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基于TRIZ理论高压电塔防坠保护装置的设计与分析

2025-01-13 121 上传者：管理员

摘要：为解决现阶段电力行业检修人员攀爬电塔维护线路过程中存在坠落风险和作业流程繁琐的问题，运用TRIZ创新理论中因果链分析工具，寻找系统技术矛盾和作业流程中存在的问题，通过寻求问题根源得到解决方案，并绘制功能模型图。利用功能模型图配合物-场模型及标准解改进完善方案，将方案具体化后得到高压电塔防坠保护装置的最终设计方案。利用ADAMS软件搭建最终方案的虚拟样机，并对其整个工作过程进行模拟仿真。仿真结果表明，所设计的高压电塔防坠保护装置方案合理，运行稳定可靠。该装置的研制对电力行业的发展具有积极意义。

关键词：
TRIZ理论
因果链
模拟仿真
高压电塔
高空防坠
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随着我国电力行业的快速发展，作为电力传输所必需的高压电塔数量也日益增加[1]。然而，在攀爬高压电塔和作业过程中，检修工人不慎坠落的事故时有发生。每年因高空坠落导致的伤亡事故数目居高不下。高空作业是一项高风险的工作，如果不采取必要的安全措施，工人可能会遭受严重的伤害甚至死亡[2]。

高空作业基本分为临边、洞口、攀登、悬空和交叉等5种基本类型[3]。其中攀登作业在电力行业最为常见，在高压线路检修过程中需要检修工人依靠高压电塔等设施实现攀登作业。由于攀登作业没有作业平台，需要借助手或腰绳保持平衡，作业难度大，其危险性极大，稍有不慎就可能发生坠落。现阶段对防坠装置和高空作业保护装置的研究也是电力行业的热门方向之一[4-5]。但高空防坠保护装置的设计是一项相对比较复杂的工程，需要考虑多种因素，包括安全性、可靠性、易用性和环境条件等。因此，需要从改进作业流程的根源出发，克服系统的技术矛盾，设计一种安全可靠、便携高效的高压电塔防坠保护装置以增加工人的安全保障。

1、TRIZ理论

TRIZ理论作为现阶段运用最广泛的创新理论，为发明者提供了一系列的创新方法和创新工具[6-7]，包含因果链分析、九屏幕法、金鱼法等多种思维方法和发明原理和物-场模型等多种创新工具。其主要思想是将已经解决过的问题或者已有的发明与待解决的问题进行类比分析，从而得到新的解决方案，其基本解题过程如图1所示。

图1 TRIZ理论基本解题过程

2、问题分析及初步方案

2.1问题描述

现阶段检修工人检修高压线路时需要徒手攀爬高压电塔，首先根据检修任务确认攀爬路线和所需辅助设备与检修工具，检修工人穿戴好安全绳等保护装备后开始攀爬。首位工人在攀爬过程中，由于需要不断调节安全绳的悬挂位置，通过不断交替攀爬和移动安全绳悬挂点逐步移动至作业高度。然后悬挂牵引绳，后续检修人员利用牵引绳配合滑动防坠器即可快速完成攀爬。待所有检修人员到位后，对高压电塔的设备进行巡视和维护，完成电缆更换、污垢清理等作业。作业完成后，利用牵引绳配合滑动防坠器返回地面，末位工人收回牵引绳后，再次通过交替移动安全绳的方式攀爬返回地面。

2.2因果链分析

分析现阶段的检修工人检修高压线路的作业流程发现，整个作业流程不仅繁琐，而且存在重大安全隐患，严重危害检修工人的生命安全。为从根本上解决现阶段作业流程存在的问题，运用因果链对整个作业流程分析后得出分析图，如图2所示。

图2 因果链分析图

通过因果链分析得出造成检修工人检修高压线路存在安全隐患的原因有11、211、22、31、32。通过初步分析，原因11是客观存在的，目前高压输电线路均采用高压电塔实现输送，以目前的科技水平短期内无法解决。因此，通过解决其他存在的问题，得到以下解决方案。

方案一：解决问题21的关键在于解决首位检修工人需要频繁移动安全绳悬挂点的难题，可设计相关安全装置，在首位检修工人攀爬前即可悬挂好牵引绳，使首位检修工人和后续工人一样，借助牵引绳和滑动防坠器配合即可实现安全快速地攀爬高压电塔。该方案不仅可快速有效地解决存在的问题，而且投入精力小，可行性高。

