自动清扫系统

2025-01-20

自动清扫系统（共4篇）

自动清扫系统篇1

摘要：烟叶在线振动分选机系统是用来称重检测烟厂工艺生产水平的系统,该系统通过多层筛网来筛出烟叶中各类烟叶等级的含量,通过称重分析统计评价生产工艺是否符合工艺指标。该系统在筛分烟叶过程会在筛网上残留烟叶,如果不处理会影响称重数据。现研制了一种自动清扫筛网的系统,通过自动清扫系统将残留在筛网的烟叶清扫干净,并再次筛分,经过清扫处理后筛网上不会残留烟叶,从而能保证称重分析数据的有效可靠性,提升了筛分称重检测系统的真实性。

关键词：烟叶在线振动分选系统,筛网,自动清扫系统,称重分析

0 引言

烟草企业的工艺检测部门是检验烟草生产工艺水平的核心部门,该部门通过各种检测仪器来实时分析监控生产工艺指标,当检测到某项工艺指标不合格时,就要提醒某工段进行参数调整,修正工艺指标。

在工艺部门检测工具中,称重类检测仪器占大部分,是核心检测仪器。烟叶在线振动分选机系统是通过称重多层筛网筛分后的烟叶质量,分析评价烟叶生产工艺指标[1]。而在烟叶通过筛网筛分的过程中,会在筛网上残留烟叶,这样会影响称重分析数据的有效可靠性。通过筛网自动清扫系统来实时清扫筛网残留的烟叶,从而提升称重检测效果。

1 筛网筛分技术和烟叶振动分选机系统简介

1.1 筛网筛分技术

筛网筛分技术是通过多层网格形状、一定尺寸的多层结构来实现对烟叶的分类筛分。该技术通过电机皮带带动传动机构,实现多层筛网的一定振频振幅的往复运动。

烟叶通过振动筛分,不同尺寸的烟叶通过多层不同规格的筛网,最后分类到不同等级的接收箱,进行称重分析。图1为多层筛网筛分系统结构图。

1.2 烟叶振动分选机系统

烟叶在线振动分选机系统是烟草工艺检测部门用来在线实时检测烟叶生产工艺指标的称重检测系统,该系统通过在线实时取一定数量的烟叶,通过多层筛网筛分,得到烟叶中不同规格的烟叶,称重分析烟叶生产水平,从而评价烟叶生产工艺水准。

该系统中各层不同规格的筛网在筛分中会残留烟叶,如不进行清扫会影响称重分析数据的有效性,该系统中的自动筛网清扫系统就是用来实现对筛网的自动清扫功能,可实现将筛网的残留烟叶清扫干净,并进行再次筛分,保证检测数据的有效性。

图2为烟叶在线振动分选系统整体布局图,图中烟叶经过进料皮带后,到喂料摊薄输送系统,然后进入多层筛网进行筛分,再进入清扫筛网系统,最后烟叶进入各自的接料斗进行称重分析,最后回料到主线[2]。

图3为烟叶在线振动分选机信号框架图,系统中主要通讯网络为工业以太网架构,称重信号、数字量信号、数据处理信号等通过以太网来实现数据的对接;以太网数据通讯架构可以简化硬件、提升数据通讯效率、优化故障诊断等优势。

2 筛网自动清扫系统的原理与实现

2.1 系统运行构成

筛网自动清扫系统主要完成对筛网的清扫功能,该系统中包含机械、气动、位置检测保护系统、传动系统、扫把等结构系统;气缸推动扫把做往复运动,模拟人清扫动作,实现对筛网的清扫功能[3];位置检测系统起到清扫系统来回往复运动的位置保护功能。自动清扫系统结构图如图4所示。

2.2 系统运行原理

筛网自动清扫系统模拟人清扫运动,从而实现对筛网的清扫功能。

PLC控制系统通过功能程序首先实现对电机的往复定点控制,并通过计数器实现对清扫次数的控制,同时通过站点式控制方式对多层清扫扫把的往复控制,模拟人为的清扫功能[4]。在控制中有多重保护系统,这样好保护清扫系统在安全范围内往复运动。

2.3 系统实际应用

筛网自动清扫系统实现对筛网的清扫功能,从而能保证称重烟叶数据的有效性;经过现场运行效果证明,自动清扫系统能有效清扫筛网烟叶,提升了烟叶多层筛分的数据有效性。图5为筛网自动清扫系统清扫效果对比图,清扫前后每层称重效果对比值见表1。

3 结语

烟叶在线振动分选机系统是用于烟草工艺检测部门检测烟草生产工艺指标的检测系统,该系统通过多层筛网筛分烟叶,得到烟叶中不同种类的烟叶含量,通过称重计算分析烟叶生产工艺水准。

系统中筛网在烟叶筛分过程中容易残留烟叶,从而影响称重数据,影响检测效果。筛网自动清扫系统就是实现对筛网的自动清扫功能,从而能保证烟叶都充分筛分,实现工艺检测数据的有效可靠性,提升工艺检测水准。实际应用表明筛网自动清扫系统效果明显,能有效清扫筛网残留烟叶。

参考文献

[1]烟叶振动分选机技术标准[S].北京:国家烟草专卖局,2012.

