高压线机械除冰车的设计毕业设计论文.docx
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高压线机械除冰车的设计毕业设计论文
毕业设计（论文）
名:
院:
学习形式:
助学单位:
指导教师:
毕业设计（论文）
别:
业:
机械设计与制造
级:
A：
指导教师:
毕业设计（论文）任务书
1.题U：
高压线机械除冰车的设计二、基础数据
除冰车必须能够除去线径20〃"“左右的高压线上包裹的直径为
60“"以上的冰柱，并保证其悬挂在高压线上除冰时的速度达到700米/小时，且除冰刀能够达到300r/inm以上的转速。
为了实现除冰车的慢速运行，本设计•选用表3・2中的pattnuMl电动机通过链传动带动后轮行走。
电动机上的链轮齿数Z|=17,后轮轴上的链轮齿数Z,=17,链传动的传动效率一般取〃=0.95-0.98（本设讣取7=0,95）,选用PattmanOl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Z|=30,后轮轴上的链轮齿数23=17链
传动的传动效率取7=0,95
三、内容要求：
L说明部分:
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一-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,釆用挤压、震动、切削的三重除冰效果，真正起到预防灾害的U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。
论文主要包括以下儿个方面的内容：
除冰刀轴的计算，锁紧机构、调节机构的设讣;
控制部分的设讣;
后轮轴的转速:
3.绘图部分:
四、发给
日期:
五、要求完
成日期:
指导教师:
高压线机械除冰车的设计
近年来•我国南方部分地区频繁发生雨雪冰冻灾害，导致输电线表面结冰、重力增大，高压输电线路大而积受损-为了避免高压线被压坏，保证电力输送的正常进行，就需要将高压线覆冰及时消除。
在通过分析现有除冰技术齐种利弊后，提岀本文的机械除冰车方案。
本文的目的是设计并制造一种新型的高斥线机械除冰车。
论文首先提出了除冰车的整体方案设计及所需解决的主要问题，包括悬挂问题、传动及驱动方式、除冰刀、行走轮和驱动轮的设计。
然后进行了包括轴和除冰刀的设计计算、锁紧机构和调节机构设汁的机械部分设il•计算以及控制部分的设讣，并给出了轴和除冰刀的加工工艺。
论文最后总结了本设讣的创新点及特点，并展示了部分实物及试验照片。
本文设计的高压线除冰车不仅除冰方式独特、除冰效率高，而且貝自动调廿的结构可以减少除冰车在除冰时对高压线的损伤，：
It体积小，方便人工携带，操作简单，具有广阔的应用前景。
关键词：
高压线机械除冰车机械设讣控制设讣
Abstract
Inrecentyears,snowandicestormsoccurfrequentlyinpartsofsouthernChina.
transmissionlineswerecoveredbyheavyiceandalargedamagewascaused•Inordertoavoidtransmissionlinesbeingcrushedandensurethenormalpowertransmission,theheavyicecoveredinhigh-voltagemustbeeliminatedintime.Soweproposeamechanicalde-icingVehicleinthispaperthroughanalyzingvarietyofprosandconsoftheexistingde-icingtechnology.
Thepurposeofthispaperistodesignanmanufactureanewtypeofmechanicalde-icingvehicleforhigh-voltagelines.Firstweproposedade-icingvehicle^soveralldesignandmajorproblemsneededtobesolved,includingtheissueofsuspension.
transmissionanddrive,inadditiontothedesignoficeskates,runningwheelsanddrivingwheels.Thenwedesignandcalculatethemechanicalpartsofthede-icingVehicle,includetheaxisandiceskate's,lockingandadjustingmechanism'sdesign,andcontrolparts.Thenwegavetheprocessingofaxisandiceskate.Intheendofthepaper,weconcludesinnovationsandshowsomephysicalandtestphotos.
Thede-icingmachineryforhigh-voltageproposedinthispapernotonlyhasuniquede-icingway,highde-icingefficiency^butalsoitstheautomaticadjustmentofthestructurecanreducetheinjurytohigh-voltagelinesduringthede-icing,itssmallsize.
convenientartificiallycarry,haswideapplicationprospects.
