无人机挂载喷涂机构的设计与实现

0引言

高压输电线路的外绝缘性能对线路的安全运行至关重要。外绝缘子的主要功能是确保电气系统中的各个部分保持绝缘,从而防止短路和其他电气故障。然而,由于环境污染、气候条件等因素的影响,防污闪涂料会逐渐被污损或脱落,导致绝缘性能下降,增加了发生闪络和电击的风险。也正是因为如此,每年因绝缘性能下降导致的输电线路事故频发,对电力供应的可靠性和安全性造成了严重影响^[1]。

传统的外绝缘子维护主要依赖人工操作,工人需要攀爬至高空进行清洗和喷涂作业。这种方法不仅危险,而且在高温或严寒等恶劣环境下工作,进一步增加了作业难度和安全风险。此外,人工操作的施工周期长、成本高,无法满足现代电力系统对高效、安全维护的需求。

为了解决上述问题,本文设计并实现了一种无人机挂载的喷涂机构。该系统通过无人机携带喷涂设备,能够在高空自动进行绝缘子的清洗与喷涂作业。相较于传统方法,利用无人机进行带电喷涂作业不仅大大 提高了工作效率,还显著降低了人力成本和安全风险^[2]。

本文的研究为电力系统的外绝缘子维护提供了一种高效、安全、经济的解决方案,具有重要的实际应用价值和广阔的发展前景。

1 设计需求分析

无人机挂载喷涂机构的应用背景:对绝缘子进行清洗和喷涂防污闪涂料。传统的人工清洗和喷涂方法存在高空作业危险、工作环境恶劣、施工周期长、成本高等问题,因此,开发一种能够替代人工操作的 自动化设备显得尤为重要。无人机挂载喷涂机构应运而生,它不仅能够提高工作效率,还能降低人工成本和安全风险^[3]。

为了满足高压输电线路外绝缘子清洗和喷涂的需求,无人机挂载喷涂机构需要满足以下设计需求和目标:

1)轻量化设计。采用轻质材料,如铝合金框架和 PP板,确保设备在无人机的安全负载范围内。

2)稳定性。设计坚固的安装结构,确保设备在飞行过程中稳定,避免振动影响喷涂效果;采用高效循环泵和软管系统,保证水流的稳定性和喷涂的均匀性。

3)操作便捷。地面操作人员能够方便地将设备安装在无人机上,并通过简单操作完成喷涂任务;系统需要具备快速装卸功能,便于维护和更换设备。

4)安全性。确保设备的设计和使用符合相关安全标准,避免对设备本身和操作人员造成损害;具备应急停止功能,防止意外情况发生^[4]。

通过满足上述设计需求和 目标,无人机挂载喷涂机构能够显著提高高压输电线路外绝缘子的维护效率,降低人工成本和安全风险,为电力系统的可靠运行提供强有力的保障。

2 系统结构设计

为实现高效、安全的高压输电线路外绝缘子清洗和喷涂作业,本设计提出了一种无人机挂载喷涂机构。该系统综合考虑了轻量化、稳定性和操作便捷性等多方面的需求,通过优化各个关键组件,确保系统在高空作业环境下的可靠性和高效性。以下将详细介绍系统的组成、各关键组件的设计及其工作原理。

2.1 系统组成

无人机挂载喷涂机构主要由无人机底座、喷涂设备底板组件、定制水箱、DN10软管、循环泵、DN8软管、快装卡组件、电控箱组件、软管支撑架、快拆固定件、304不锈钢延长管、扇形喷头等部分组成,如图 1所示。

2.2 关键组件设计

1)无人机底座。无人机底座采用轻质铝合金材料制成,设计成弹力管卡结构,确保喷涂设备能够稳固地安装在无人机上,同时方便拆卸和更换。

2)喷涂设备底板组件。喷涂设备底板组件是整个系统的支撑平台,采用PP板材料,具有轻便、耐用和防腐蚀的特点。底板上设计有固定孔位和安装槽,用于安装和固定各个组件。

3)定制水箱。定制水箱采用304不锈钢材料制成,容量根据无人机的负载能力进行设计,以确保在保证飞行安全的前提下,尽可能增加喷涂作业的续航时间。水箱通过专用固定件安装在喷涂设备底板上,并通过DN10软管连接循环泵。

4)循环泵。循环泵负责从水箱中抽取液体,并通过软管系统将液体输送到喷头。循环泵的选型需要考虑其流量和压力,以确保能够提供稳定的液体输出。循环泵通过底板下方的走线连接至电控箱,实现远程控制。

5)软管系统。软管系统包括DN10和DN8软管,用于液体的输送。DN10软管连接水箱和循环泵,DN8软管连接循环泵和喷头。软管系统需要具备耐压、耐腐蚀的特性和柔韧性,确保在高空作业时的稳定性和可靠性。

6)喷头组件。喷头组件包括304不锈钢延长管和扇形喷头。延长管用于增加喷涂范围,扇形喷头则用于将液体均匀喷涂到绝缘子表面。喷头组件的设计需要考虑喷涂的均匀性和覆盖范围,以提高清洗和喷涂效果。

