一种自适应调节轮及其控制方法研究

蔡邱申 甄志明

（广东电网有限责任公司江门供电局，广东江门529000）

0 引言

目前，在电网运维过程中，对于威胁电网安全运行的树障，常见的清除方法有以下几种：

（1）人工使用砍刀或链锯进行树障清除，该方法对人工体力消耗较大，使用过程中稍有不慎便会对人的身体健康造成伤害；

（2）使用高空斗车搭载人员进行高空清除，该方法只能适用于平坦地面，地形适用率较低；

（3）使用爬树砍伐装置砍伐树木，该装置在使用过程中需人工调节松紧带，以适应树木直径从粗到细的变化。该方法需人工进行同步调节，使用起来极其不方便，故需对该环节进行改进。

1 爬树装置存在的问题

现有爬树装置由两个带有固定轮的等径半圆不锈钢管组成，安装时将两个带有固定轮的半圆管放置在等径圆柱体两侧，使用绳子将两个半圆管收紧，使其与等径圆柱体保持夹紧状态，启动电机使其上下攀爬。这种装置搭载普通轮子只能适用于等径大小的圆柱，不适用于直径从下往上呈现从大到小的树木。

2 确定课题

现研制一种搭载自适应调节轮的爬树装置，与使用松紧绳进行人工调节松紧的爬树装置相比，该自适应调节轮可实现自动调节爬树装置的整体直径大小，使其能够保证上树阶段的轮子对树的压力，最终保证爬树装置自动上树。这一方面摆脱了人工调整的危险，提高了人员的人身安全；另一方面可实现人工调节所到不了的高度，实现爬树装置在任意高度进行作业的要求。

3 爬树装置的设计

3.1 提出方案

根据树木生长规律，树木从下往上其直径呈现从粗到细的规律，使爬树装置能够抱紧树干的传统方法是使用松紧绳进行人工调整，这种方法只能满足低空不高于2 m的作业高度。基于此，研制了一种自适应调节轮装置，其需满足以下几个条件：

（1）作业高度应高于2 m以上。

要保证作业高度高于人工作业高度，需要使用远程遥控的方式或者使用传感器加芯片的方式进行调节。远程遥控会出现调节不灵敏的情况，进而导致整个爬树装置对树干的压力过大或者过小，压力过大时会使爬树装置无法上树及下树，压力过小时会出现爬树装置抓不紧的情况，最终导致爬树装置坠落。而使用传感器加芯片进行调节的方式，可避免出现爬树装置对树干的压力过大或过小的问题。

（2）轮子的耐磨性能应满足爬树装置完成整个上树下树过程。

根据耐磨性能的要求对轮子进行选择，有橡胶定向轮及麦克纳姆轮两种。麦克纳姆轮单轮由16个辊子组成直径152 mm、宽44 mm的外轮廓面，是一种高灵活度的全向轮；而定向轮则采用天然橡胶材料，方向一旦固定便无法调整。现对两种轮子的耐磨性能进行测试，发现橡胶定向轮在耐磨性能上远胜于麦克纳姆轮，且爬树装置对轮子方向的要求并不高，最终选择橡胶定向轮。

（3）根据轮子对树的压力不同，自动调节轮子的长度。

只有保证轮子对树的压力不变，才能够保证爬树装置抱紧树干，故需该爬树轮能够根据爬树装置重量的不同来调节轮子自身长度。

根据方案需求，结合当前技术思路，得出方案图，如图1所示。

图1 方案图

3.2 设计初步使用图

首先绘制出控制图，如图2所示，并查找元器件相关资料。

使用AutoCAD画出模型图，如图3所示。

图2 控制图

3.3 技术原理

自适应调节轮主要分为以下几个模块：

（1）硬件调节模块：在轮子上方加装弹簧及可调节收缩杆，在弹簧及收缩杆的上方加装压力传感器。

（2）传感器模块：由压力传感器组成，作用于轮子与树干之间，实时收集轮子对树干的压力值大小。

（3）芯片控制模块：使用可编程芯片，实时收集压力传感器的数值，编写程序进行分析，通过压力值的大小调节收缩杆的长度，进而调节弹簧及整个轮子的高度，完成爬树装置的上下树过程。

（4）电池模块：由高密度锂电池及稳压电路组成，实现对芯片模块、传感器模块以及硬件调节模块的供电，确保整个系统能够正常运行。

3.4 技术关键点

（1）电源选用高密度可充锂电池，由于体积空间的限制，选用电池容量为500 MAh，充满电时间为30 min，连续作业可使用3 h。

（2）硬件调节模块中使用的收缩杆，其材料选用高硬度的铝合金材料，可承受700 MPa的压力，收缩杆外接电源正负极，信号线接可编程芯片，芯片通过信号线传输伸出与缩回的信号，当芯片发出“1”指令时，收缩杆执行伸出的指令，当芯片发出“0”指令时，收缩杆执行缩回的指令，进而调节收缩杆的长度。

（3）传感器模块使用应变片压力传感器，是在较薄的树脂材料的点绝缘体上，先将金属箔刻成栅格的形状，再安装引出导线的结构。应变片使用半导体材料制成，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应，这种效应的简述如下：当半导体材料中的一个轴受到外界的作用力时，它的电阻率会随之变化。本次设计将应变片固定在弹簧及收缩杆的上方，即轮子与爬树装置的接触面上，当接触位置发生应变时，应变片上的敏感栅也会随之变形，进而使电阻发生变化，将采集的数值通过芯片分析计算，进而转换为所需要的电阻值。

4 产生的效益

本项目成果效益明显，经过调试实验，搭载自适应调节轮的爬树装置摆脱了人工调节，提高了人员使用爬树装置的安全性，减少了作业时间，给日常砍树工作带来了积极效益，符合人机功效原则。该成果还可以在车辆减震系统等领域中应用，一经研发便可批量投入使用，具备较佳的应用价值和推广意义。

（1）经济效益：每次作业减少人员数量2人，平均砍树时间为1.45 h，操作人员时薪按60元计算共减少费用约1.45×60×2=174元；每次作业减少工作人员工时约0.87 h，每次作业减少操作人员工耗费约0.87×60×2=104.4元。

（2）安全效益：通过现场实验，发现使用搭载自适应调节轮的爬树砍树装置，只需在作业前期对装置进行安装，作业过程实现了无人操作，一方面减少了作业人员工作量，另一方面大大提高了作业人员的安全性，通过避免装置在爬树过程中人员与植物直接接触，降低了触电风险，减少了人身伤害，提高了安全系数。

（3）无形效益：该自适应调节轮使用了锂电池，对环境污染可忽略不计，并且该装置的能耗低，充一次电可连续作业3 h，减少了工作步骤时间，从而缩短了作业总耗时，达到提高工作效率的效果。

5 结语

该自适应调节轮的研制，解决了爬树装置攀爬不等径树木的难题，提高了人员的安全性。本次只针对爬树装置进行试验，自适应调节轮还可以应用在车辆减震系统等领域，下一步将对自适应调节轮进行进一步试验，希望能够在更多的领域得到应用，造福人类。