基本信息
- 项目名称：
- 架空输电线除冰器
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 2008年2月，我国发生了历史罕见的雪灾，南方输电线路大面积覆冰，输电铁塔大量倒塌，南方地区大面积电力中断。为解决上述问题，提出应用机械敲击方法去除覆冰,设计了【架空输电线除冰器】 该除冰器由电动机通过皮带驱动带有凹槽的行走轮在架空输电线上行走，在行走轮一侧的弹性臂上装有三个敲击头，行走轮转动行走时，敲击头随之转动并敲击电线上的覆冰，使之脱落。 通过采用开放式结构，该除冰器可由遥控油动直升机，微型飞艇或气球轻松地放在输电线上，避免了人在输电线上作业潜在的危险。 通过在除冰器两侧安装探测器，除冰器可以在碰到电线杆或者铁塔之后自动换向。 除冰器上装有遥控开关，可以在地面任意控制它的工作状态。 目前该除冰器样品由12伏蓄电池驱动，电机采用40W直流电机，行走速度1米每秒，敲击频率3次每秒，未来通过电磁感应技术将可以直接从输电线上获取电能，驱动交流电机，除冰能力将有很大提高. 该除冰器采用机械敲击方式实现除冰功能，结构简单，操作方便，易于维护，成本低廉。在恶劣的凝冻天气条件下，为保障通信和电力传输系统的正常运行，提供了一种实用可靠的专用设备。该产品具有一定的市场应用前景。
- 详细介绍：
- 研制背景及设计目的: “冰污染”一个不被人们所熟知的新概念，在去年春节期间引起了社会的关注。正如”光污染”,”声污染”一样，防止消除冰污染迫在眉睫。 2008年2月，我国发生了严重的雪灾，南方输电线路大面积覆冰，输电铁塔大量倒塌，以致京九铁路中断，贵州全省电力系统瘫痪，南方地区大面积电力中断。由此可见，由覆冰引起的输电线路事故，严重威胁着电力传输及通讯网络的可靠性。 为解决上述问题，有人提出向电网输入较大的电流，提高电线温度来阻止结冰，但是由于气温很低，要想阻止结冰必然要耗费极大的电能，并且在技术上还有障碍。根据实验数据,机械破冰比热力融冰所需的能量小10万～1百万倍。基于此种原因,即使其效率低至1%,机械法仍远优于热力法，有极大应用价值。而一般情况下，机械方法的除冰效率高于1%，在3%～4%之间,这意味着机械法耗能比热力法小100多倍。 已通过实验证明，机械法中敲击法又比切削法效率高，节省能量。为此，提出应用机械敲击方式除冰，通过计算模拟及实验设计了架空输电线除冰器。 工作原理 该除冰器由电机通过皮带传动带动凹槽的轮子在架空输电线上行走，在轮子一侧的弹性臂上装有三个敲击头，当轮子转动行走的时候，敲击头随之转动并敲击电线上的覆冰。 通过采用开放式结构，该除冰器可方便地安放在输电线上。 通过在除冰器两侧安装探测器，除冰器可以在碰到电线杆或者铁塔之后自动换向。 除冰器上装有遥控开关，可以在地面任意控制它的工作状态。目前该除冰器样品由12伏蓄电池驱动，电机采用150W直流电机，行走速度1米每秒，敲击频率3次每秒，若能通过电磁感应技术从输电线上获取电能来驱动交流电机，除冰能力将有很大提高。 主要设计内容:行走轮的设计,.传动部分的设计,敲击部分的设计,动力部分的设计,电源的选择.控制系统的设计,工作性能试验及调试改进跨越铁塔（电线杆）的探究,在多股输电线上工作的探究. 主要部件:行走轮 2个.特种皮带2条,电动机 1台,敲击锤 2个,机架 1个,皮带轮 2组,电池 1块. 总体设计: 爬坡功率计算: 以爬坡能力为15°坡度选择电动机，预估除冰器总重为25kg,为确保除冰效果，设计除冰器行走速度V=1m/s 爬坡功率P=FxV=65x1=65W 其中， F 代表轮子与电线之间的摩擦力 弹簧的选择和敲击除冰能力的测试: 由于没有现成的相关数据，暂通过试验来选择弹簧； 以能敲碎放置在平板上的3cm厚的冰块为原则。 