机械类毕业论文--高压线机械除冰车的设计

机械设计

控制设计

I

Abstract

In

recent

years,snow

and

ice

storms

occur

frequently

in

parts

of

southern

China.

transmission

lines

were

covered

by

heavy

ice

and

a

large

damage

was

caused

.

In

order

to

avoid

transmission

lines

being

crushed

and

ensure

the

normal

power

transmission,the

heavy

ice

covered

in

high-voltage

must

be

eliminated

in

time.

So

we

propose

a

mechanical

de-icing

Vehicle

in

this

paper

through

analyzing

variety

of

pros

and

cons

of

the

existing

de-icing

technology.

The

purpose

of

this

paper

is

to

design

an

manufacture

a

new

type

of

mechanical

de-icing

vehicle

for

high-voltage

lines.

First

we

proposed

a

de-icing

vehicle’s

overall

design

and

major

problems

needed

to

be

solved,including

the

issue

of

suspension,transmission

and

drive,in

addition

to

the

design

of

ice

skates,running

wheels

and

driving

wheels.

Then

we

design

and

calculate

the

mechanical

parts

of

the

de-icing

Vehicle,include

the

axis

and

ice

skate’s,locking

and

adjusting

mechanism’s

design,and

control

parts.

Then

we

gave

the

processing

of

axis

and

ice

skate.

In

the

end

of

the

paper,we

concludes

innovations

and

show

some

physical

and

test

photos.

The

de-icing

machinery

for

high-voltage

proposed

in

this

paper

not

only

has

unique

de-icing

way，high

de-icing

efficiency，but

also

its

the

automatic

adjustment

of

the

structure

can

reduce

the

injury

to

high-voltage

lines

during

the

de-icing，its

small

size，

convenient

artificially

carry，has

wide

application

prospects.

Key

words：

De-icing

machinery

for

high-voltage

lines

mechanical

design

control

design

目

录

摘

要I

AbstractII

1

绪

论1

1.1

课题来源1

1.2

课题的目的和意义1

1.3

国内外研究现状1

1.4

本文的研究内容2

2

总体方案设计3

2.1

除冰车的整体设计3

2.2

本设计所需解决的问题4

2.2.1

机械除冰车在高压线上的悬挂方式4

2.2.2

传动方式4

2.2.3

驱动方式及控制4

2.2.4

除冰刀5

2.2.5

行走轮与驱动轮5

3

机械部分的设计计算6

3.1

后轮轴6

3.1.1

前提假设6

3.1.2

电机的选择6

3.1.3

后轮轴系的估算6

3.2

前轮轴8

3.3

除冰刀及除冰刀轴8

3.3.1

方案比较8

3.3.2

除冰刀轴的设计10

3.4

锁紧机构10

3.4.1

方案比较10

3.4.2

锁紧轮的选择12

3.4.3

锁紧轴系的估算12

3.5

调节机构13

3.5.1

方案比较13

3.5.2

调节结构的工作原理15

4

控制部分的设计16

5

典型零件的加工工艺19

5.1

轴的加工工艺19

5.2

除冰刀的加工工艺20

6

本设计的创新点、实物及试验照片21

6.1

创新点及实物照片21

6.2

其他特点及实物照片21

6.3

试验照片23

结

论25

参考文献27

附录

相关工程图28

23

1

绪

论

1.1

课题来源

针对恶劣天气导致高压输电线路结冰的现象，创新性的提出并加工出了一种适用于线径为的高压线除冰破障机械。

1.2

课题的目的和意义

在2007~2008新年之际，我国南方发生了特大雪灾。由于准备工作的不足，雪灾带来的损失和危害非常严重，人们正常的工作和生活受到极大的影响。雪灾发生后，许多电力工人为了维护电力输送这条生命线，有些人甚至还献出了自己宝贵的生命。因此，

