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基本信息
- 項目名稱：
- 架空輸電線除冰器
- 小類：
- 機(jī)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(zāi)，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(yīng)用機(jī)械敲擊方法去除覆冰,設(shè)計了【架空輸電線除冰器】 該除冰器由電動機(jī)通過皮帶驅(qū)動帶有凹槽的行走輪在架空輸電線上行走，在行走輪一側(cè)的彈性臂上裝有三個敲擊頭，行走輪轉(zhuǎn)動行走時，敲擊頭隨之轉(zhuǎn)動并敲擊電線上的覆冰，使之脫落。 通過采用開放式結(jié)構(gòu)，該除冰器可由遙控油動直升機(jī)，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(cè)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(guān)，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(qū)動，電機(jī)采用40W直流電機(jī)，行走速度1米每秒，敲擊頻率3次每秒，未來通過電磁感應(yīng)技術(shù)將可以直接從輸電線上獲取電能，驅(qū)動交流電機(jī)，除冰能力將有很大提高. 該除冰器采用機(jī)械敲擊方式實現(xiàn)除冰功能，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，易于維護(hù)，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(yùn)行，提供了一種實用可靠的專用設(shè)備。該產(chǎn)品具有一定的市場應(yīng)用前景。
- 詳細(xì)介紹：
- 研制背景及設(shè)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(guān)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(yán)重的雪災(zāi)，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(yán)重威脅著電力傳輸及通訊網(wǎng)絡(luò)的可靠性。 為解決上述問題，有人提出向電網(wǎng)輸入較大的電流，提高電線溫度來阻止結(jié)冰，但是由于氣溫很低，要想阻止結(jié)冰必然要耗費(fèi)極大的電能，并且在技術(shù)上還有障礙。根據(jù)實驗數(shù)據(jù),機(jī)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(jī)械法仍遠(yuǎn)優(yōu)于熱力法，有極大應(yīng)用價值。而一般情況下，機(jī)械方法的除冰效率高于1%，在3%～4%之間,這意味著機(jī)械法耗能比熱力法小100多倍。 已通過實驗證明，機(jī)械法中敲擊法又比切削法效率高，節(jié)省能量。為此，提出應(yīng)用機(jī)械敲擊方式除冰，通過計算模擬及實驗設(shè)計了架空輸電線除冰器。 工作原理 該除冰器由電機(jī)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(cè)的彈性臂上裝有三個敲擊頭，當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動行走的時候，敲擊頭隨之轉(zhuǎn)動并敲擊電線上的覆冰。 通過采用開放式結(jié)構(gòu)，該除冰器可方便地安放在輸電線上。 通過在除冰器兩側(cè)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(guān)，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(qū)動，電機(jī)采用150W直流電機(jī)，行走速度1米每秒，敲擊頻率3次每秒，若能通過電磁感應(yīng)技術(shù)從輸電線上獲取電能來驅(qū)動交流電機(jī)，除冰能力將有很大提高。 主要設(shè)計內(nèi)容:行走輪的設(shè)計,.傳動部分的設(shè)計,敲擊部分的設(shè)計,動力部分的設(shè)計,電源的選擇.控制系統(tǒng)的設(shè)計,工作性能試驗及調(diào)試改進(jìn)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(jī) 1臺,敲擊錘 2個,機(jī)架 1個,皮帶輪 2組,電池 1塊. 總體設(shè)計: 爬坡功率計算: 以爬坡能力為15°坡度選擇電動機(jī)，預(yù)估除冰器總重為25kg,為確保除冰效果，設(shè)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(guān)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(shè)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(nèi)的覆冰或使10cm范圍內(nèi)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(jī)。 電源及電動機(jī)的選擇: 為使除冰器能夠獨(dú)立運(yùn)動即不外接電線，本設(shè)計選用蓄電池，采用直流電動機(jī)。（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(qiáng)的電源解決方案。 ? 蓄電池參數(shù)： 電壓12v 容量14Ah ? 電動機(jī)參數(shù)： 額定電壓： 12V 額定功率： 150W 轉(zhuǎn)速： 300r/min（自帶減速器電機(jī)） 外形尺寸：直徑90mm，長 220mm 啟動轉(zhuǎn)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(jī)，所以傳動部分沒有減速） ? 除冰器對行走速度無嚴(yán)格要求，且?guī)鲃觽鲃悠椒€(wěn)，能緩沖吸振、結(jié)構(gòu)簡單、軸間距大、成本低，所以選擇帶傳動。 ? 經(jīng)帶傳動設(shè)計計算，選擇了長度基準(zhǔn)L=800 的Z型帶。 ; 機(jī)體部分的設(shè)計; 為了減輕重量，機(jī)身采用5mm厚鎂合金板。 重心的控制; 在整體設(shè)計時盡量使重心位于輪子正下方，裝配好之后可以通過調(diào)節(jié)電池的位置來調(diào)節(jié)重心。 工作周期: 設(shè)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(shè)計 ? 軸固定不動，輪子通過軸承固定在軸上，由皮帶帶動旋轉(zhuǎn) ? 軸承選用6204，輪子兩側(cè)各一個 ? 強(qiáng)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(jìn)行計算 此處彎矩M=FxL 抗彎截面模量：Wz=∏d3/32 最大彎曲正應(yīng)力：δmax=M/W ? δmax遠(yuǎn)小于軸所用材料45鋼的屈服強(qiáng)度 ，即軸強(qiáng)度滿足； ? 太細(xì)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(yuǎn)大于強(qiáng)度需要。 行走輪: 由于沒有相關(guān)數(shù)據(jù)，暫通過參考類似材料的滾動摩擦系數(shù)結(jié)合試驗來選擇輪子材料及設(shè)計行走輪外形。 材料的選擇:保證足夠的摩擦,耐磨性,抗風(fēng)化,密度小 綜合以上因素，選用尼龍 抗拉強(qiáng)度 δb=320MPa 屈服點 δs=215MPa 行走輪內(nèi)徑r: 除冰器的行走速度已經(jīng)確定V=1m/s，，即為定值。綜合考慮輪子的大小及轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)動； ? 當(dāng)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(dāng)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(jī)械部分: ? 為了使除冰器能在兩個電線桿之間來回往復(fù)運(yùn)動，設(shè)計了自動反向控制部分 ? 探測桿可以沿導(dǎo)軌左右滑動； ? 當(dāng)探測桿左端受到電線桿對它的碰撞力F之后，探測桿沿機(jī)體上的導(dǎo)軌向右滑動，將雙擲開關(guān)從左側(cè)撥向右側(cè)； ? 當(dāng)探測桿右端受到電線桿對它的碰撞力F之后，探測桿沿機(jī)體上的導(dǎo)軌向左滑動，將雙擲開關(guān)從右側(cè)撥向左側(cè)； ? 機(jī)體和探測桿上均設(shè)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(dāng)開關(guān)擲于左側(cè)時，通過電動機(jī)M的電流方向是A 到 B，此時電動機(jī)正轉(zhuǎn)，除冰器正向前進(jìn)； ? 當(dāng)開關(guān)擲于右側(cè)時，通過電動機(jī)M的電流方向是B 到 A，此時電動機(jī)反轉(zhuǎn)，除冰器反向前進(jìn)； ? 開關(guān)的撥動由機(jī)械部分控制； 防傾覆計算: ? 除冰器工作時，必然會有風(fēng)力的影響； ? 除冰器最大截面積 ； ? 風(fēng)級：8，風(fēng)速： ； 形容：大樹枝折斷,大風(fēng) ? 設(shè)計抗風(fēng)能力為8級，風(fēng)壓 ； ? 則風(fēng)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(shè)除冰器傾斜并進(jìn)行以下計算，示意圖如上： 重力力矩 M=GxBC 風(fēng)力力矩 M=FxAB 可見重力力矩 風(fēng)力力矩 ，即風(fēng)力使除冰器產(chǎn)生的傾斜不會超過 ，所以風(fēng)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(zhuǎn)移平臺，當(dāng)碰到鐵塔時，除冰器停止前進(jìn)，轉(zhuǎn)移平臺開始工作，轉(zhuǎn)移平臺上的伸出臂伸到鐵塔的另一側(cè)，并固定在另一側(cè)的電線上，然后工作部分被轉(zhuǎn)移過去，再收回伸出臂，繼續(xù)工作。如此往復(fù)即可。不過轉(zhuǎn)移平臺對自動控制的要求很高，難度很大，由于時間和經(jīng)費(fèi)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(yīng)”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(diào)節(jié)，行走穩(wěn)定性改進(jìn)，爬坡能力試驗 創(chuàng)新點及應(yīng)用:采用機(jī)械敲擊方式除冰，能耗低；可實現(xiàn)自動換向，反復(fù)敲擊；將敲擊與行走巧妙的整合在一起，簡化機(jī)構(gòu)，減輕重量； 采用遙控控制，操作簡便；采用開放式行走結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于放置。 推廣應(yīng)用價值: 該除冰器采用機(jī)械敲擊方式實現(xiàn)除冰功能，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，易于維護(hù)，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(yùn)行，提供了一種實用可靠的專用設(shè)備。該產(chǎn)品具有一定的市場應(yīng)用前景。 (詳細(xì)數(shù)據(jù)計算請參閱論文文檔)