敲击功率计算: 设计敲击频率为 10次/s，即每10cm敲击一次，即每次敲击可除去10cm范围内的覆冰或使10cm范围内不能形成覆冰，在雪花凝成冰之前将其震落。 要想计算敲击功率，必须知道每次敲击所消耗的能量。敲击时，敲击锤的动能完全被消耗，即敲击锤的动能就是每次敲击所需的能量. 所以敲击功率P'=NE 其中，N代表每秒敲击的次数。 总功率计算: 考虑皮带传动效率 μ 之后， p=P'/μ 为确保功率足够，选用额定功率150W的电动机。 电源及电动机的选择: 为使除冰器能够独立运动即不外接电线，本设计选用蓄电池，采用直流电动机。（若外接电线，在高压线上使用存在安全隐患） 但蓄电池续航能力欠佳，尚需寻找续航能力更强的电源解决方案。 蓄电池参数： 电压12v 容量14Ah 电动机参数： 额定电压： 12V 额定功率： 150W 转速： 300r/min（自带减速器电机） 外形尺寸：直径90mm，长 220mm 启动转矩：4.0 N•M 传动部分: 传动比：1：1 （由于采用里自带减速器的电动机，所以传动部分没有减速） 除冰器对行走速度无严格要求，且带传动传动平稳，能缓冲吸振、结构简单、轴间距大、成本低，所以选择带传动。 经带传动设计计算，选择了长度基准L=800 的Z型带。 ; 机体部分的设计; 为了减轻重量，机身采用5mm厚镁合金板。 重心的控制; 在整体设计时尽量使重心位于轮子正下方，装配好之后可以通过调节电池的位置来调节重心。 工作周期: 设计除冰速度为1m/s,以150m间距的电线杆为例， 完全工作一次的时间 T=150s=2.5min。 轴的设计 轴固定不动，轮子通过轴承固定在轴上，由皮带带动旋转 轴承选用6204，轮子两侧各一个 强度计算： 简化为悬臂梁，在距左端62.5mm处承受150N集中载荷（即除冰器重量的一半）。显然，悬臂梁固定点处弯矩最大，以此处为危险点进行计算 此处弯矩M=FxL 抗弯截面模量：Wz=∏d3/32 最大弯曲正应力：δmax=M/W δmax远小于轴所用材料45钢的屈服强度 ，即轴强度满足； 太细太长的轴和孔都难以加工，出于加工方便的考虑，所以轴径取得远大于强度需要。 行走轮: 由于没有相关数据，暂通过参考类似材料的滚动摩擦系数结合试验来选择轮子材料及设计行走轮外形。 材料的选择:保证足够的摩擦,耐磨性,抗风化,密度小 综合以上因素，选用尼龙 抗拉强度 δb=320MPa 屈服点 δs=215MPa 行走轮内径r: 除冰器的行走速度已经确定V=1m/s，，即为定值。综合考虑轮子的大小及转速之后确定r=33mm，n=300r/min。 行走轮槽深h及外形 为了防止在行走过程中脱落，行走轮必须有足够的槽深。 槽深h=40mm，试验证明此种槽形设计，行走顺畅。 敲击部分: 敲击锤安装在弹性臂上； 弹性臂用弹簧制作，弹簧一端与敲击锤相连接，另一端固定在行走轮上，随轮转动； 当敲击锤碰到电线时，发生弹性变形，在敲击完成之后滑过电线； 敲击力使覆冰破碎，把积雪震落。 控制系统: 遥控部分, 当除冰器高压的架空电线上时，使用遥控器可以方便的控制除冰器的开启状态。 