一种架空线路无人机吊挂式除冰装置及作业方法

本发明涉及架空线路除冰设备，具体为一种架空线路无人机吊挂式除冰装置及作业方法。

背景技术：

1、冬季低温覆冰会大幅提升高压架空线路荷载，引发导线断线、杆塔倾倒、线路跳闸等重大电力安全事故，无人机悬吊式除冰机器人因起降灵活、无需停电登塔作业，成为架空线路除冰的主流设备。

2、目前市面上主流无人机悬吊敲击式除冰设备均存在以下技术缺陷，且现有技术无法解决：

3、1、单次作业覆盖范围窄、整机振动剧烈，无人机悬吊敲击式除冰设备悬吊稳定性差。现有设备仅设置单套敲击机构，单次仅能对架空线路单一纵向点位敲击除冰，单次作业覆盖线路长度短，除冰效率低；同时敲击产生的全部反作用力直接传递至无人机悬吊机架，整机持续大幅振动，无人机悬吊敲击式除冰设备悬停姿态难以稳定，极易出现机架偏移撞击输电导线，划伤线路绝缘层甚至卡线坠机。

4、2、无缓冲防护结构，机架与线路硬性碰撞损伤设备与导线。现有无人机除冰机架一般均未设置缓冲装置，当运载无人机飞行漂移、线路弧度偏差时，机架会从上下、左右两个方向与架空线路发生硬性碰撞，一方面挤压破损导线外绝缘皮，引发线路漏电隐患，另一方面长期冲击造成机架、敲击机构变形损坏，设备使用寿命短。

5、因此，针对上述现有技术的共性难题，研发一款具有单次除冰覆盖范围大、除冰效果高、整机稳定性高、防护效果好的架空线路无人机吊挂式除冰装置，是十分有必要的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：提供一种架空线路无人机吊挂式除冰装置及作业方法，以解决现有技术中存在的上述缺陷。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提出的一种架空线路无人机吊挂式除冰装置，包括运载无人机、牵引吊挂组件、除冰机器人本体，所述除冰机器人本体包括机器人机架、同轴正反转敲击除冰机构、顶部弹簧缓冲机构及侧边弹簧缓冲机构；

4、所述运载无人机通过牵引吊挂组件悬吊连接机器人机架，所述机器人机架内部设置贯通通道，所述贯通通道用于套接于覆冰架空线路外侧；

5、所述同轴正反转敲击除冰机构设置有两套并对称安装在机器人机架上端面前后两侧，两套同轴正反转敲击除冰机构同步对架空线路上前后两处位置进行除冰作业；

6、所述顶部弹簧缓冲机构整体水平布置于机器人机架上部贯通通道上方，用于吸收机器人机架与架空线路竖向碰撞产生的冲击力；所述侧边弹簧缓冲机构对称布置于机器人机架的贯通通道左右两侧，用于吸收机器人机架与架空线路侧向碰撞产生的冲击力。

7、优选地，所述牵引吊挂组件包含柔性牵引吊绳、u型吊钩，所述u型吊钩设置有若干个，所述柔性牵引吊绳上端捆绑固定于运载无人机底部中心挂载点位，柔性牵引吊绳下端均分连接在若干个u型吊钩上；所述机器人机架上端面两侧对应均布有若干个环形挂点，所述u型吊钩对应卡入环形挂点内部实现锁紧限位。

8、优选地，每套同轴正反转敲击除冰机构均包括敲击电机、齿轮传动组件及敲击组件，所述敲击电机联动内置的齿轮传动组件同步驱动两组敲击组件反向旋转，实现架空线路两侧冰层的敲击剥离；单套同轴正反转敲击除冰机构内的两组敲击组件反向旋转，敲击产生的反作用力相互抵消，降低整机振动；

9、所述同轴正反转敲击除冰机构还配置同轴嵌套双轴系组件，同轴嵌套双轴系组件包含中空圆筒状的圆轴及穿设于圆轴内部的传动阶梯轴，传动阶梯轴与圆轴同轴布置，传动阶梯轴与圆轴之间装配隔离轴承实现独立旋转无干涉；