[2]烟叶在线振动分选机技术手册[Z].南京:南京大树智能科技股份有限公司,2014.

[3]FESTO气动产品技术手册[Z].北京:FESTO技术(中国)有限公司,2014.

[4]倍加福光电传感器产品技术手册[Z].上海:倍加福自动化(中国)有限公司,2014.

自动清扫系统篇2

带电清扫机器人[1]是一种用于清扫变电站绝缘支柱的机器人。机器人手臂安装在叉架顶部,叉架安装在支撑平台上。工作时叉架升起,高度约为8m。如果支撑平台出现倾斜,将引起顶端手臂出现较大的偏移量,直接影响手臂的工作姿态和位置。而且手臂和叉架质量较大,如果支撑平台倾斜过大,叉架左右两侧受力不均,会产生较大形变,容易引起铰接处失效产生危险。因此清扫机器人作业前必须对支撑平台进行调平。

带电清扫机器人的支撑平台是一个液压四点支撑平台。传统的平台调平[2]多采用人工调平,即采用目测和手动方式进行大致调平,或采取其他辅助手段进行二次调整,其调平时间长、精度低、变形大、重复性大、稳定性差。现今的自动调平系统多采用滚珠丝杆[3]为执行元件,其承载能力小,不适合重型设备的支撑平台;而采用液压缸为执行元件的自动调平系统,由于以下三方面因素的影响使得调平系统的收敛性难以保证,即无法保证在支腿行程范围内使平台达到预定精度:一方面,由于工作平台的模型建立存在一些不确定因素(如平台变形,系统存在振动等),因此支腿间的高度差难于计算;另一方面,支撑平台本身是个冗余静不定支承系统,支腿运动相互耦合[4];再则,由于平台负载不均以及液压元件参数不完全一致等原因,导致支腿下降速度难控制。本文针对以上三个方面进行研究,并提出一种满足带电清扫机器人调平收敛性要求的液压调平控制方法。

1 平台模型建立及修正分析

首先假设液压自动调平系统平台为纯刚性模型[5],系统的初始状态和终了状态均为可测,故系统模型可简化为一个关于初始状态和终了状态的纯几何关系模型。

如图1所示,A、B、C、D为平台的四个支腿的支撑点;α为平台与水平面在x0方向的夹角;β为平台与水平面在y0方向的夹角;L1为移动载体

平台的宽;L2为移动载体平台的长;h为最高腿与最低腿的高度差,x0y0是水平面。由于坐标系x1y1z1是由坐标系x0y0z0经过绕x轴旋转β角度,绕y轴旋转α角度得到的,因此旋转变换矩阵10R如下:

D点在坐标系x1y1z1中的坐标1 D=(L2,L1,0)T,D点在坐标系x0y0z0中的坐标0 D=(x,y,z)T,则由坐标变换关系可得

可知平台高度差模型为

由于平台不可能是纯刚性的,必然存在弯曲变形。现将平台简化成截面为矩形的梁。水平时平台变形简图如图2所示。

其中机器人本体重量G=20kN,平台线形重力q=592N/m,前后桥重力G′=G″=3kN,平台长AB=L2=3220mm,L3=610mm,L4=L2/2=1610mm,L5=2610mm。则由挠曲轴近似微分方程和叠加原理,可得平台的弯曲角γA、γB和弯曲挠度δ分别为

平台x方向的倾斜角为α时,平台变形简图如图3所示。

此时,梁存在拉压和弯曲变形,由于角度α较小,且梁的拉压刚度较大,故不考虑拉压变形。对G、G′、G″和q进行正交分解,径向的分量为Gcosα、G′cosα、G″cosα和qcosα。同理可得平台的弯曲角度γ′A、γ′B和弯曲挠度δ′分别为

由式(2)~式(5)可得,平台x方向倾斜α角时与平台水平时的变形差如下:

