PAGE1除冰機器人機械結構設計目錄一．課題來源………………二．選題的性質……………三．論文選題的目的和理論實踐意義……四．與本選題相關的國內外研究現狀，…………………預計可能的研究突破和創新點………五．主要參考文獻…………六．分析研究的可行性、基本條件及能否取得實質性進展……………七．選題的研究方法和進度安排…………開題報告內容一．課題來源從上世紀末開始，隨著我國國家電網的快速發展，已經基本實現了家家通電的局面。給國家和人民的生產與發展帶來了極大的便利，已經成為現代社會不可或缺的一部分，同時也成為國家發展的重要支柱。我國幅員遼闊，緯度跨度較大，不僅僅是在東北地區，在我國的南方地區，在冬季時也經常會遭受到凍雨的危害。當亞歐大陸的大氣環流出現異常時，冷暖空氣便交匯在我國南方地區和長江中下游，溫暖潮濕的氣流攜帶大量水氣就會出現凝結，從而形成雨雪或霧凇，進而導致高壓輸電線路發生覆冰現象。當覆冰達到一定厚度時，導線由于熱脹冷縮的緣故就會產生巨大的拉應力，并且因為低溫而變脆。在這兩種情況的綜合影響下，輸電線路就會發生斷裂或者輸電塔發生倒塌。從而引起大規模，長時間的斷電，嚴重影響著人們的生活和國家的發展。我國在2008年發生的重大冰雪災害。當時由于技術條件的限制，必須依靠人工攀爬到線路上進行除冰作業，使得許多作業人員因此而失去寶貴的生命。以及在去年冬天我國部分地區因為冰雪災害的影響，在一些地區的鐵路電網上出現了覆冰，列車受電弓無法與電路接觸，導致了部分地區的交通運輸的癱瘓。各個國家為了盡可能的減輕該種災害的影響，都進行了大量的研究工作。常用的除冰方法可以分為機械除冰和熱力融冰。當前機械除冰主要是通過工人進行敲擊，將線路上的覆冰去除，雖然這種方式的效果好，但除冰的效率低，且極易影響工人的生命安全。熱力融冰中的直流融冰技術目前在我國應用較為廣泛，且該種方法的除冰效率極高，可以在十幾分鐘的時間內，去除掉約兩百公里的線路覆冰。但進行該種作業必須保證在兩座變電站之間的線路必須為通路狀態，如若已經發生線路斷裂則無法應用。本文在總結現有除冰機器人的優勢之上，將沖擊式除冰方法與銑削式除冰方式進行結合，搭載在一個除冰機器人上，使其可以幾乎不受輸電線路上覆冰厚度的影響進行作業。二．選題的性質：1．理論研究（）2．應用研究（√）3．應用理論研究（）三．論文選題的目的和理論實踐意義本文主要根據除冰機器人可能遇到的作業環境，對除冰機器人的總體方案進行了設計。并盡可能以最困難的環境條件來對除冰機器人的一級二級除冰機構進行設計，并對其進行了強度校核，保證其能夠安全，高效，穩定的進行除冰作業。四．與本選題相關的國內外研究現狀，預計可能的研究突破和創新點（一）與本選題相關的國內外研究現狀1.國外研究現狀西方一些發達國家以及日本等國在該種機器人方面的研究起步較早，并取得了相應的成果。最早在該方向進行研究的是加拿大的魁北克電力研究院SergeMontamtault等人經過兩年的研究設計，推出的HQLineROVer遙控小車，該小車只具備巡視功能，且只能在一條無障礙的線路上進行工作。然后在經過不斷的升級與改進之后，該團隊于2006年推出了他的升級款，使得該小車能夠對線路上的部分障礙物進行跨越，但是依舊不具備除冰功能。不過該巡線小車為后續除冰機器人的發展提供了平臺，只要在該小車上將巡線部分改為除冰機構，并重新設定程序即可。日本東京電力公司也曾經研制過一臺巡檢機器人，該機器人可以在線路上獨立行走且可以通過其上搭載的前后兩臂進行越障。在以后的研究中，并以此為基礎，在其上搭載了除冰機構，主要是利用電暈效應進行除冰。此外，美國，泰國，墨西哥等國家也先后研制過一些該類機器人，并制造了樣機進行了相應的實驗，但基本上都為巡檢機器人，不具備除冰功能。2.國內研究現狀我國在這方面的研究最早起步于上世紀的九十年代，但卻很少取得成果。最近幾年來，尤其是2008年特大冰雪災害之后，我國許多科研院所開始著手對其進行更進一步的研究，并取得了不錯的成果。