自动反向控制-机械部分: 为了使除冰器能在两个电线杆之间来回往复运动，设计了自动反向控制部分 探测杆可以沿导轨左右滑动； 当探测杆左端受到电线杆对它的碰撞力F之后，探测杆沿机体上的导轨向右滑动，将双掷开关从左侧拨向右侧； 当探测杆右端受到电线杆对它的碰撞力F之后，探测杆沿机体上的导轨向左滑动，将双掷开关从右侧拨向左侧； 机体和探测杆上均设计有限位部分，可以限制探测杆的滑动范围； 自动反向控制-电路部分: 当开关掷于左侧时，通过电动机M的电流方向是A 到 B，此时电动机正转，除冰器正向前进； 当开关掷于右侧时，通过电动机M的电流方向是B 到 A，此时电动机反转，除冰器反向前进； 开关的拨动由机械部分控制； 防倾覆计算: 除冰器工作时，必然会有风力的影响； 除冰器最大截面积 ； 风级：8，风速： ； 形容：大树枝折断,大风 设计抗风能力为8级，风压 ； 则风对除冰器的作用力 ； 除冰器正常工作允许最大倾斜角为 . 假设除冰器倾斜并进行以下计算，示意图如上： 重力力矩 M=GxBC 风力力矩 M=FxAB 可见重力力矩 风力力矩 ，即风力使除冰器产生的倾斜不会超过 ，所以风力不会影响除冰器正常工作。 其它部分: 跨越铁塔（电线杆）的探究: 如果除冰器可以跨越铁塔工作，除冰器的数量就可以减少很多，从而降低成本，下面简要介绍一下跨越方法： 要实现跨越功能，需要在现有装置上加上一个转移平台，当碰到铁塔时，除冰器停止前进，转移平台开始工作，转移平台上的伸出臂伸到铁塔的另一侧，并固定在另一侧的电线上，然后工作部分被转移过去，再收回伸出臂，继续工作。如此往复即可。不过转移平台对自动控制的要求很高，难度很大，由于时间和经费限制未作深入研究。 在多股输电线上工作的探究: 很多高压输电线都是四股一相或六股一相，即一相的电流被分在四根或六根互相不接触的电线上，这样可以减小“集肤效应”从而增大传输电流。四根线被夹具分开 现有除冰器通过加大行走轮槽宽及槽深，就可以在多股输电线上工作。 工作性能试验: 重心调节，行走稳定性改进，爬坡能力试验 创新点及应用:采用机械敲击方式除冰，能耗低；可实现自动换向，反复敲击；将敲击与行走巧妙的整合在一起，简化机构，减轻重量； 采用遥控控制，操作简便；采用开放式行走结构设计，便于放置。 推广应用价值: 该除冰器采用机械敲击方式实现除冰功能，结构简单，操作方便，易于维护，成本低廉。在恶劣的凝冻天气条件下，为保障通信和电力传输系统的正常运行，提供了一种实用可靠的专用设备。该产品具有一定的市场应用前景。 (详细数据计算请参阅论文文档)
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的： 2008年2月，我国发生了历史罕见的雪灾，南方输电线路大面积覆冰，输电铁塔大量倒塌，以致京九铁路中断，贵州全省电力系统瘫痪，南方地区大面积电力中断。为解决上述问题，设计了【架空输电线除冰器】 基本思路： 该除冰器由电机通过皮带传动带动凹槽的轮子在架空输电线上行走，在轮子一侧的弹性臂上装有三个敲击头，当轮子转动行走的时候，敲击头随之转动并敲击电线上的覆冰。通过采用开放式结构，该除冰器可由遥控油动直升机，放在输电线上，避免了人在输电线上作业潜在的危险。通过在除冰器两侧安装探测器，除冰器可以在碰到电线杆或者铁塔之后自动换向。 除冰器上装有遥控开关，可以在地面任意控制它的工作状态。目前该除冰器样品由12伏蓄电池驱动，电机采用40W直流电机，未来通过电磁感应技术将可以直接从输电线上获取电能，驱动交流电机，除冰能力将有很大提高。 技术创新点： 1.采用机械敲击方式除冰,能耗低. 2.可实现自动换向,反复敲击. 3.采用遥控控制，操作方便. 4.将敲击与行走巧妙的结合在一起,简化结构,减轻重量. 5.采用开放式行走结构设计，便于放置. 技术关键及主要指标: 行走轮的设计、传动部分的设计、敲击部分的设计、动力部分的设计、电源的选择、控制系统的设计、工作性能试验及调试改进、跨越铁塔（电线杆）的探究、在多股输电线上工作的探究