将弹性模量E=210GPa,惯性矩I=4.42×10-5m4,以及平台倾斜角α<5°代入式(6)、式(7)可得

y方向存在倾斜角度的情况和x方向同理,由上述计算可知,平台变形给模型造成的误差较小,因此在高度差模型上不添加变形修正参数,而在控制中加以修正。

2 运动耦合的处理

调平目标是使平台的角度参数α和β的绝对值小于一个预置精度S′,即要求|α|<S′、|β|<S′。但是调平过程中,调节任何一个支腿的高度都会造成角度参数α和β的同时改变。因此系统存在运动的耦合。

处理运动耦合的方法有很多,以往的调平系统常采用同时调节两个支腿的方法[6],即同时控制两个支腿同步升高,先调节x方向达到调平要求|α|<S′,然后再调节y方向达到调平要求|β|<S′。这种运动解耦的难点在于控制两个支腿同步下降。一旦两个支腿不同步(即升高的速度不一样)则发生运动耦合。而实际中,由于平台负载不均以及液压元件参数不完全一致等原因,液压支腿间的升高无法保证精确同步,因此运动耦合无法彻底消除。

我们提出一种处理此运动耦合的方法——改变调平目标参数法。构造一个调平效果参数,调平目标为S<S′。因为

所以调平目标S<S′比调平目标|α|<S′、|β|<S′更加严格,可以满足调平要求。与此同时,采用单腿升高调平策略,这样便可以解决运动耦合所引起的调平收敛性问题。单腿升高调平策略如图4所示。图4中,t为最低腿应该升高的时间;h′为最低腿实际升高的高度;转换Ⅰ根据反馈回来的调平信息以及平台高度差模型计算出最低腿和最高腿之间的高度差h;转换Ⅱ根据高度差h计算出最低腿达到最高腿的高度所需要的升高时间t;转换Ⅲ根据t控制最低腿动作,从而得出最低腿实际升高高度h′;转换Ⅳ由倾斜仪测出调整后的α、β;转换Ⅴ将角度α、β转换为调平参数S。

可见引进调平效果参数S和单腿升高调平策略以后,调平系统由多输出系统简化为单输入单输出系统,从而解决了运动耦合所引起的调平收敛性问题。

3 支腿速度特性分析

平台调平是通过支腿的升高来实现的,因此支腿升高的速度特性分析对调平的实现具有重要意义。

支腿升高的速度即油缸的输出速度,由于系统采用的是单活塞缸,所以

式中,v为支腿升高速度;q1为输入流量;Ae为活塞的有效工作面积;ηV为液压缸的容积效率。

油缸的输入是由液压泵提供的,所以

式中,q′为液压泵的平均流量;η′V为油路的容积效率。

由于本系统选用的是齿轮泵,所以

式中,z为齿轮的齿数;m为齿轮模数;b为齿轮齿宽;n为齿轮泵的转速;η″V为齿轮泵的容积效率。

由式(9)~式(11)可得

由于齿轮泵由电机驱动,本系统的驱动电机转速是固定的,因此n为固定值。

理论上,由于决定支腿速度的参数均为常数,所以由式(12)可知支腿升高的速度不变。实际上,参数η″V、η′V、ηV在调平过程中会发生细微变化,而且电磁阀的打开以及程序的执行等都会耗费时间,因此支腿升高的速度并不是固定值,而是动态值。

通过实验,测得系统给定支腿动作时间与支腿实际升高高度的关系曲线,简称位移-时间曲线,如图5所示。

可见当给定的支腿升高动作时间较长(大于100ms)时,参数的细微变化以及电磁阀打开和程序的执行等耗费的时间对支腿速度的影响不大。位移和时间可以近似为线性关系,即认为支腿速度是恒定的。当给定支腿升高动作时间较短(小于100ms)时,位移和时间为非线性关系,即认为支腿速度不是恒定的。

4 系统收敛性分析和设计

4.1 影响收敛性的因素

要保证系统的收敛性,即要保证在支腿行程范围内S<S′。由图4可知,系统的收敛性主要是由转换Ⅰ-Ⅴ的准确性决定,而且关键在于转换Ⅰ-Ⅲ,即如何根据倾斜仪测得的角度精确地推导出最低腿和最高腿的高度差;以及如何根据高度差推导出最低腿升高时间,使得最低腿实际升高高度h′趋近于h。