Keywords:
De-icingmachineryforhigh-voltagelinesmechanicaldesigncontroldesign
Abstract
1.1课题来源
1.2课题的U的和意义
1・3国内外研究现状
1・4本文的研究内容
2总体方案设计
2.1除冰车的整体设计
2.2本设il•所需解决的问题
221机械除冰车在高压线上的悬挂方式
222传动方式
223驱动方式及控制
224除冰刀
225行泄轮与驱动轮
3机械部分的设计计算
3.1后轮轴
3・1」前提假设
3丄2电机的选择
3丄3后轮轴系的估算
3.2询轮轴
3.3除冰刀及除冰刀轴
3.3J方案比较
332除冰刀轴的设讣
34锁紧机构
II
10
10
10
342
锁紧轮的选择…
343
锁紧轴系的估算
3.5
调节机构
3.5J
方案比较
3・4」方案比较
3・5・2调节结构的工作原理
12
12
13
13
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
25
参考文献
27
附录相关工程图
28
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，创新性的提出并加丄出了一种适用于线径为10-15ZWW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。
山于准备工作的不足，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，有些人其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
如图M所示。
但是成本很高。
U前国外一般釆用喷火器进行高压线除冰，
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磴破坏，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U,如图卜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W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，通过三绕组整流变圧器后，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。
但釆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，U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一-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tl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。
论文主要包括以下儿个方面的内容:
除冰车机械部分的设i|・il•算，包括前、后轮轴、除冰刀与除冰刀轴的讣算,
锁紧机构、调节机构的设ih
典型零件的加工工艺:
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，除冰车在整体设讣上要求结构尽量精简，在面压线上的悬挂和移动方式可鼎，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2-3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I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
221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、行走不稳定的悄况，除冰车也不例外。
为了解决此问题，本设计•中除冰车釆用摆动原理I儿选择两侧对称结构,其两侧下方分别挂有相对较®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⑴。
223驱动方式及控制
釆用两个12y的蕃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。
山于此次属于高空作业，为了操作简便,釆用无线遥控方式控制除冰车的工作过程⑵。
山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，所以本设讣釆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
224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，除冰刀的两侧设讣有鹰嘴型的除冰刃。
2.2.5行走轮与驱动轮
行走轮与驱动轮均设讣为凹轮，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，为除冰车在高圧线上行走提供必
通过绕度的讣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丄1前提假设
除冰车必须能够除去线径20〃""左右的高压线上包裹的直径为60〃””以上的冰
柱，并保证其悬挂在高压线上除冰时的速度达到700米/小时，且除冰刀能够达到
300z7min以上的转速。
3丄2电机的选择
直流电动机具有&好的启动、制动性能，宜于在广泛范H内平滑调速。
所以本设计•选择直流电机⑶。
表3T两直流电机的基本参数
型号
工作电压（U）
工作功率（W）
工作转速（r/nin）
Pattma/Ci
24
3&4
300
Pattm（uO2
24
3&4
100
3丄3后轮轴系的估算
图3-1后轮轴
（1）后轮轴最小直径的佔算
为了实现除冰车的慢速运行，本设计选用表3-2中的pattnuum电动机通过链传动带动后轮行走。
电动机上的链轮齿数乙=17,后轮轴上的链轮齿数Z产n,链传动的传动效率一般取〃=0.95~0.98（本设计取"=0・95），则后轮轴的输出功率：
p?
=P电X〃=3&04x0.95=36.48W
后轮轴的转速：
717
«2=—xzi,=—X100=100//min
17
选取轴的材料为45钢，调质处理，查《机械设计第八版》表153取A°=112,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〃2,仏・3。
选用063的链轮，其用•度为5〃劝，则厶.2=5加加。
紧固螺母处选用M8型号，其轴长
厶.3=O
链轮的釆用轴肩定位，定位轴肩的高度/?
