特高壓鋼管塔高強度大扭矩螺栓緊固扳手的研制

劉博，王力爭，苗峰顯，方錫忠

(國家電網(wǎng)公司交流建設(shè)分公司，北京市 100052)

0 引言

“皖電東送”淮南—上海特高壓交流輸電工程是繼1000kV特高壓交流試驗工程后的第2條特高壓交流輸變電示范工程，是我國首條采用鋼管塔同塔雙回路架設(shè)的特高壓線路，其示范意義重大。鋼管塔采用帶勁法蘭螺栓連接，螺栓規(guī)格有6.8級和8.8級，螺栓型號有M16-M56，共計13種，螺栓扭矩為170～2500 N·m，平均單基鋼管塔含螺栓10000多個，螺栓規(guī)格之高、扭矩之大、數(shù)量之多在輸變電工程建設(shè)中尚屬首次。對于鋼管塔法蘭螺栓緊固，需首先解決3個問題:一是大扭矩螺栓的緊固。傳統(tǒng)輸變電建設(shè)中鐵塔螺栓的緊固多使用機械扭矩扳手，鐵塔螺栓主要承受剪應(yīng)力，最大扭矩值一般在250 N·m以下，人力機械扭矩扳手均能實現(xiàn)緊固。但鋼管塔法蘭螺栓主要承受拉應(yīng)力，對螺栓的緊固扭矩值和緊固精度均有較高的要求，緊固扭矩值過大，容易造成螺栓拉伸或脆斷。緊固扭矩值過小，螺栓容易松動。在風(fēng)擾動的條件下，鐵塔舞動幅度增大，也會造成部分螺栓疲勞脆斷，安全風(fēng)險較為突出。在本工程中，需將螺栓緊固精度控制在緊固扭矩值±10% 的誤差之內(nèi)。在高空作業(yè)條件下，人力所能承受的最大扭矩約在300 N·m以內(nèi)，而本工程大部分螺栓緊固精度要求均在300 N·m以上，最大扭矩更是達(dá)到2500 N·m，需研制能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和大扭矩螺栓緊固的專用機具。二是提高螺栓緊固效率。單基鋼管塔每個法蘭螺栓數(shù)量在十幾個至幾十個，整機塔平均螺栓用量為上萬顆，最多達(dá)2萬顆以上，傳統(tǒng)的人力緊固效率較低，緊固工作量巨大，需要開發(fā)施工效率高的法蘭螺栓緊固機具。三是機具的規(guī)格問題。工程共含螺栓型號13種，但如果僅考慮螺栓數(shù)量，并使用多種型號的緊固機具將會給高空作業(yè)帶來麻煩。

1 鐵塔螺栓專用扭矩扳手

1.1 扭矩扳手類別

螺栓緊固用的扳手按驅(qū)動可以分為機械扳手、氣動扳手、液壓扳手、電動扳手。

(1)機械扳手:操作和攜帶方便，適宜小扭矩螺栓緊固。但扳手的行星齒輪易損壞、耐用性不高;扳手效率低，螺栓型號越大，緊固效率越低;緊固精度不高，不能實現(xiàn)設(shè)定扭矩緊固。

(2)氣動扳手:扭矩大，易控制，易維修，使用安全;但笨重，不宜用于高空作業(yè)。

(3)液壓扳手:高精度，高效率，勞動強度低;但要求螺栓上方及周圍有足夠的空間。

(4)電動扳手:易于控制，精度高，勞動強度低，效率高;但供電安全可靠性要求高，且易發(fā)熱燒壞電機。

1.2 扭矩扳手選型

在綜合分析各類扳手優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，本著開發(fā)高效率、高精度且適用于特高壓輸變電現(xiàn)場施工環(huán)境、力促帶動輸變電工程建設(shè)鐵塔螺栓緊固工具革命性變革的基本原則，選擇電動扭矩扳手作為本項目研究的重點。

1.2.1 螺栓緊固扭矩值要求

2011年，電力規(guī)劃設(shè)計總院確定了“皖電東送”淮南—上海特高壓交流輸電示范工程鋼管塔法蘭螺栓緊固扭矩值，除M16按照常規(guī)螺栓緊固扭矩要求定為100 N·m外，其余12種螺栓緊固扭矩值如表1所示。