科学性、先进性
- 1.目前尚无此类自动化除冰设备，该除冰器是一种全新的专用除冰设备； 2.采用弹性臂带敲击头随轮敲击设计，将敲击与行走巧妙的整合在一起，极大的简化了机构和减轻了重量。 3.采用遥控控制，可以根据气候条件控制其工作状态； 4.采用探测开关实现自动转向； 5.采用开放式行走结构设计，方便往输电线上安装放置。 6.该设备通过机械直接作用解除冰雪的危害，对环境及植被无危害。
获奖情况及鉴定结果
- 2008年10月该作品在第三届全国大学生机械创新设计大赛中获得二等奖
作品所处阶段
- 调试成功,已进入中试阶段
技术转让方式
- 协议
作品可展示的形式
- 实物
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：该除冰器由电机通过皮带传动带动凹槽的轮子在架空输电线上行走，在轮子一侧的弹性臂上装有三个敲击头，当轮子转动行走的时候，敲击头随之转动并敲击电线上的覆冰。 通过在除冰器两侧安装探测器，可自动换向。 技术性特点及优势： 1.采用机械敲击方式除冰,能耗低. 2.可实现自动换向,反复敲击. 3.采用遥控控制，操作方便. 4.将敲击与行走巧妙的结合在一起,简化结构,减轻重量. 5.采用开放式行走结构设计，便于放置. 推广范围：南方易受冻雨灾害地区 分析及说明：相对于热力熔冰法，该除冰器节能100倍以上，并且在一些无法应用热力法的输电线上使用不受限制。以每个除冰器1800元的价格计算，预估易受凝冻灾害的电网总长为500公里，每200米配备3个除冰器，则总共2500个，则总投资为450万，即可避免数以千亿的经济损失。耗电方面，以每个除冰器50瓦计算，共2500个，则总功率为125000瓦，相对于热力法能耗很低。
同类课题研究水平概述
- 目前，世界各国采用的除雪(冰)方法，应用最普遍的有两种，即融解法和机械法。融解法是依靠热作用或撒布化学药剂使冰雪融化，其优点是除净率高，但这种方法成本高，且容易造成环境污染。虽然环保型融雪剂已经问世，对环境和植被的影响减少了，但并未彻底根除，因此使用范围受到一定的限制。机械法是通过机械直接作用解除冰雪的危害，虽然除净率较低，但是对环境及植被无污染，能实现冰雪的异地转移，应用范围比较广。 随着设备的液压化、电气化、自动化研究进行，旨在创新产品的工作不断发展。道路和高速公路除冰雪应急处置机制的探讨，电塔、电杆、电线的除雪铲冰技术，机场、铁路铲冰除雪新方法、新技术，除雪铲冰新机械、新技术的研究，云南发明城创新发明了《小型自动除冰器》，《特制充电器》，《道路冰雪、塌方清理车》，《快速排除铁道冰雪车》，它们解决了外国的机械和热能除雪速度慢，而且由于路网瘫痪，他们的除雪车难以通行的难题。我国原用的设备铲冰除雪缓慢，易损、不可靠，有后遗症的问题。 这些新设备拥有我国自己的知识产权，采用电脑、激光，可以精确控制工作位置、推进速度，大大提高了劳动效率和工作质量。这些设备如果广泛推广到交通、电力、机场上面，必将改变其落后面貌，快速清除冰雪，平时还可清除泥石流、塌方，随之带来更大的经济效益，定能充分显出它的巨大技术优势。 云南.发明城对于电力输电系统除冰方面的新产品有两个： 1：在冰雪不多的南方，用创新发明的《小型自动除冰器》挂在电缆上，让它沿电缆自动爬行除冰，这个方法，经济，只在需要铲冰除雪的时候才拿出来安挂和收取，平时可在仓库完好地保存《自动除冰器》。 2：在常年都有冰雪的北方，可在危险地段电缆的两端各并联一个《特制充电器》，利用充放电性能，在这段电缆上产生振荡发热，除去冰雪，这个特制充电器由电脑控制，可随时监测线径和悬垂度，根据情况自动开关、运行。