进行早期冰冻灾害的预防，降低灾害破坏程度的研究是非常有意义的。

1.3

国内外研究现状

目前国外一般采用喷火器进行高压线除冰，如图1-1所示。但是成本很高。

图1-1喷火器融冰

针对2008年初发生的低温雨雪冰冻灾害，导致南方电网区域的贵州大部分地区、广西桂北地区、广东粤北地区、云南滇东北地区电网设施遭受到严重破坏，西电东送也受到严重影响。为提高电网对极端气候、重大自然灾害的抵御能力，南方电网启动了包括“直流融冰装置样机研制”重点攻关项目，如图1-2所示。

图1-2直流融冰装置

直流融冰技术先进，不需要很大的负荷，一般只需要1至2万千瓦，而且直流输出电压可调，可在一定范围内针对不同长短的单条线路进行融冰，不再需要进行线路串接，操作比较简单，为线路的融冰工作提供了更为简便的方式。固定式（可控硅）直流融冰装置是采用引入变电站10千伏电源，通过三绕组整流变压器后，送入12脉波可控硅整流器，经整流后输出3000伏/1400安的直流。该装置可实现输出电压、电流调节功能，可满足城前岭变电站除220千伏城烟线外的其余110千伏及以上电压等级线路的直流融冰。但采用直流融冰虽是一种切实可行、经济有效的防冰灾措施，但直流融冰装置存在直流输出电流大、大角度大电流长期运行、已建变电站的接入等多项新的问题。

另外，在全国大学生机械创新大赛中也有关于机械除冰装置的设计。如陕西理工大学在第四届全国机械创新大赛中提出了一种类似爬杆机器人的除冰设备，通过夹紧机构对冰柱施加强大的夹力将冰柱夹碎，或者通过伸缩机构强大的推力将冰条割断来去除高压线覆冰。

综上所述，目前尚没有采用成本低廉、不需要新增复杂装置、采用挤压、震动、切削的三重方式去除高压线覆冰的小型机械。

1.4

本文的研究内容

基于已有方案的弊端，本论文提出了并实际加工一种新的适用于高压线除冰设备——悬挂式机械除冰车。该除冰车最大优势是属于高空破障作业工具，能够克服河流、沟壑等交通工具难以逾越的障碍，采用挤压、震动、切削的三重除冰效果，真正起到预防灾害的目的。该除冰车的制造成本低、体积小、可靠性高，具有很广阔的市场前景。

论文主要包括以下几个方面的内容：

（1）

除冰车整体方案的设计及所需解决的技术问题；

（2）

除冰车机械部分的设计计算，包括前、后轮轴、除冰刀与除冰刀轴的计算，锁紧机构、调节机构的设计；

（3）

控制部分的设计；

（4）

典型零件的加工工艺；

（5）

除冰车的创新点、实物及试验照片展示。

2

总体方案设计

本设计所要解决的技术问题是实现机械除冰车在高压线上的行走，让使用者只需要通过小巧的控制器就可以控制除冰车来达到其除冰的效果，并且不能对高压线造成损伤。为此，除冰车在整体设计上要求结构尽量精简，在高压线上的悬挂和移动方式可靠，传动方式优化，驱动和控制方便，零部件配置合理，除冰刀的形状及碎冰效果能达到预期等。

2.1

除冰车的整体设计

图2-1除冰车整体俯视图

图2-2除冰车整体右视图

图2-3除冰刀局部图

本论文提出的除冰车的整体结构如图2-1、2-2所示。除冰车在工作时，其运动传递过程如下：

（1）图2-1中直流电机1带动链轮3传动到链轮4，将运动传递到后轮轴，使驱动后轮转动，并带动行走凹轮转动，从而使整个除冰车在高压线上行走。

（2）直流电机2驱动链轮1传动到链轮2，将运动传递到除冰刀轴，使如图2-3中所示的除冰刀转动。

2.2

本设计所需解决的问题

2.2.1

机械除冰车在高压线上的悬挂方式

悬挂在高压线上的设备会出现两侧剧烈晃动、坠落、行走不稳定的情况，除冰车也不例外。为了解决此问题，本设计中除冰车采用摆动原理[1]，选择两侧对称结构，其两侧下方分别挂有相对较重的蓄电池和电动机，使得整个除冰车的重心偏下，从而避免上述普通悬挂问题，如图2-2所示。