1.2.2 各型螺栓的空間分布

為對電動扭矩扳手所帶套筒做科學(xué)的劃分，對“皖電東送”淮南—上海特高壓交流輸電示范工程具有代表性的部分鋼管塔螺栓分布進(jìn)行了分析，如表2所示。M20、M24、M27、M304 種螺栓占91%以上，M33 及以上螺栓占9%左右。法蘭盤中螺栓與螺栓之間的距離以及螺栓與鋼管外徑之間的距離是緊固螺栓的可用操作空間，套筒的大小和壁厚必須滿足該操作空間要求。圖1給出了對焊法蘭螺栓的基本參數(shù)，需根據(jù)參數(shù)確定電動扭矩扳手的操作空間。工程共有法蘭規(guī)格90種，表3給出了部分法蘭螺栓詳細(xì)參數(shù)。

表1 螺栓緊固扭矩值Tab.1 Torque of fastening bolt

表3 法蘭螺栓基本參數(shù)表Tab.3 Parameters of bolts in flanges mm

1.2.3 電動扭矩扳手的研究內(nèi)容

根據(jù)鋼管塔法蘭螺栓緊固空間及施工作業(yè)環(huán)境，電動扭矩扳手的主要研究方向和解決的問題是:根據(jù)螺栓的空間距離，研究專用套筒。套筒壁厚需滿足操作空間要求，套筒材質(zhì)應(yīng)能承受制定扭矩值的受力要求;按照所緊固螺栓的型號和螺栓在鐵塔中的空間分布特點，對電動扭矩扳手做合理的分類，每一把扳手應(yīng)帶多個套筒，全部扳手覆蓋所有螺栓;扳手需要高精度，防止風(fēng)擾動造成螺栓受力疲勞而拉斷;提高螺栓的緊固效率，降低勞動強度;盡量減輕質(zhì)量，適合高空作業(yè);采取措施防高空脫落零部件;根據(jù)實際需要，開發(fā)一種滿足各類驗收所需的直流扭矩扳手。

1.2.4 電動扭矩扳手的型號

根據(jù)不同螺栓研制了2套共6種型號的電動扭矩扳手，扭矩覆蓋范圍為100～2500 N·m;2套電動扭矩扳手的基本參數(shù)如表4、5所示。

1.3 交流電動扭矩扳手的研制

1.3.1 零件的組成

電動扭矩扳手基本構(gòu)件包括顯示板、電源開關(guān)、扶手、電機及外殼、減速箱、反力臂、輸出方隼、標(biāo)準(zhǔn)套筒等(見圖2)。

1.3.2 電機選型

扭矩扳手電機由機殼、端蓋、轉(zhuǎn)子、定子、電刷組件等組成。散熱采用風(fēng)扇冷卻方式;轉(zhuǎn)子為繞線式，應(yīng)用銀銅合金換向器;端蓋采用高強度航空鈦合金材料;選用高速低噪音軸承;定、轉(zhuǎn)子選用低損耗優(yōu)質(zhì)硅鋼片;繞組用E級絕緣高強度漆包線;碳刷架與電機座采用一體式設(shè)計，碳刷定位牢靠，火花小且穩(wěn)定。配套電機為單相高速串激電機，改進(jìn)電機繞組設(shè)計，軟化電機特性曲線，擴大電機扭矩覆蓋范圍，提高電機扭矩輸出線性度，實現(xiàn)了小尺寸大功率的要求。

圖2 交流電動扭矩扳手Fig.2 AC electrical wrench

1.3.3 扭矩控制單元

常規(guī)電動扭矩扳手一般是通過控制電流實現(xiàn)輸出扭矩控制，受磁場等外部環(huán)境影響，輸出誤差一般較大，最大誤差甚至超過±30%。本項目所研發(fā)的電動扭矩扳手是將電機電壓、轉(zhuǎn)速、反向電動式等影響扭矩的指標(biāo)參數(shù)同時輸入單片機，通過控制單元的運算控制輸出扭矩值，大幅度提高了扭矩輸出精度，可確保輸出精度控制在±6%以內(nèi)。