一般取
h=（0.07-O.lM
d—=2x/t+〃分.3=8x0.2+8=9.6/tJfii
圆整后，取=10〃”"。
（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〃一=10加加即可。
选取0基本游隙组、标准精度级角接触球轴承
7200/IC»其尺寸dxDxB=iQmitix30/zz///x9miijo右端角接触球轴承采用轴肩定位,
〃5・6=1-2x10=12/n/n厶.6=3mniO
为增强轴的刚性将直径再升一级，取心=l8mm,=8川加。
安装行走轮处左端釆用轴用弹性挡圈定位。
当轴径d=18〃"”时，选用的轴用弹
性挡圈直径为18/WHr而安装轴用弹性挡圈处轴径£-8=17"”"，厶』=1」〃""。
考虑到直径为20〃"畀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，故选择定厶」=44〃"”，同时取〃8」=l8nuti。
右端用轴肩定位，心亠=25刖”，为了使行走轮左右长度相等、尽可能保证结构
对称，则厶占为满足合理的轴肩结构，此处改降一级后再于轴承连接,
=1,厶0屮=©
最右端安装轴承处dii_]2=10“?
"?
，41-12=9"?
w。
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2如）,算出厶・3=53山川（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。
按査表得平键截面
hxh=6mmx6/zz/ho键tfi用键槽铳刀加丄，长度为36infn»为了保证车轮与轴配合有
良好的对称性，故选用车轮轮殽和轴的配合为H7/h6o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，但山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。
从受载悄况看，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」現
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4~12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
直线连接，使过度不再平缓，增强了震动除冰的效果【⑴。
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片冰切除，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PattmanOl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乙=30,后轮轴上的链轮齿数Z,=17链传动的传动效率取"=0.95,则除冰轴的输出功率S
P]=卩电xz/=3&4X0.95=36.84W
除冰轴的转速:
«!
=—x«2=—x300=529r/min
17
除冰轴最小直径的佔算:
%=入隔=4.59讪
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
dmin=8/zz/«□此时轴均无需校核©
3.4锁紧机构
3.4.1方案比较
方案I：
锁紧机构山一个锁紧块和链接插销组合而成，如图3-4所示。
、一接辭
锁紧块
图3-4锁紧机构方案I
方案11:
通过较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，锁紧机构鼎锁紧轮来锁紧除冰车，使除冰车紧贴高压线行走，在外力的
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，也相对延氏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，也减少操作工人在商压线的动作时间，使其更安全，更可鼎。
（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【I叭
342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）锁紧轴最小直径的佔算
山上述后轮轴的佔算校核后得到小=Z）/Z2X"）=17/17x100=100〃min,而锁紧轮轴的转速是山后轮轴传递过来的，所以锁紧轮的转速则坷=100〃min。
选取轴的材料为45钢，调质处理，査阅《机械设计第八版》表15-3,取人=125,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（定位轴肩的髙度"一般取为
h=（0,07~GA）d）,厶=2x/?
+〃儿3=9x0.2+9=1X.Sinin,圆整取〃3-4=o
（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，安装轴承处的直径山=9〃皿即可。
选取0基本游隙组、标准精度级角接触球轴承7200AC,其尺寸〃x£>xB=9"""x20mtnx8/zmz?
故取厶=8p//»。
右端角接触球轴承釆用轴肩定位，故：
D=I\2nun,厶=11Hnun。
安装车轮处左端釆用轴用弹性挡圈定位。
当轴径d=12〃"“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d=\Q.5mm»厶=1・1""“。
安装锁紧轮的d=12〃切。
考虑到直径为20〃皿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L=3Qmm.
右端用轴肩定位，〃5=16〃""，
最右端安装轴承处〃7=10用川，厶=6.5"""O
（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d={2mni查表得平键截面hxh=5mmx6mm.键槽用键槽铳刀加丄，长为22"劝，为了保证车轮与轴配合有良
好的对中性，故选用车轮轮殽和轴的配合为Hl/n6.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，但山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®,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。
从受载的悄况看，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®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。
方
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