4.2 解决收敛性问题的方案

针对影响收敛性的因素,现提出两点解决收敛性问题的方案。即准确计算支腿间的高度差、准确控制支腿升高指定高度。

4.2.1 准确计算支腿间的高度差

要准确地计算支腿间的高度差,关键在于:一方面,要准确且实时地将角度信息反馈给平台模型;另一方面,平台模型的误差小。

支腿升高过程中,由于平台惯性较大以及电机等部件的运转,使得平台会出现小幅振动。而振动会导致角度传感器反馈信号失真[7]。为了保证角度信号准确且实时地反馈给平台模型,系统设置了缓冲时间调整,即每次支腿调整后系统停止若干秒,以缓冲平台振动,排除角度传感器的失真信号,从而保证角度反馈的准确性和实时性。如表1所示,当调整缓冲时间t=0时,系统无法在支腿行程范围内结束调平。当0<t<4s时,系统虽然能够在支腿行程范围内结束调平,但由于失真信号的存在,系统无法收敛于S′。当t≥4s时,系统收敛于S′。可见采取调整缓冲时间能够提高系统的收敛性和稳定性。

综上所述,通过采取调整缓冲时间和建立的高度差模型式(1),系统便可以将反馈的角度信息准确地转换成平台高度差,即实现了图4中转换Ⅰ的功能。

4.2.2 准确控制支腿升高指定高度

准确控制支腿升高指定的高度,即必须保证支腿实际升高高度h′≤h,且h′要尽量趋近于h。

由于调平平台存在着变形,为了防止变形使得实际升高高度h′超过h,可以引入一个安全系数ηh,即每次调整的下降高度设置为hηh。由式(8)可知平台变形所带来的误差比实际数据小一个数量级,因此可以取ηh=0.9,以确保h′不超过h。

由于支腿升高速度并非恒定的,所以为了使h′尽量趋近于h,需要对支腿升高速度进行优化,即优化系统给定的支腿动作时间t和高度h之间的关系。如图5所示,当t≥100ms,h≥3.962mm时,支腿速率基本不变,约为0.0345 m/s。当t<100ms,h<3.962mm时,支腿速度不恒定,考虑到此时支腿升高高度较小,调平容易出现反复,故将t设定为能达到调平目标的一个固定值。

本系统的调平目标为S≤0.05°,由于L1=2300mm,由式(1)可知达到调平目标所需最小调整高度为

如图5可知,要求h<3.394mm,必须t<90ms。考虑到此时调平受平台变形、液压流量容积损失、电磁阀打开和程序的执行耗费时间的不确定性等因素影响较大,为了保证调平的收敛性,t必须为一个较小固定值,故t设定为使支腿动作所要给定的最小动作时间tmin=40ms。

因此t和h的关系式优化如下:

根据式(13)便可以实现h和t的转换,即实现了图4中转换Ⅱ的功能,而且还保证了转换Ⅲ的准确性。

5 实验结果与分析

本系统采用Simens S7-200 PLC为控制器,灵敏度为100mV/(°)的双轴倾角传感器,12位的A/D模块等组件。

采用本文所述控制方法进行自动调平实验,实验结果如图6所示。由图6可知,平台的调平效果参数S从大于1°调整到S≤0.05°,仅耗时24s,期间系统共计5次升高最低腿。可见,该控制方法已经实现了调平的快速高精度收敛。

6 结论

本文首先对液压自动调平系统在收敛性方面的技术难点进行分析和研究,在此基础上,提出了一种确保系统收敛性的控制方法。实验结果表明该方法能够保证系统的收敛性,而且调平精度高、速度快。另外,该控制方法具有较强的通用性,可以为一般移动载体的液压调平系统提供技术参考。

参考文献

[1]车立新,杨汝清,顾毅.220/330kV变电设备高压带电清扫机器人设计[J].机器人,2005,27(2):102-107.

[2]李国雄.一种智能调平控制方式在汽车液压支腿系统上的应用[J].专用汽车,2007,12(6):22-23.

[3]冯仪,陈柏金.车载雷达机电式自动调平控制系统[J].华中科技大学学报(自然科学版),2004,32(6):66-71.

[4]胡均平,陆晓兵.静力压桩机电液自动调平系统研究[J].建筑机械,2008,12(3):72-74.

[5]胡苏杭,单春贤,韩钧,等.神经网络在自动调平系统中的应用[J].控制工程,2007,14(6):64-66.

[6]姜文刚,尚婕,邓志良,等.大型平台自动调平研究[J].电气传动,2005,35(12):29-31.