方案二：解决问题22和31的关键在于检修工人的本身，对于检修工人的人选，应该选择身体素质过硬，无相关疾病的人员可有效减少由于检修人员身体原因造成的事故。其次加强对检修人员的相关安全培训，规范作业流程，提高安全防护意识。该方案可由管理人员制定相关规范文件遵照执行。

方案三：解决问题32就需要改良防护设备和作业工具，但高压线路故障各种各样，检修作业所使用的工具也多种多样，只能尽可能将各种工具的功能集成，减轻工人的负重。对于必要的防护设备难以兼顾可靠性和便携性，如需进一步改进，需要投入大量的财力和精力，只能逐步改善。

2.3初步方案

图3 安全装置初步方案图

1.无人机本体；2.信号接收器；3.螺旋桨；4.固定电磁铁；5.释放电磁铁；6.支架；7.丝杠；8.L型锁扣；9.电塔横梁；10.限位板；11.牵引绳；12.限位孔；13.驱动电动机；14.滑轮；15.绞盘。

为快速有效解决检修工人检修高压线路中存在的安全隐患，经过因果链分析后，对得出的解决方案分析筛选，选择方案一作为最优解决方案。根据方案一设计的高压电塔防坠保护装置初步方案如图3所示。

为实现牵引绳的自主悬挂，装置整体采用无人机携带安全装置的方式实现。无人机采用四轴设计，利用螺旋桨旋转提供升力，通过信号接收器传输遥控信号。在无人机下端设置失电型电磁铁，通过控制电流通断，实现自动释放安全装置的功能。安全装置上端设置绞盘收纳牵引绳，通过滑轮和限位孔配合实现牵引绳的释放功能。利用丝杠螺母机构驱动L型锁扣配合限位板实现对电塔横梁的固定作用。

3、方案分析及完善

3.1功能模型的建立与分析

为进一步完善和改进初步方案，建立高压电塔防坠保护装置初步设计方案的功能模型图，如图4所示。从子系统电塔横梁的角度分析，发现采用丝杠螺母机构带动L型锁扣与限位板配合的方式实现对高压电塔横梁的锁紧过程中存在问题：在无人机带动安全装置靠近电塔横梁时，由于限位板和L型锁扣距离较近，很难准确操控无人机将安全装置放置于横梁上；并且与支架固定的限位板和L型锁扣的结构设计会阻碍无人机调整放置位置，使得整个装置便携性和可靠性大大降低。

图4 初步方案功能模型图

3.2物-场模型的运用

通过物-场模型可构建技术系统的最小问题模型，可针对性地解决系统某一技术矛盾达到解决整个系统难题的目的[8]。针对初步方案中限位板和L型锁扣对电塔横梁的阻碍作用，建立标准的有用作用与有害作用并存的物-场模型，如图5所示。对于限位板与电塔横梁之间的物-场模型，S1表示电塔横梁，S2表示限位板，F表示机械场。对于L型锁扣与电塔横梁之间的物-场模型，S1表示电塔横梁，S2表示L型锁扣，F表示机械场。所建立的物-场模型同时存在有用和有害作用，并且根据分析无法限制S1与S2之间的接触，因此可通过引入外部物质消除有害作用。即如图5标准解所示，在S1与S2之间引入新的物质S3。

图5 有害作用物-场模型及标准解

3.3方案分析与改进

依据物-场模型标准解改进初步方案中限位板和L型锁扣。对于限位板阻碍无人机放置安全装置在电塔横梁上的问题，可将与电塔横梁固定的限位板上设置调整装置（新物质S3），在无人机放置安全装置时，调整限位板远离电塔横梁，待安全装置放置在电塔横梁上后，再锁紧电塔横梁。对于L型锁扣阻碍放置安全装置的问题，可将L型锁扣改为平板结构，增加曲柄配合凸轮结构（新物质S3）实现锁紧功能。考虑到限位板与锁扣在放置之前均需远离电塔横梁，在放置成功后需同步配合锁紧，因此可将限位板调整装置与锁扣驱动装置集成。经过分析采用对置的曲柄滑块机构实现限位板和锁扣的同步远离与锁紧功能。利用曲柄与凸轮机构配合，实现在锁扣锁紧过程中的自动变形功能，使平板结构的锁扣达到与L型锁扣相同的锁紧作用。通过上述方式改进得到的功能模型如图6所示，在消除了有害作用的同时，提高了装置的可靠性和便携性。