2.2.2

传动方式

链传动是应用较广的一种机械传动。与带传动相比，链传动能保持准确的平均传动比，传动效率高，径向压轴力小，能在高温及低速情况下工作。与齿轮传动相比，链传动安装精度要求较低，成本低廉。除冰车对传动的精度要求不是很高，更重要的一点是链条的长度和松紧可以根据要求不断的调整，能够保证将除冰车的除冰效果调整到最佳，故本设计选择链传动方案[1]。

2.2.3

驱动方式及控制

采用两个的蓄电池为两个直流电机和两个电动推杆提供电能，并通过链转动来驱动除冰车的行走及除冰刀的转动。由于此次属于高空作业，为了操作简便，采用无线遥控方式控制除冰车的工作过程[2]。

由于考虑到高压线上的磁场可能对无线遥控系统造成一定程度的影响，所以本设计采用简单的继电器和限位开关来控制电机的正转、反转、启动、停止，如图2-4所示。

图2-4

除冰车行走模拟图

2.2.4

除冰刀

本设计中，除冰刀中间呈圆形凹面，凹面为周期性波纹曲线，波纹曲面上均匀分布有滚花状的微刃，除冰刀的两侧设计有鹰嘴型的除冰刃。

2.2.5

行走轮与驱动轮

行走轮与驱动轮均设计为凹轮，使之能够与高压导线外形贴合。凹轮采用超耐磨材料，内凹处应粘有人字形橡胶以增大摩擦力，为除冰车在高压线上行走提供必要条件[4]。

通过绕度的计算确定除冰刀和前后轮的相对位置，使结构更紧凑更稳定。

3

机械部分的设计计算

3.1

后轮轴

3.1.1

前提假设

除冰车必须能够除去线径左右的高压线上包裹的直径为以上的冰柱，并保证其悬挂在高压线上除冰时的速度达到米/小时，且除冰刀能够达到以上的转速。

3.1.2

电机的选择

直流电动机具有良好的启动、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速。所以本设计选择直流电机[3]。

表3-1

两直流电机的基本参数

型号

工作电压

工作功率

工作转速

3.1.3

后轮轴系的估算

图3-1后轮轴

（1）

后轮轴最小直径的估算

为了实现除冰车的慢速运行，本设计选用表3-2中的电动机通过链传动带动后轮行走。电动机上的链轮齿数，后轮轴上的链轮齿数，链传动的传动效率一般取（本设计取），则后轮轴的输出功率：

后轮轴的转速：

选取轴的材料为钢，调质处理，查《机械设计第八版》表15-3，取，得：

后轮轴上用于安装链轮的最小直径及外端紧固螺母处的轴径分别为，。选用的链轮，其厚度为，则。紧固螺母处选用型号，其轴长。

链轮的采用轴肩定位，定位轴肩的高度一般取

圆整后，取。

（2）

轴承的选择

因轴承同时承受径向载荷和轴向载荷，故选用角接触球轴承。按照工作要求，安装轴承处的直径即可。选取0基本游隙组、标准精度级角接触球轴承，其尺寸。右端角接触球轴承采用轴肩定位，故

。

为增强轴的刚性将直径再升一级，取，。

安装行走轮处左端采用轴用弹性挡圈定位。当轴径时，选用的轴用弹性挡圈直径为，而安装轴用弹性挡圈处轴径，。考虑到直径为的高压电缆需要从除冰车的两侧板间穿过，并保证行走轮凹槽与电缆良好接触，故选择定，同时取。