其中比較有代表性的是山東大學與加拿大魁北克水電研究院聯合開發的LineROVer小車以及武漢大學吳功平教授團隊的機器人。其中，山東大學與加拿大魁北克水電研究院聯合開發的小車，他們在遠程通信與控制、能源動力、防水性能等方面對LineROVer小車做了技術改進，并在小車上卻集成了紅外檢測、壓接管，電阻測量、除冰等帶電作業功能，但卻沒有賦予其越障能力。武漢大學吳功平教授團隊的除冰機器人采用了比較特殊的銑削式除冰，該種除冰方式可以避免普通擠壓式除冰方法對輸電線路的損壞。因為目前我國國內多采用多分裂式輸電方案，其中多為六分裂式與八分裂式，因此重慶大學的研究團隊開發了一種可以應用于分裂式輸電線路的巡線機器人，其可以快速穩定的通過輸電線路之間的連接架，但是該平臺難以搭載除冰機構進行除冰作業。吳功平教授團隊也在最近開發了可以應用于多分裂式輸電線路的機器人，其越障方式已經相對來說較為成熟，但是也僅限于各根導線之間的連接架，對于塔桿以及別的障礙物仍然有所不足。總結現有的除冰機器人的除冰方式，主要為擠壓，沖擊，振動等方式。相比與傳統的人工除冰方式，可以減少人員的傷亡，除冰效率也相對來說有一定的提高。與目前比較成熟的直流融冰技術相比較，雖然在融冰效率上低了許多，但是可以在導線斷開的情況下繼續作業。針對效率低的情況，可以每隔一段距離布置一個除冰機器人來進行解決。但是仍有一些關鍵的問題阻礙著除冰機器人的大規模使用，比如，該機器人無法自動攀爬上導線上進行作業，其雖然可以搭載越障裝置，但是越障能力也有一定的限制，而且其電池的續航與重量也是在未來需要解決的一個問題。（二）預計可能的研究突破和創新點本文針對目前我國常用的各橫截面直徑尺寸不同的高壓輸電線纜設計一款可以通用的除冰機器人。結合實際情況，具體的設計內容如下：1.根據覆蓋在輸電線路上的各種冰的形成，以及不同種類覆冰的硬度，按照硬度最大的情況進行除冰結構中刀具，以及刀具支撐結構的設計，并對其進行強度校核。為了能夠將一些硬度很高的覆冰通過沖擊與銑削的方式去除，刀具的扭矩不能僅由電機提供，需要借助減速器來降低轉速的同時并提高電機輸出的扭矩，使其面對硬度高的冰層也不會發生刀具卡死的情況，保證機器人能夠持續穩定的完成除冰作業。因此需要重點設計刀具的減速器，使其在有較大的減速比的情況下并且盡可能的小，并且有著一定的使用壽命，不會因為扭矩過高而發生失效。2.根據不同規格的輸電線路的導線橫截面的直徑，設計刀具支撐結構，使其可以根據不同粗細的導線選擇不同的刀具間距離，極大的增強該機器人的適用性，并且可以避免由于固定的刀具間距離而產生的遇到較粗的導線將其壓裂或者遇到較細的導線不能很好的完成除冰的問題。五．主要參考文獻[1]李寧.覆冰輸電線路高頻高壓除冰技術研究[D].長沙理工大學,2010.[2]黃新波,劉家兵,蔡偉,王小敬.電力架空線路覆冰雪的國內外研究現狀[J].電網技術,2008(04):23-28.[3]MontambaultS,PouliotN.TheHQLineROVer:contributingtoinnovationintransmissionlinemaintenance[C]//IEEEInternationalConferenceonTransmission&DistributionConstruction.IEEE,2003:33-40.[4]王剛.高壓架空輸電線路除冰機器人研究[D].西安電子科技大學,2014.[5]DebenestP,GuarnieriM,TakitaK,etal.Expliner-Robotforinspectionoftransmissionlines[J].IEEJTransactionsonPowerandEnergy,2008.[6]任志斌.高壓輸電線巡檢機器人控制系統的研究與實現[D].上海大學,2010.[7]GongpingWU,XiaoX,XiaoH,etal.DevelopmentofaMobileInspectionRobotforHighVoltagePowerTransmissionLine[J].