自动清扫系统篇3

在电力系统中,为了固定导电元件,并保证该元件与其他导体绝缘,需要用到绝缘瓷瓶。瓷瓶是一种用瓷或者玻璃制成的电气元件,通常呈椭圆形、鼓形或圆柱形等。瓷瓶在运行中需要承受所固定导体的压力、拉力等机械作用力,这对瓷瓶的机械强度提出了较高的要求。更为严重的是,室外瓷瓶还要长期经受风吹、日晒、雨淋、阴霾、沙尘等恶劣天气环境,以及由不良大气环境引起的化学物质腐蚀。这些气体、液体、固体物质引起积聚在瓷瓶表面形成污层,在遇到湿润作用时,瓷瓶电导会急剧增加,导致泄漏电流增大,严重时会产生局部放电,局部放电严重时即发展为污闪。

设备发生污闪会严重影响电力系统的安全稳定运行,带来电压的波动,引起短路故障等。而如果在污闪时输电线路发生瞬时故障,也会使继电保护重合闸的成功率大大降低。重合闸是电力系统瞬时故障恢复供电的重要手段,重合闸成功率降低将造成大面积的停电事故。同时,污闪中伴随的放电电弧还可能导致电气设备被击穿损坏,不仅损害了设备本身,还会使停电事故进一步扩大。污闪事故直接影响电力系统运行,严重降低供电可靠性,由此带来的其他国民经济损失更是不可估量的。防止绝缘瓷瓶污闪是电力系统长期而重要的任务[1]。

本研究首先对我国污闪情况进行介绍,并对污闪发生的原因进行分析。重点介绍通过绝缘子清扫技术防止污闪发生的方法,并指出传统人工清扫方法存在的不足。在此基础上,提出一种半自动人工清扫机械手设计方案,详细介绍机械手的整体结构设计及功能实现。

1 污闪情况分析

1.1 我国电力系统污闪情况

据不完全统计,1971~1994年全国35 k V~500 k V输电线路污闪3 542条次;1971~1992年发变电站污闪1 768座次。

自20世纪90年代以来还曾发生过3次跨省区的大面积污闪事故。分别为:(1)1989年底~1990年初,由于河南、河北、山西、京津唐以及辽宁等地的局部地区相继出现大雾及雨夹雪天气导致的华北4省2市的大范围污闪事故[2];(2)1996年底~1997年初,由于长江中下游6省1市持续大雾,导致的华中、华东两大电网大范围污闪,以及同年华北、山东、西北等地的污闪事故[3];(3)2001年初,由于华北大部和东北辽宁相继出现的雨雪、大雾天气,导致的由河南电网发展至河北、京津唐、辽宁电网的大范围污闪事故[4]。

除以上3次特大范围跨区域污闪事故之外,全国各电网的局部污闪事故、小区域的小范围污闪事故也不断发生。

对污闪事故进行认真深入的分析,是预防事故发生的有效措施。

1.2 污闪发生原因

电力系统污闪的发生,整体来说是由设备积污引起的。但根据以往的运行经验及对污闪情况的具体分析表明,输变电设备发生污闪既有外在环境的原因,也有一些内在的原因[5,6]。

外在原因:

(1)空气环境恶劣,污秽中所含的导电成分比例较高;

(2)雨、雾、阴霾等易导致污闪的潮湿天气频繁出现。

这些恶劣环境情况带来的影响是不可避免的,可认为是外在原因。

内在原因:

(1)在计算泄露比距时,采用额定电压,而不是设备实际运行电压(设备实际运行电压可能比额定电压高5%~10%),导致计算结果偏低;

(2)设备绝缘水平低,如果设备实际绝缘水平较低,即使在没有发生积污时,也可能发生闪络,则绝缘子对污秽的耐受水平会较低,积污时发生闪络的概率会大大增加;

(3)没有对绝缘子进行较好的防积污处理,在污秽后也没有及时进行清扫;

(4)其他分析、预防工作不足,如没有根据天气情况合理安排污秽清扫,没有合理分析污染物情况以进行有效防积污处理等。

这些原因都是由于分析、设计时考虑不足,以及存在的缺陷造成的,可以通过更加科学、严谨的分析和管理方法进行避免,可以认为是内在原因。

污闪发生的外在原因是不可调控的,只有从内在的原因入手进行规避,才能减少污闪事故的发生,提高电力系统的安全运行水平。

1.3 污闪防治方法

电力系统防治污闪的方法,主要从4个方面入手:(1)对所在区域污染信息、天气信息的准确分析,确定污染等级,为防污闪工作提供有效的信息基础,并且能够在天气情况比较恶劣时,灵活的提高防污闪等级;(2)针对设备具体运行情况进行定量化设计,选择绝缘水平足够的绝缘设备;(3)定期对绝缘设备进行清扫,保持绝缘子表明的清洁,减少污闪发生的概率;(4)基于材料科学的发展,研究者可以采用以高分子有机材料为主制造的新型绝缘子,其形状系数和表面电阻大,具有良好的憎水性,绝缘子表面难以形成积污,且绝缘子耐压水平等方面也比普通绝缘子更有优势。