10、所述齿轮传动组件包括封闭式箱体以及封闭式箱体内部装配的圆锥齿轮一、圆锥齿轮二、圆锥齿轮三，每套所述敲击组件分为外侧敲击组件、内侧敲击组件；

11、所述传动阶梯轴贯穿于封闭式箱体，所述敲击电机横向固定于封闭式箱体外侧壁，敲击电机的输出轴与传动阶梯轴内端相连接，所述外侧敲击组件刚性连接于传动阶梯轴外端；

12、所述圆锥齿轮三套设在封闭式箱体内部的传动阶梯轴上并通过平键周向刚性固定；所述圆锥齿轮一套设在封闭式箱体内部的圆轴内端并通过平键周向刚性固定，所述内侧敲击组件刚性连接于圆轴外端；所述圆锥齿轮二通过轴承固定安装在封闭式箱体内壁上，圆锥齿轮二分别与圆锥齿轮三、圆锥齿轮一垂直啮合；

13、敲击电机同步控制外侧敲击组件、内侧敲击组件反向旋转，外侧敲击组件、内侧敲击组件的旋转轨迹覆盖对应点位架空线路左右两侧外周冰层；单套同轴正反转敲击除冰机构内的两组敲击组件反向旋转，敲击产生的反作用力相互抵消，降低整机振动。

14、优选地，所述外侧敲击组件、内侧敲击组件结构相同，且均包含圆盘状敲击头、四根圆柱实心敲击棒、销轴及开口销；

15、四根敲击棒沿敲击头端面呈放射状均匀圆周排布，敲击棒轴线与敲击头端面垂直，敲击棒外端为圆弧封头结构；所述敲击头中心开设轴孔，所述传动阶梯轴、圆轴外端分别插入外侧敲击组件、内侧敲击组件的敲击头的轴孔，所述外侧敲击组件的轴孔外侧设置有环形轴端挡片，轴端挡片贴合敲击头的轴孔外侧端面并通过紧定螺钉沿轴向锁紧，限制敲击头轴向窜动；所述敲击头外侧端面与敲击棒内端通过销轴进行铰接，所述销轴横向贯穿于敲击头与敲击棒的铰接处，所述开口销穿设于销轴端头处实现铰接防脱设置；

16、所述敲击电机输出扭矩经传动阶梯轴、圆轴分别驱动外侧敲击组件、内侧敲击组件的敲击头持续旋转，带动敲击棒循环撞击冰层；单套同轴正反转敲击除冰机构内的两组敲击组件反向旋转，敲击产生的反作用力相互抵消，降低整机振动。

17、优选地，所述顶部弹簧缓冲机构包含矩形上固定板、矩形缓冲挡板以及缓冲单元；所述上固定板水平刚性固定于机器人机架内顶端，所述缓冲挡板平行设于上固定板正下方，所述缓冲单元设置有若干个并对称布置在矩形上固定板与矩形缓冲挡板之间；

18、所述缓冲单元均包含圆柱形缓冲阶梯轴、圆筒型直线轴承及螺旋压缩弹簧；所述直线轴承垂直嵌入上固定板预设的轴承座孔并通过紧定螺钉锁紧固定，所述缓冲阶梯轴竖直滑动穿设于直线轴承内，所述缓冲阶梯轴下端与缓冲挡板板面焊接固定；所述螺旋压缩弹簧竖直套设于缓冲阶梯轴外侧，螺旋压缩弹簧上下两端分别抵接上固定板、缓冲挡板；

19、架空线路向上撞击缓冲挡板时，缓冲挡板带动全部缓冲阶梯轴同步上滑，螺旋压缩弹簧受压形变吸收竖向冲击动能；外力消失后螺旋压缩弹簧回弹带动缓冲挡板复位；直线轴承约束缓冲阶梯轴径向偏移，避免机构卡滞。