右端用轴肩定位，，为了使行走轮左右长度相等、尽可能保证结构对称，则。为满足合理的轴肩结构，此处改降一级后再于轴承连接，，。

最右端安装轴承处，。

确定好除冰车的两轴承间距后，根据两电动机的尺寸（两电动机间距），算出

(电动机上的链轮应与轴中的链轮在同一平面)。

（3）

轴上零件的轴向定位

车轮与轴间的轴向定位采用平键连接。按查表得平键截面。键槽用键槽铣刀加工，长度为，为了保证车轮与轴配合有良好的对称性，故选用车轮轮觳和轴的配合为。链轮与轴间的轴向定位用螺母固定，充分利用两者间的摩擦力。

（4）

轴的校核

截面2、A、3、4、B、5、6、7只受扭矩作用，虽然键槽、轴肩、过渡配合所引起的应力集中均将消弱轴的疲劳强度，但由于轴的最小直径是按扭转弯曲疲劳强度较为宽裕确定的，所以上述截面均无需校核。

从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看，截面8、9处的过盈配合引起的应力集中最严重，且形式相近，但其截面均不受扭矩，同时轴径很大，故不必校核。

从受载情况看，截面C上的应力虽然最大，但是应力集中不大，且轴的直径相当大，故截面C也不用校核，经多次试验亦合格[6-13]。

3.2

前轮轴

前轮轴在高压线除冰车中起到平衡作用，因此结构和后轮轴的412段完全相同。

3.3

除冰刀及除冰刀轴

3.3.1

方案比较

方案I：除冰刀沟槽里的突起微刃（如图3-2所示）在除冰刀转动时产生压力使冰挤碎，并采用类似凸轮的原理，在行走时产生周期性振动，使冰受冲击而破碎，实现振动除冰的效果。

图3-2

除冰刀方案I

方案II：采用鹰嘴型除冰刃（如图3-3所示），内凹处过度线采用正弦函数和直线连接，使过度不再平缓，增强了震动除冰的效果[15]。

图3-3

除冰刀方案II

相比而言，选择方案II，因为其具有以下优点：

（1）

除冰刀沟槽里的突起微刃，在除冰刀转动时产生压力将冰挤碎；

（2）

微刃的凹凸过度连接部分采用直线、圆弧和正弦函数组成的曲线，利用类似凸轮的原理，使其在转动时产生微量的冲击，在行走时产生周期的震动，使冰受冲击而破碎，实现震动除冰的效果；

（3）

两侧的鹰嘴形除冰刃能够把高压线两侧的厚冰切除，从而达到挤压、震动、切削的三重除冰效果。

3.3.2

除冰刀轴的设计

选用pattman01电动机通过链传动带动除冰刀高速旋转。电动机上的链轮齿数，后轮轴上的链轮齿数链传动的传动效率取，则除冰轴的输出功率：

除冰轴的转速：

除冰轴最小直径的估算：

考虑经济性原则，同时增强轴的刚性、强度，故加大轴的最小直径，取。此时轴均无需校核。

3.4

锁紧机构

3.4.1

方案比较

方案I：锁紧机构由一个锁紧块和链接插销组合而成，如图3-4所示。

图3-4

锁紧机构方案I

方案II：通过铰链来连接锁紧机构和除冰车中间内板的左端，右端靠弹簧插销来连接的，锁紧机构靠锁紧轮来锁紧除冰车，使除冰车紧贴高压线行走，在外力的作用下可以偏转一定的角度，如图3-5、3-6所示。

图3-5

锁紧机构方案II

（未锁紧状态）

图3-6

锁紧机构方案II

（锁紧状态）

方案I只能起到简单的锁紧机构的作用，效果不好，而且在行走的时候还可能阻碍除冰车的运行，此外，利用插销来链接锁紧块和除冰车的中间内板，使得整个锁紧过程过于繁琐，也相对延长了安装工人在高压线上的安装时间。