图6 完善后功能模型图

4、方案确定及分析

4.1整体方案

依据上述改进方案，确定出的装置整体设计的机构简图如图7所示。利用三维建模软件将方案具体化，完成高压电塔防坠保护装置的最终设计，如图8所示。装置整体由无人机和下端的安全装置组成，在需要检修工人攀爬高压电塔检修高压线路时，首先操控无人机携带安全装置飞行至高压电塔横梁附近，利用摄像头实时传输安全装置与电塔横梁的画面，便于操控无人机调整放置位置。待将安全装置放置于电塔横梁上后，遥控启动驱动电动机，通过对置的曲柄滑块机构带动限位板和平板锁扣同步靠近电塔横梁，在平板锁扣靠近电塔横梁的同时，在曲柄与凸轮的配合下使平板锁扣反转90°，从而达到锁紧电塔横梁的目的。确认安全装置锁紧后，对固定电磁铁通电，由于固定电磁铁为失电型电磁铁，通电后磁力消失，无人机即可与安全装置脱离。随后绞盘启动，在滑轮与限位孔的配合下释放牵引绳至地面，地面检修工人利用牵引绳悬挂滑动防坠器后，可快速攀爬高压电塔至作业高度，完成检修作业。检修作业完成后，检修工人依靠牵引绳返回地面，再次操控无人机将安全装置取回，即完成整个作业过程。利用此装置可有效避免首位检修工人频繁移动安全绳悬挂点和安全带“低挂高用”造成的安全隐患，对提高检修工人的作业安全具有重要作用。

图7 最终方案机构简图

1.无人机本体；2.信号接收器；3.螺旋桨；4.固定电磁铁；5.释放电磁铁；6.支架；7.曲柄；8.凸轮；9.平板锁扣；10.电塔横梁；11.曲柄滑块机构；12.限位板；13.牵引绳；14.限位孔；15.滑轮；16.绞盘。

4.2虚拟样机仿真

由于装置的稳定性和可靠性关乎检修工人的生命安全，因此需要对装置的运行过程和结构设计的可靠性进行评估。利用建模软件完成建模后，导入多体动力学分析软件ADAMS中进行虚拟样机的工作过程仿真[9-10]。为尽可能模拟最差工况，设定在安全装置距离电塔横梁10 cm时直接抛投，观察安全装置是否可平稳放置于电塔横梁上并可靠锁紧。设定仿真步长500步，整个仿真过程如图9所示。

图8 防坠保护装置三维模型图

1.无人机本体；2.信号接收器；3.螺旋桨；4.固定电磁铁5.释放电磁铁；6.支架；7.电塔横梁；8.曲柄；9.平板锁扣10.凸轮；11.驱动电动机；12.曲柄滑块机构；13.限位板；14支撑腿；15.滑轮；16.绞盘。

整个仿真过程应重点关注安全装置整体是否出现较大位移和结构不平衡造成的坠落。设定重力方向为Y轴，垂直于电塔横梁方向为X轴，得出的安全装置整体的位移与速度变化如图10所示。由图10可以看出，在释放后0.5 s左右接触到电塔横梁，整个装置并未出现较大的位移波动，证明整个装置的结构设计合理，不会出现坠落的风险。在4 s之后的最终锁紧阶段，由于锁扣和限位板与电塔横梁接触，造成装置在X轴方向局部波动，说明锁紧过程可靠。

图9 安全装置工作过程仿真图

图1 0 安全装置位移与速度变化图

平板锁扣与限位板在锁紧过程中由对置的曲柄滑块机构实现驱动，关注平板锁扣和限位板在工作过程中的位移变化可看出锁紧过程的稳定性。仿真得出的平板锁扣与限位板位移变化过程如图11所示，整个过程位移未出现明显波动，证明曲柄滑块机构驱动平板锁扣和限位板移动过程中运行稳定。

图1 1 锁扣与限位板位移变化图

5、结论

针对现阶段检修高压线路存在的安全隐患问题，利用TRIZ理论的因果链分析工具得出了造成安全隐患的根本原因是首位检修工人频繁移动安全绳悬挂点和安全带的“低挂高用”造成的。通过分析改进了作业流程，并结合无人机技术设计了一款高压电塔防坠保护装置。建立方案的功能模型图后发现方案存在的不足，利用物-场模型标准解改进方案后得到最终方案。通过对方案建模后，使用ADAMS软件对装置的工作过程进行了仿真模拟。结果表明，装置设计合理，运行过程平稳可靠。该装置的成功研制对提高电力行业检修作业的安全保障具有重要意义。

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基金资助:国家电网青海省电力公司科技项目资助(52282121N002);