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作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 發(fā)明目的： 2008年2月，我國發(fā)生了歷史罕見的雪災(zāi)，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(shè)計了【架空輸電線除冰器】 基本思路： 該除冰器由電機(jī)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(cè)的彈性臂上裝有三個敲擊頭，當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動行走的時候，敲擊頭隨之轉(zhuǎn)動并敲擊電線上的覆冰。通過采用開放式結(jié)構(gòu)，該除冰器可由遙控油動直升機(jī)，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(cè)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(guān)，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(qū)動，電機(jī)采用40W直流電機(jī)，未來通過電磁感應(yīng)技術(shù)將可以直接從輸電線上獲取電能，驅(qū)動交流電機(jī)，除冰能力將有很大提高。 技術(shù)創(chuàng)新點： 1.采用機(jī)械敲擊方式除冰,能耗低. 2.可實現(xiàn)自動換向,反復(fù)敲擊. 3.采用遙控控制，操作方便. 4.將敲擊與行走巧妙的結(jié)合在一起,簡化結(jié)構(gòu),減輕重量. 5.采用開放式行走結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于放置. 技術(shù)關(guān)鍵及主要指標(biāo): 行走輪的設(shè)計、傳動部分的設(shè)計、敲擊部分的設(shè)計、動力部分的設(shè)計、電源的選擇、控制系統(tǒng)的設(shè)計、工作性能試驗及調(diào)試改進(jìn)、跨越鐵塔（電線桿）的探究、在多股輸電線上工作的探究
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1.目前尚無此類自動化除冰設(shè)備，該除冰器是一種全新的專用除冰設(shè)備； 2.采用彈性臂帶敲擊頭隨輪敲擊設(shè)計，將敲擊與行走巧妙的整合在一起，極大的簡化了機(jī)構(gòu)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(guān)實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)向； 5.采用開放式行走結(jié)構(gòu)設(shè)計，方便往輸電線上安裝放置。 6.該設(shè)備通過機(jī)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(jié)果
- 2008年10月該作品在第三屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽中獲得二等獎
作品所處階段
- 調(diào)試成功,已進(jìn)入中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 協(xié)議
作品可展示的形式
- 實物
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 使用說明：該除冰器由電機(jī)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(cè)的彈性臂上裝有三個敲擊頭，當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動行走的時候，敲擊頭隨之轉(zhuǎn)動并敲擊電線上的覆冰。 通過在除冰器兩側(cè)安裝探測器，可自動換向。 技術(shù)性特點及優(yōu)勢： 1.采用機(jī)械敲擊方式除冰,能耗低. 2.可實現(xiàn)自動換向,反復(fù)敲擊. 3.采用遙控控制，操作方便. 4.將敲擊與行走巧妙的結(jié)合在一起,簡化結(jié)構(gòu),減輕重量. 5.采用開放式行走結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于放置. 推廣范圍：南方易受凍雨災(zāi)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(yīng)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(yù)估易受凝凍災(zāi)害的電網(wǎng)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(jīng)濟(jì)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(yīng)用最普遍的有兩種，即融解法和機(jī)械法。融解法是依靠熱作用或撒布化學(xué)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(jīng)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(jī)械法是通過機(jī)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(zhuǎn)移，應(yīng)用范圍比較廣。 隨著設(shè)備的液壓化、電氣化、自動化研究進(jìn)行，旨在創(chuàng)新產(chǎn)品的工作不斷發(fā)展。道路和高速公路除冰雪應(yīng)急處置機(jī)制的探討，電塔、電桿、電線的除雪鏟冰技術(shù)，機(jī)場、鐵路鏟冰除雪新方法、新技術(shù)，除雪鏟冰新機(jī)械、新技術(shù)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(jī)械和熱能除雪速度慢，而且由于路網(wǎng)癱瘓，他們的除雪車難以通行的難題。我國原用的設(shè)備鏟冰除雪緩慢，易損、不可靠，有后遺癥的問題。 這些新設(shè)備擁有我國自己的知識產(chǎn)權(quán)，采用電腦、激光，可以精確控制工作位置、推進(jìn)速度，大大提高了勞動效率和工作質(zhì)量。這些設(shè)備如果廣泛推廣到交通、電力、機(jī)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(jīng)濟(jì)效益，定能充分顯出它的巨大技術(shù)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(chǎn)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(jīng)濟(jì)，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(chǎn)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(guān)、運(yùn)行。