相比而言，选择方案II，因为其具有以下优点：

（1）

采用凹轮锁紧机构对高压线除冰车进行锁紧，其锁紧轮和两行走凹轮一样，均采用超耐磨材料，增大除冰车在高压线上行走的摩擦力，减少电机因打滑空转的危险。

（2）

利用简单的插销机构，可以进行快速的锁紧，在节约时间的同时，也减少操作工人在高压线的动作时间，使其更安全，更可靠。

（3）

锁紧轮与两个行走凹轮，与高压线上下外形贴合，除冰车在高压线上行走时受到外力的作用时偏离极限位置时，使除冰车仍能悬挂在高压线上，在撤出外力的作用下除冰车能回到正常的工作状态，其可以承受约8级风力。

（4）

锁紧机构均采用标准件，且结构简单，设置在除冰车的中间内板下侧，使除冰车的结构更加紧凑，并以实现标准化和通用化[14]。

3.4.2

锁紧轮的选择

本设计选择的锁紧轮为内凹型，保证其内表面与高压导线外形基本贴合，内凹处的半径为12mm。另外，要保证锁紧轮耐磨，选择超耐磨材料。

3.4.3

锁紧轴系的估算

图3-7

锁紧轴零件图

（1）

锁紧轴最小直径的估算

由上述后轮轴的估算校核后得到，而锁紧轮轴的转速是由后轮轴传递过来的，所以锁紧轮的转速，则。

选取轴的材料为45钢，调质处理，查阅《机械设计第八版》表15-3，取，得：

最小直径是用来安装轴承。

为满足链轮的轴向固定，采用轴肩定位（定位轴肩的高度一般取为），，圆整取。

（2）

轴承的选择

因轴承同时承受径向载荷和轴向载荷的作用，故选用角接触球轴承。按照工作要求，安装轴承处的直径即可。选取0基本游隙组、标准精度级角接触球轴承，其尺寸，故取。右端角接触球轴承采用轴肩定位，故：

，。

安装车轮处左端采用轴用弹性挡圈定位。当轴径时，选用的轴用弹性挡圈直径为，而安装轴用弹性挡圈处轴径，。安装锁紧轮的。考虑到直径为的高压电缆需要从除冰车的两侧板间穿过而且轮子凹槽与高压线接触较好，定。

右端用轴肩定位，，

最右端安装轴承处，。

（3）

轴上零件的轴向定位

锁紧轮与轴间的轴向定位采用平键连接。按查表得平键截面，键槽用键槽铣刀加工，长为，为了保证车轮与轴配合有良好的对中性，故选用车轮轮觳和轴的配合为。链轮与轴间的轴向定位用螺母固定，充分利用两者间的摩擦力。

（4）

轴的校核

截面2、A、3、4、B、5、6、7只受扭矩作用，虽然键槽、轴肩、过渡配合所引起的应力集中均将消弱轴的疲劳强度，但由于轴的最小直径是按扭转弯曲疲劳强度较为宽裕确定的，所以上述截面均无需校核。

从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看，截面8，9处过盈配合引起的应力集中最严重，且形式相近，但其截面均不受扭矩，同时轴径很大，故不必校核。

从受载的情况看，截面C上的应力虽然最大，但是应立集中不大，且这里轴的直径相当大，故截面C也不用校核，经多次试验亦合格。

3.5

调节机构

3.5.1

方案比较

方案I：手动调节，如图3-8所示。其优点是调节方便，结构简单，不会明显增大除冰车的质量。在除冰刀的支撑板上可以通过调节丝杆来调节除冰刀的相对位置，从而实现除冰刀位置的确定，但由于悬挂在两塔之间的高压线是有一定绕度的，且各个点的绕度不一样，所以当绕度改变时，除冰刀与高压线的初始相对位置就会发生改变，当其位置改变且小于初始的相对位置时，除冰刀在除冰的过程中很可能会损害高压线。

图3-8

除冰刀调节结构方案I

方案II：电动推杆调节，如图3-9、3-10所示。通过两个支撑座把12V的电动推杆固定在悬臂板和电机支撑板上，通过远程控制模块，通过遥控手柄控制电动推杆伸出量，从而实现高压线和除冰刀相对位置的确定。但其控制和结构相对手动调节复杂。