2 绝缘子清扫技术

在以上污闪防治方法中,对环境信息的准确分析和针对设备具体运行水平的绝缘水平确定均只属于防污闪的基础性分析工作。定期清扫和采用新材料绝缘子则涉及到电力系统具体的操作和设备选型。在这个方面,新材料绝缘子虽然有诸多优点,但也存在制作工艺复杂和绝缘子自身易损坏等问题。在我国,绝大多数绝缘子还是采用传统的瓷或玻璃制成,因此,对绝缘子的定期清扫还是电力系统防污闪的主要方法和手段。

2.1 现有清扫技术

现有的对绝缘子进行清扫的技术主要有:利用停电机会进行人工清扫、机械带电清扫、带电气吹清扫以及悬式绝缘子落地清扫。不管采用何种清扫技术,在清扫过程中都必须严格按照技术规程,安全有序地进行清扫工作。

近年来,为了避免停电清扫对电力系统运行带来的影响,对带电清扫的研究有了很多进展,尤其在机械带电清扫方面,也获得了许多产品成果。一系列的产品已投入使用,如由陕西银河电气防污技术有限公司开发的单杆手持式对6 k V、10 k V、35 k V电压等级的QBRQ轻便型高压带电清扫器;适用于110 k V电压等级变电设备清扫的STQ-11型手推车式高压带电清扫机;由上海交通大学与兰州供电局高压带电清扫课题组共同研发的330 k V带电清扫机器人等。

机械带电清扫虽然减少了电力系统的停电时间以及清扫人员的工作强度,但是对清扫设备的绝缘性能提出了较高要求,特别是在较高电压等级下。而能够满足绝缘要求的清扫设备,其机械强度又会受到影响。

现阶段,机械带电清扫设备在我国电力系统的普及率还很低。停电进行的人工清扫还是绝缘子清扫的主要方式,同时,当设备需要检修时,清扫人员也可以利用这一停电机会进行人工清扫。针对人工清扫的普遍性和不可替代性,研究便捷高效的人工清扫设备具有重要的意义。

2.2 传统人工清扫

传统的纯人工清扫方法需要工作人员亲自拿着毛巾或清洁毛刷等清洁物对绝缘子进行清扫。当绝缘子处于高处时,为了保证人身安全,工作人员还需要系着安全带,爬上高处完成清扫工作。工作人员清扫高处绝缘子的情况如图1所示。

从图1中可以看出,这种清扫方法比较危险,而且费时费力,清扫效果也很难保证。除了耗费大量的人力、物力、财力之外,极低的清扫效率也难以保证清扫工作按时完成。

针对这一情况,停电清扫也需要有新的方法,以提高清扫效率,并保证清扫质量。

3 新型清扫机械手设计

在设计停电清扫设备时,研究者除了要考虑清扫机械手载体的灵活移动性、上升高度、控制维度等问题,更要合理设计清扫机械手,以保证能够打破清扫角度的局限,实现360°全方位清扫[7,8,9,10]。

不同带电设备所采用的绝缘子种类不同,且绝缘子半径不同,绝缘子安装位置和角度也不同。这些不同类型、不同安装位置的绝缘子的存在为清扫机械手的设计带来了困难。研究者必须设计一种能够实现360°清扫,且能够适应不同半径、不同位置绝缘子的机械手,以自适应地完成不同情况绝缘子的清扫工作。

以下提出的机械手设计方案,可以很好地满足以上要求。

3.1 清扫机械手方案

该机器手的整体结构示意图如图2所示,可实现大臂的伸缩,工作部位毛刷的旋转和俯仰摆动,可开合的手爪可抱住不同大小的瓷瓶,从而实现全方位的清扫工作。

其中,伸缩关节可以实现机械手的前后伸缩,以接触到不同距离的绝缘子;俯仰关节可以实现机械手的角度设置,以完成对非竖直安装,不同安装角度绝缘子的清扫;可开合的手爪可以灵活控制开合角度,以适应不同大小绝缘子的清扫;毛刷组件的旋转实现绝缘子360°的全方位清扫。