2.3 系统工作原理

无人机起飞并飞行至待喷涂的高压绝缘子附近,通过控制系统启动循环泵。循环泵从水箱中抽取液体,经过DN10软管输送至快装卡组件,再通过DN8软管输送至喷头。液体经过304不锈钢延长管和扇形喷头,均匀地喷涂到绝缘子表面,完成清洗和喷涂作业。

3 实验与测试

为了验证无人机挂载喷涂机构的设计性能和实际应用效果,进行了多次实验与测试。以下内容涵盖了实验方案、测试结果以及数据分析^[5]。

3.1 实验方案

实验设备:1)无人机(载重量5kg,续航时间30min);2)无人机挂载喷涂机构(图2);3)标准高压绝缘子样品;4)清洗液和防污闪涂料;5)流量计、压力传感器、喷涂均匀性测试仪。

实验环境:室外实验场地,模拟实际高压线路环境,不同天气条件(晴天、多云、风速5 m/s以下)下进行实验。

实验步骤:

1)安装与准备:将喷涂设备安装在无人机底座上,向水箱加满清洗液或防污闪涂料,检查各连接件的牢固性。

2)地面测试:在地面上启动系统,检查循环泵、软管和喷头的工作状态,确保无泄漏和阻塞。

3)飞行与喷涂测试:(1)无人机起飞,飞行至绝缘子样品上方;(2)启动循环泵,开始喷涂作业;(3)通过远程控制系统调整喷涂流量和压力,记录喷涂时间、液体消耗量;(4)使用喷涂均匀性测试仪测量喷涂效果。

3.2 测试结果

1)稳定性测试。在5次实验中,无人机均能够稳定悬停并完成喷涂作业。设备在飞行过程中无明显抖动,喷涂流量和压力保持稳定,测试数据如表1所示。

2)喷涂均匀性测试。使用喷涂均匀性测试仪对绝缘子表面进行测量,结果显示喷涂均匀性良好,无明显的液体堆积或遗漏(图3),测试数据如表2所示。

3.3 数据分析

根据实验与测试数据分析,无人机挂载喷涂机构在以下几个方面表现优异:

1)稳定性:在正常天气条件下,无人机挂载喷涂机构能够保持稳定的飞行和喷涂状态,系统故障率为0。

2)喷涂均匀性:测试结果表明,喷涂均匀性较高,绝缘子表面喷涂厚度均匀,确保了清洗和防污闪效果。

综上所述,无人机挂载喷涂机构在实际应用中表现出较高的可靠性和有效性,能够有效替代人工操作,提高高压输电线路外绝缘子清洗和喷涂的效率和安全性。

4 结论与展望

4.1 结论

通过对无人机挂载喷涂机构的设计、实验与测试,本文得出了以下结论:

1)系统稳定性高:无人机挂载喷涂机构在实际应用中表现出良好的稳定性。在不同的飞行高度和姿态下,设备均能稳定工作,循环泵、软管系统和喷头组件能够保持一致的液体输送和喷涂效果。

2)喷涂均匀性好:实验数据表明,喷涂均匀性高,绝缘子表面的涂层厚度均匀,确保了清洗和防污闪效果。喷头组件设计合理,能够实现均匀喷涂,满足高压输电线路维护要求。

综上所述,无人机挂载喷涂机构在高压输电线路外绝缘子清洗和喷涂作业中具有广阔的应用前景,能够有效提高运维效率和安全性。

4.2 展望

尽管该无人机挂载喷涂机构的设计取得了一定成果,但仍有一些方面需要进一步研究和改进,以提升设备的性能,拓展其应用范围。

1)智能化控制:引入更多的智能化控制手段,如自动避障、路径规划和智能识别技术,提升无人机在复杂环境下的 自主作业能力,进一步提高喷涂效率和精准度[6]。

2)多功能集成:开发集成更多功能的挂载设备,如具备清洗、检测和修复等多种功能的模块化设计,提升设备的多样性和实用性,满足不同维护需求。

3)适应性扩展:进一步研究设备在各种极端气候条件下的适应性,确保在高温、低温、大风等复杂环境下也能稳定工作,拓展其应用范围。

通过以上改进和优化,无人机挂载喷涂机构将能够更好地满足高压输电线路维护的需求,推动电力系统运维向智能化和 自动化方向发展,为电力系统的可靠运行提供更强有力的保障。

[参考文献]

[1]张涛.浅谈高压输电线路外绝缘性能的影响因素及在线监测方法[J].科技资讯,2017,15(32):51—52.

[2]贺欣,凌志刚,陈超,等.无人机带电水冲洗与喷涂技术的研究与应用[J].机电信息,2023(6):76—79.

[3] 陈泽康,陈泽荣,陈鸿伟,等.电力系统陶瓷绝缘子清洗的研究进展[J].陶瓷,2023(3):9—11.

[4]吴培坤,黄耀升,甄志明.一种具有选择功能的输电线路喷漆无人机的设计[J].光源与照明,2022(11):179—181.

[5]张荣昕.无人机多源传感器挂载设计及其性能研究[D].淄博:山东理工大学,2022.

[6]张贺朋.电网绝缘子无人机自主清洗系统的位姿控制研究[D].合肥:中国科学技术大学,2022.

2025年第1期第8篇