電力系統自動化.[8]李振宇.220kv高壓輸電線路巡線機器人控制系統的研制[D].武漢大學,2005.[9]BaiY,WuG,XiaoH,etal.OverheadHigh-VoltageTransmissionLineDeicingRobotSystemandExperimentStudy[C]//IntelligentRoboticsandApplications-ThirdInternationalConference,ICIRA2010,Shanghai,China,November10-12,2010.Proceedings,PartII.DBLP,2010.[10]柏龍,周曉霞,陳曉紅,張俊芳,孫園喜,彭艷,羅均,蒲華燕,謝少榮.一種高壓多分裂架空輸電線路巡檢越障機器人[P].CN112152150A,2020-12-29.[11]吳功平,朱家樂,樊飛.一種多分裂架空高壓輸電線路移動機器人及其可重構方法[P].CN109861133B,2020-06-09.[12]林堅磊,劉文華,陳雪,侯智強,宋赫.高壓線除冰機器人本體結構設計[J].寧波職業技術學院學報,2015,19(02):63-66.[13]劉建偉,黃祖欽,廖燕軍,呂寧.高壓線防冰除冰機器人的設計[J].機床與液壓,2014,42(21):42-45.[14]Yan,Li.IntelligentControlTechnologyofUltra-HighVoltageGrid[J].JournalofAdvancedComputationalIntelligence&IntelligentInformatics,2019.[15]劉澤洪.±1100kV特高壓直流輸電工程創新實踐[J].中國電機工程學報,2020,40(23):7782-7792.DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.201451.[16]王耀南,魏書寧,印峰,楊易旻,譚磊,曹文明.輸電線路除冰機器人關鍵技術綜述[J].機械工程學報,2011,47(23):30-38.[17]夏輝軍.輸電線路防冰減災技術研究及覆冰在線監測系統設計與實現[D].電子科技大學,2011.[18]WeiFA,SzbD,WzC,etal.Anefficientdynamicformulationforthevibrationanalysisofamulti-spanpowertransmissionlineexcitedbyamovingdeicingrobot[J].AppliedMathematicalModelling,2022,103:619-635.六．分析研究的可行性、基本條件及能否取得實質性進展（一）研究的可行性高壓輸電線路的正常運行關系著國家的生產與發展。而高壓線路結冰則嚴重影響著人們的正常生活與生產，甚至給國家的經濟發展帶來巨大的損失。尤其是2008年我國發生的重大冰雪災害，造成了約1500億的經濟損失，約一億人遭受到不同程度的影響。因此，開發一個可以高效，安全，穩定的除冰機器人顯得尤為重要。（二）基本條件及能否取得實質性進展經過前期的文獻資料收集和自身的理論基礎，在導師的指導下可以取得實質性進展七．選題的研究方法和進度安排（一）研究方法1.文獻研究法對目前國內常用的輸電線路的輸電方案與線路規格進行了簡單的總結。2.案例研究法對輸電線路上常見的覆冰進行了簡單的介紹，并根據這些介紹，確定除冰機器人具體的除冰方案。最后，明確除冰機器人的行走機構。（二）進度安排1.撰寫開題報告2022年8月1日—2022年8月31日，通過查閱規定數量的相關文獻，積累資料，完成調研后撰寫《開題報告》。2.論文初稿寫作2022年9月1日—2022年11月10日，完成畢業論文初稿寫作，并將論文初稿提交指導老師。3.