3.2 伸缩装置机械结构

伸缩关节的内部结构设计如图3所示。伸缩装置采用电动推杆实现直线移动,采用两根直线导轨保证机构的刚性和稳定性。推杆电机额定电压为24 V,额定功率为209 W,额定最高转速为6 800 r/min,减速器减速比37.8∶1,可以实现伸缩速度30 mm/s。在电动推杆两端位置装有碰撞开关,使伸缩装置能在一定范围内实现到位自动停机。

3.3 刷头关节结构设计

刷头关节主要包括俯仰关节、手爪开合关节和毛刷旋转关节,本研究共采用3个直流电机驱动以实现前端手爪的俯仰、手爪开合动作以及毛刷旋转。其中俯仰关节电机电压为24 V,功率为10 W,减速比为100∶1,输出转速为30 r/min,俯仰角度范围为-90°~+90°。手爪开合电机电压为24 V,功率为7 W,减速比为137∶1,输出转速为30 r/min,角度范围为-90°~+15°。毛刷旋转电机电压为24 V,功率为7 W,减速比为35∶1,输出转速为150 r/min,通过一个7个同步带组将运动传到6个毛刷上。

3.3.1 毛刷手爪开合关节

手爪开合关节结构示意图如图4所示。毛刷手爪开合关节由直流电机驱动,直流电机与齿轮1A固连,齿轮1B与齿轮1A组合传动,与电机2的轴同轴但不固定(中间有轴承,即电机2的运动与齿轮1B的运动是相互独立的)。齿轮1A和齿轮1B分别固定在爪子的左、右半边。这样,就可以同过直流电机驱动爪子的开合。

3.3.2 毛刷传动关节

毛刷传动关节结构示意图如图5所示。毛刷传动关节由直流电机驱动,电机的轴与带轮2B固连,然后与带轮2A啮合,带轮2A与电机1同轴不固定(中间有轴承,即电机1的运动与带轮2A的运动是相互独立的)。同步带轮组3A和3B分别固定在带轮2A和2B上,这样就将直流电机的运动传到毛刷1和2上,后面的毛刷同样通过串联同步带轮组的形式获得传动。

该清扫机械手通过电路控制柜接受来自控制器的遥控,实现人工半自动清扫。

4 结束语

本研究首先对我国电力系统污闪情况进行了介绍,并分析了污闪发生的原因,指出污闪主要由外在环境因素和内在因素造成;然后详细地介绍了污闪的防治方法、绝缘子清扫技术;通过分析指出了停电人工清扫的不可替代性,最后详细介绍了一种新型停电人工清扫机械手的设计方案。

新型清扫机械手通过伸缩、手爪俯仰、手爪开合3个维度的控制实现对不同半径、不同安装位置绝缘子的清扫。毛刷旋转功能可以实现对绝缘子360°全方位清扫,保证了清扫质量。通过使用这种新型机械手,可以有效提高停电人工清扫的清扫效率和清扫质量,具有较好的应用前景。

摘要：为解决电力系统绝缘子传统人工清扫中存在的危险性较大、费时费力、清扫效率低等问题,分析了绝缘子不同类型、不同半径、不同安装位置和安装角度对清扫的要求,提出了一种能够打破清扫角度局限性,实现360°全方位清扫的半自动清扫机械手设计方案。该方案通过清扫大臂的伸缩、毛刷的旋转和俯仰摆动,以及清扫手爪的开合调整,实现了各种类型绝缘子的清扫。研究结果表明,该清扫机械手可以很好地代替传统人工清扫,提高了清扫效率,保证了清扫质量,使清扫工作更安全。

关键词：电力系统污闪,绝缘子清洗技术,清洁机器人,机械手

参考文献

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自动清扫系统篇4

当前进口清扫车的价格非常高昂, 有些型号不能适合我国的路面情况。所以在清扫车的吸尘原理及结构方面有待深入分析以提高吸尘效果。气力输送系统主要由风机、吸嘴、过渡吸筒、沉降室等部分组成。

目前国内对气力输送整体进行仿真分析的工作还很少, 本研究针对全系统仿真做一些尝试性工作。本文利用CFD软件, 对洗扫车的气力输送部分进行仿真分析, 包括风机、吸嘴、沉降室的建模、网格划分及后处理。分析风机内部流场, 以直观的方式表示出气力输送系统的速度场、压力场。

2 风机的仿真分析

2.1 建模

本文采用Solidworks对风机流域建立实体模型, 风机可以分为风叶和蜗壳两部分。其中为了分析方便, 将风叶末端放大为一个圆面, 便于边界设定, 风叶中心也做类似处理。图1为叶轮造型图, 图2为风机整体造型。