图3-9

调节机构方案II（原始状态）

图3-10

调节机构方案II（极限状态）

分析后，选择方案I与II相结合，因为这样除冰车具有以下几个优点：

（1）

可以随时调节除冰刀与高压线的相对位置，避免在除冰的过程中对高压线的损害；

（2）

不会使得除冰车的整体质量明显增大，而影响除冰车的电机的选择；

（3）

两种调整机构的结合，可以尽可能保证由高压线的绕度来确定除冰刀调整的极限位置，使得除冰刀在调整的时候更加方便和准确；

（4）

除冰刀附近装有摄像头，使操作者可在室内控制除冰车，随时观察除冰动态及电线破损情况，从而通过遥控手柄调节电动推杆的伸出量。此外在除冰车的上部还装有夜视灯，可以在夜间和雾霾天气下作业。

3.5.2

调节结构的工作原理

根据高压线的绕度计算，确定其最大的极限位置。电动推杆的举力均为15KG，满足强度要求。其绕铰链的旋转量大约为10°左右。

电动推杆的电路图如图3-11所示。

图3-11

电动推杆的电路图

结

论

本次毕业设计期间，作者通过现有除冰技术的分析和比较，提出了一种新的机械除冰方案，并将其加工制造成实物。该除冰车采用两侧对称结构，下方悬挂较重的蓄电池和电动机，解决了除冰车正在高压线上的悬挂问题。采用两个的蓄电池为两个直流电机和两个电动推杆提供电能，并通过链转动来驱动除冰车的行走及除冰刀的转动，并通过无线遥控方式控制除冰车的工作过程。

同时，除冰车还设有锁紧机构和调节结构，保证除冰车运行时能够与高压线紧密贴合并随时调整与高压线的相对位置，更好的完成除冰任务。另外，由于考虑到高压线上的磁场可能对无线遥控系统造成一定程度的影响，所以本设计还采用简单的继电器和限位开关来控制电机的工作。

在设计方案完善后，作者将附录中所有工程图中零件实际加工出来，并完成了装配。制造出来的除冰车在冰库中进行了模拟除冰，基本达到了预期效果。

毕业设计主要收获和体会如下：

第一，学到了产品设计的方法。产品设计过程是创造性劳动的过程，产品的设计应按科学程序进行，一般包括课题调研、拟定设计方案、总体设计、零部件设计、技术资料整理、产品试制、改进设计等过程，一个产品进过多次改进，才能完善和成熟。

第二，提高了综合应用各门知识的能力。以前课程设计接触课程知识比较窄，而且时间有限，即使发现了问题也不能及时改进，借用这次机会再次把专业知识做了系统的了解，特别是制造工艺和电气方面的知识。

第三，巩固了计算机绘图能力。以前所绘制的工程图，标注配合公差都标注不完整，这次毕业设计不仅提高了自己的作图能力，更是培养了自己细致作图的习惯。

第四，提高了收集资料和查阅能力。收集资料是做毕业设计的前期准备工作，资料是否全面、可靠，关系到整个毕业设计的进程。查阅手册是设计过程中随时要做的事情。只有广泛收集有用的资料才能设计出比较好的产品。

第五，明确了设计必须与产品生产实际相结合，产品才有生命力。因此在设计过程中，一定下企业调查，要虚心听取老师和工程技术售货员的意见，不断发行设计，完善设计。

第六，培养了严谨的科学作风。科学工作来不得半点虚假，在设计过程中每个结构、零件、材料、尺寸、公差都反映在图纸上，每一个错误都会造成经济损失，因此，在设计过程中必须要有高度的责任心，要有严肃认真的工作态度。

总之，对我们每个学生来说，经过这次毕业设计，为今后从事生产第一线的技术发行工作、技术管理工作有非常大的帮助

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附录

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