20、优选地，所述侧边弹簧缓冲机构包括侧边挡板机架、斜挡板、圆柱齿条、齿轮轴、螺旋扭转弹簧、u型轴承座、金属固定座及导向限位组件；所述侧边挡板机架布置于机器人机架下方的贯通通道一侧，所述斜挡板倾斜安装在侧边挡板机架内侧并通过导向限位组件进行滑动；所述u型轴承座与金属固定座对称固定安装在侧边挡板机架内端面上，所述齿轮轴一端通过轴承安装在u型轴承座上；所述螺旋扭转弹簧同轴套设于齿轮轴另一端，螺旋扭转弹簧一端焊接固定于齿轮轴外壁，螺旋扭转弹簧另一端通过销轴限位卡接于金属固定座上；所述圆柱齿条端部安装在斜挡板远离架空线路的外侧板面上，圆柱齿条的延伸方向与斜挡板的滑动方向一致；所述齿轮轴中部一体加工有啮合齿轮，啮合齿轮与圆柱齿条上的齿面精密啮合；

21、所述导向限位组件包含上导向耳板、下导向耳板、机架导向槽；所述上导向耳板设置在斜挡板上边缘处，所述下导向耳板设置在斜挡板下边缘处，所述机架导向槽设置有多个并开设在上导向耳板、下导向耳板位置对应的侧边挡板机架内侧上下端面上，上导向耳板、下导向耳板分别滑动嵌入机架导向槽内部，机架导向槽约束斜挡板仅能够沿着圆柱齿条延伸方向滑动，限制斜挡板偏移；

22、架空线路侧向挤压斜挡板内侧斜面时，斜挡板在导向限位组件约束下沿圆柱齿条延伸方向滑动，同步带动圆柱齿条平移，圆柱齿条带动齿轮轴单向旋转，同步扭转螺旋扭转弹簧产生扭转变形，吸收侧向冲击动能；侧向挤压力消失后，螺旋扭转弹簧释放弹性势能反向驱动齿轮轴回转，经啮合齿轮啮合传动而带动圆柱齿条、斜挡板同步向外平移自动复位，实现循环缓冲防护。

23、优选地，所述机器人机架上还装配有封闭式的电机保护壳、底部抽屉式的电池保护壳；

24、所述电机保护壳为中空矩形壳体，完整包覆每套同轴正反转敲击除冰机构的齿轮传动组件外壁，电机保护壳通过螺栓锁紧固定于机器人机架上；电机保护壳隔绝雨雪、冰层粉尘，防护内部齿轮部件；

25、所述电池保护壳水平布置于机器人机架的最底部，采用抽拉式卡扣结构与机器人机架可拆卸连接；电池保护壳内部容纳直流供电电池，供电电池通过防水导线与两个敲击电机电连接，为两套同轴正反转敲击除冰机构提供动力电源；电池保护壳封闭防护供电电池，避免高空低温、线路碰撞造成电池短路破损；

26、所述运载无人机搭载无线远程控制模块并由运载无人机内置电池供电，远程控制模块分别与敲击电机、运载无人机飞行控制系统建立无线通信连接；地面操作人员通过无线远程控制模块下发控制指令，远程控制敲击电机启停、运载无人机的飞行姿态与位移，运载无人机依靠自身飞行动力带动除冰机器人本体沿架空线路移动并完成除冰作业。

27、本发明的一种架空线路无人机吊挂式除冰装置协同除冰作业方法，应用于上述的一种架空线路无人机吊挂式除冰装置，包含以下步骤：

28、s1、地面调试装配：作业前完成运载无人机飞控系统、无线远程控制模块信号、敲击电机及各缓冲机构的整机功能调试；将柔性牵引吊绳下端的u型吊钩对应卡入机器人机架顶部环形挂点并锁紧限位，完成运载无人机与除冰机器人本体的悬吊装配；

29、s2、空中对位挂载：地面操作人员通过无线远程控制模块操控运载无人机平稳升空、定点悬停，调整飞行高度与水平位置，将机器人机架中部的贯通通道精准套接在目标覆冰架空线路外侧，完成作业对位；

30、s3、远程协同除冰：通过无线远程控制模块下发启动指令，远程开启两台敲击电机；敲击电机经齿轮传动组件、同轴嵌套双轴系组件驱动对应外侧敲击组件与内侧敲击组件反向同步旋转，前后两套同轴正反转敲击除冰机构同步工作，对架空线路前后两处位置的左右两侧外周冰层进行循环敲击剥离；作业过程中，顶部弹簧缓冲机构实时吸收竖向碰撞冲击力，两侧侧边弹簧缓冲机构实时吸收侧向碰撞冲击力，保障整机运行稳定；