2.2 网格划分

将风机总体分为蜗壳和风叶, 并分别命名为“static”和“moving”;选择风机入口面为“velocity-in”。出口面命名为“pressure out”, 风叶壁面命名为“impeller”, 风叶大端端面命名为“interface2-2”, 风叶小端端面命名为“interface2-1”。与之对应, 蜗壳与风叶大端端面重合的面命名为“interface1-2”, 另一个面命名为“interface1-1”。这样就把模型的重要边界独立出来, 方便后续FLUENT设置边界条件。风机实物图如图3所示, 具体网格划分如图4所示。

2.3 风机内部流场分析

为了便于观察风机内部流场, 创建两个面:沿着风叶中间的面和吸风口中间平面。现逐一对各平面结果进行分析, 如图5、6所示针对离心风机进行整体分析。风机静压从吸风口到叶轮中心逐渐降低, 经叶轮旋转带动逐渐向蜗壳外部增高。随着气体流出蜗壳, 流动损失, 静压减小。并且静压最小中心靠近蜗壳最大处。

动压不能用压力表直接读出。如图7、8, 其值是和流动速度有关, 从风叶中心到风叶边缘速度逐渐增高, 动压增大, 风叶边缘达到最大, 蜗壳内动压由于气体相互作用而减小, 在出风口处逐渐趋于稳定, 在截面变化的地方也会受到影响。

3 吸嘴及沉降室的仿真分析

3.1 建立吸嘴及沉降室几何模型

吸嘴是一个封闭的异型吸气罩, 由于风机高速抽取垃圾箱内的空气, 使之形成较强的负压, 从而在吸嘴处形成高速补充气流, 以气力输送的方式, 把吸嘴四周的尘土吸入垃圾箱, 实现吸扫功能。图9为为吸嘴结构图;图10为吸嘴、沉降室整体模型。

3.2 网格划分

本文应用三种划分网格方法并行进行生成网格, 一种是四面体 (Tetrahedrons) 网格划分方法, 即Patch Conforming Method。一种是对吸嘴面进行细化也就是局部网格控制, 即Refinement命令。最后一种是Body Sizing网格划分方法, 本文综合以上三种方法进行网格划分, 如图10为沉降室实物图, 图11所示为吸嘴到沉降室整体的网格模型, 单元尺寸为30 mm。

3.3 吸嘴及沉降室的流场分析

气体进入吸尘口并由连接管进入沉降室的过程中, 满足动量守恒和质量守恒。由于空气在吸尘口中的流动属于高雷诺数的湍流流动, 而且不属于强旋流, 本文控制方程选择标准κ-ε方程模型。

整体吸嘴料箱模型计算中参数设置如下:

速度入口:34 m/s (根据风机模拟结果)

出口条件:outflow

收敛残差:0.001

湍流模型:Standardκ-ε模型

求解器:Pressure-Based Solver

运行环境:在入口处设置参考压力101 325 Pa (忽略重力)

当风机达到工作转速后, 吸嘴底面由于内部的负压以及和地面距离10mm的封闭空间, 在大气压的作用下, 空气从外部通过缝隙进入到吸嘴内部, 从而带动灰尘颗粒进入到沉降室, 进而达到清扫目的。

图12所示的静压图表示压力从吸嘴外部逐渐减小, 外部最大, 到吸嘴过渡接口处压力减小到一稳定值。图13显示的是速度矢量图, 由图可知吸筒部分气流速度相对较高。在沉降室内部, 气流流经遮罩板时, 由于遮罩板的形状使得气流向沉降室后部流动, 形成涡流, 再被吸入到出气口。图14的速度流线图很好地描述了气体的流动过程。

3.4 新建截面的的计算分析

为了直观显示吸嘴内部压力变化及速度情况, 新建界面进行描述。图15显示的是截面为X=1.45m的速度云图, 速度从吸嘴外部到吸筒变化较大, 吸筒转折处速度达到最大, 经过遮罩板缓冲后速度逐渐减小, 形成涡流后气流到出风口速度逐渐增大, 从而形成循环过程。

3结语

利用CFD对清扫车气力输送系统进行仿真分析得到以下结论:

(1) 通过仿真分析可以发现结构上的缺陷, 提出改进措施, 从而达到节能、提高吸尘效率的效果。

(2) 通过FLUENT对风机流场数值模拟结果的后处理, 可以显示风机内部各种流动参数的云图、矢量图和流体流动状态, 方便进行设计和参数调整。

(3) 通过仿真分析可以直观了解从吸嘴到料箱理论上的压力及速度变化情况, 以便于设计人员进行适当的改进。

参考文献

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