并且在一些無法應用熱力法的輸電線上使用不受限制。以每個除冰器1800元的價格計算，預估易受凝凍災害的電網總長為500公里，每200米配備3個除冰器，則總共2500個，則總投資為450萬，即可避免數(shù)以千億的經濟損失。耗電方面，以每個除冰器50瓦計算，共2500個，則總功率為125000瓦，相對于熱力法能耗很低。
同類課題研究水平概述
- 目前，世界各國采用的除雪(冰)方法，應用最普遍的有兩種，即融解法和機械法。融解法是依靠熱作用或撒布化學藥劑使冰雪融化，其優(yōu)點是除凈率高，但這種方法成本高，且容易造成環(huán)境污染。雖然環(huán)保型融雪劑已經問世，對環(huán)境和植被的影響減少了，但并未徹底根除，因此使用范圍受到一定的限制。機械法是通過機械直接作用解除冰雪的危害，雖然除凈率較低，但是對環(huán)境及植被無污染，能實現(xiàn)冰雪的異地轉移，應用范圍比較廣。 隨著設備的液壓化、電氣化、自動化研究進行，旨在創(chuàng)新產品的工作不斷發(fā)展。道路和高速公路除冰雪應急處置機制的探討，電塔、電桿、電線的除雪鏟冰技術，機場、鐵路鏟冰除雪新方法、新技術，除雪鏟冰新機械、新技術的研究，云南發(fā)明城創(chuàng)新發(fā)明了《小型自動除冰器》，《特制充電器》，《道路冰雪、塌方清理車》，《快速排除鐵道冰雪車》，它們解決了外國的機械和熱能除雪速度慢，而且由于路網癱瘓，他們的除雪車難以通行的難題。我國原用的設備鏟冰除雪緩慢，易損、不可靠，有后遺癥的問題。 這些新設備擁有我國自己的知識產權，采用電腦、激光，可以精確控制工作位置、推進速度，大大提高了勞動效率和工作質量。這些設備如果廣泛推廣到交通、電力、機場上面，必將改變其落后面貌，快速清除冰雪，平時還可清除泥石流、塌方，隨之帶來更大的經濟效益，定能充分顯出它的巨大技術優(yōu)勢。 云南.發(fā)明城對于電力輸電系統(tǒng)除冰方面的新產品有兩個： 1：在冰雪不多的南方，用創(chuàng)新發(fā)明的《小型自動除冰器》掛在電纜上，讓它沿電纜自動爬行除冰，這個方法，經濟，只在需要鏟冰除雪的時候才拿出來安掛和收取，平時可在倉庫完好地保存《自動除冰器》。 2：在常年都有冰雪的北方，可在危險地段電纜的兩端各并聯(lián)一個《特制充電器》，利用充放電性能，在這段電纜上產生振蕩發(fā)熱，除去冰雪，這個特制充電器由電腦控制，可隨時監(jiān)測線徑和懸垂度，根據(jù)情況自動開關、運行。