31、s4、冰层自适应调节作业：作业过程中通过运载无人机的机载视角实时观测冰层状态，当识别超厚冰层时，远程调高敲击电机转速，操控运载无人机带动机器人机架沿架空线路前后低速往复移动，对厚冰区段多次循环敲击，直至冰层完全剥离；

32、s5、作业回收复位：目标架空线路区段覆冰完全清除后，通过无线远程控制模块关停所有敲击电机，待所有敲击组件完全静止后，操控运载无人机匀速平稳降落，将除冰机器人本体放置于地面预设位置，解锁u型吊钩完成单次除冰作业。

33、优选地，步骤s3中，竖向缓冲作业过程具体为：

34、除冰作业过程中，若架空线路从下向上撞击矩形缓冲挡板，缓冲挡板受力带动各缓冲阶梯轴沿对应直线轴承竖直向上滑动，同步挤压螺旋压缩弹簧发生弹性形变，将竖向碰撞动能转化为弹性势能，实现竖向冲击缓冲；

35、当架空线路与缓冲挡板脱离接触、竖向冲击力消失后，螺旋压缩弹簧依靠自身弹性回弹，推动缓冲挡板、缓冲阶梯轴整体向下复位，直线轴承全程约束缓冲阶梯轴径向偏移，防止卡滞，保证竖向缓冲机构循环稳定工作。

36、优选地，步骤s3中，侧向缓冲作业过程具体为：

37、除冰作业过程中，若架空线路侧向挤压斜挡板内侧斜面，斜挡板在上导向耳板、下导向耳板与机架导向槽的导向限位作用下，仅沿圆柱齿条延伸方向平稳滑动，同步带动圆柱齿条水平平移；

38、圆柱齿条通过齿面啮合驱动齿轮轴单向旋转，齿轮轴旋转过程中扭转螺旋扭转弹簧，使螺旋扭转弹簧发生扭转变形并储存冲击势能，吸收架空线路侧向碰撞冲击力；

39、当侧向挤压力消失后，螺旋扭转弹簧释放弹性势能，反向驱动齿轮轴回转，通过齿面啮合传动带动圆柱齿条、斜挡板自动向外平移复位，实现侧向碰撞的循环缓冲防护，有效降低整机侧向晃动幅度。

40、本发明的有益效果在于：

41、（1）本发明在机器人机架上端面前后两侧对称设置两套同轴正反转敲击除冰机构，两套机构可同步对架空线路上前后两处纵向点位开展除冰作业，单次作业线路覆盖长度翻倍，显著提升除冰作业效率；每套机构内部两组敲击组件由齿轮传动驱动反向同步旋转，敲击产生的反向作用力相互抵消，大幅降低整机振动幅度，完全消除单向敲击带来持续抖振问题，保证运载无人机悬吊过程中姿态稳定，避免机器人机架偏移撞击输电导线，完整保护线路绝缘层，同时减少运载无人机飞控持续修正姿态的能耗损耗，延长单次作业续航。

42、（2）本发明在机器人机架的贯通通道上方水平布置顶部弹簧缓冲机构，贯通通道左右两侧对称布置侧边弹簧缓冲机构；当运载无人机飞行漂移、线路弧度偏差引发机器人机架与架空线路多向碰撞时，顶部弹簧缓冲机构吸收竖向冲击，侧边弹簧缓冲机构吸收侧向冲击，双向缓冲结构同步卸除碰撞动能，避免机器人机架与架空线路硬性挤压接触，既防止导线绝缘外皮破损漏电，又减少冲击对敲击机构、机器人机架的形变损伤，延长整机使用寿命。

43、（3）本发明将无人机悬吊结构、双点位敲击除冰结构、双向缓冲防护结构集成于一体，依托无线远程控制模块实现全流程远程操控，整体结构紧凑规整，适配山区、旷野等各类高空架空线路作业环境；整套系统协同运行，同步兼顾除冰效率、飞行稳定性、线路与设备防护多重需求，综合运行可靠性、场景适配性相较于传统分体式、功能单一的除冰设备得到整体性提升，适用范围更广，运维使用价值更高。