1.3.4 減速機

減速機采用多級行星齒輪，且均采用滲碳或高頻表面熱處理，具有精度高、噪音低、壽命長的特點;減速機與電機連接件采用鋁鈦合金材料，降低整機質(zhì)量，較進(jìn)口扳手質(zhì)量輕10%左右;減速機在未啟動前可以靈活轉(zhuǎn)動，便于方隼、套筒與螺母的迅速配合，可提高施工效率。

1.3.5 反力臂

選用航空鋁鈦合金作為反力臂材料，降低反力臂質(zhì)量;反力臂與扳手采用齒輪連接，可360°旋轉(zhuǎn)，便于尋找支撐點;反力臂采用橡膠圈固定定位，使用方便，安全可靠。

1.3.6 套筒

針對高頸法蘭螺栓雙螺母緊固的要求，設(shè)計了專用套筒，該套筒每次只能緊固1個螺母，緊固第2個螺母不受第1個螺母影響。套筒材質(zhì)選用高強度合金鋼鍛件毛坯錘件，提高套筒強度，降低套筒質(zhì)量，它僅為國家標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的75%;套筒具有自鎖功能，防止高空墜落;套筒外表面做了拋光發(fā)黑處理，可有效抗金屬表面氧化，產(chǎn)品美觀，適應(yīng)現(xiàn)場施工環(huán)境要求。本項目研制的套筒與國標(biāo)套筒質(zhì)量對照見表6。

表6 本項目研制的套筒與國標(biāo)套筒質(zhì)量對照表Tab.6 Comparison of weight between developed sleeve and national standard sleeve kg

1.3.7 配套電源

配套電源選用適于野外作業(yè)環(huán)境的輕型AC 220 V發(fā)電機，單臺發(fā)電機容量約5.0 kW，單臺質(zhì)量約75 kg，考慮4套電動扭矩扳手同時使用，可配備2臺發(fā)電機，每臺發(fā)電機為2套電動扭矩扳手供電。發(fā)電機出線應(yīng)先進(jìn)入施工電源配電箱，加強用電安全管控。電動扭矩扳手電源線選用3×25 mm2三芯銅芯電纜，其中2根銅芯線作供電電源線，剩余1根作保護(hù)接地線。在施工作業(yè)點的電纜端頭采用RS系列工業(yè)用防水、防塵連接器與電動扭矩扳手連接，防止意外掉電和觸電。施工配電箱內(nèi)需設(shè)置過載保護(hù)、漏電保護(hù)、欠壓保護(hù)等裝置，對無輸出電壓、頻率裝置的發(fā)電機，應(yīng)在配電箱內(nèi)安裝電源、頻率指示裝置。配電箱、發(fā)電機外殼必須作接地處理，接地電阻不得大于4 Ω?，F(xiàn)場電源線布線如圖3所示。

圖3 RS系列工業(yè)用防水防塵連接器Fig.3 RS industrial waterproof-dustproof connector

1.4 直流電動扭矩扳手的研制

所研發(fā)的直流電動扭矩扳手采用單片機控制技術(shù)，通過智能操作面板來設(shè)定控制電機輸入電流，實現(xiàn)扭矩值的精確輸出。

1.4.1 電池包

采用了特高容量、小體積、壓縮型動力鎳氫電池，電池包內(nèi)裝有自主研發(fā)的溫保裝置及熱敏電阻，使電池工作及充電溫度控制在55℃以內(nèi)，實踐證明電池壽命較原來提升2～3倍，是市場同類產(chǎn)品的5～6倍。為確保高空作業(yè)的施工安全，電池安裝包具設(shè)計有鎖扣和防墜落裝置，有多頭螺紋設(shè)計的防墜落裝置，保證了作業(yè)安全，操作簡單、使用方便。

1.4.2 智能集控系統(tǒng)

(1)控制面板。為便于施工現(xiàn)場操作，在電動扭矩扳手上設(shè)置扭矩微調(diào)按鍵“++”、“－－”，并在顯示屏上顯示扭矩值。長按“++”號鍵1s，顯示屏將進(jìn)入顯示扭矩微調(diào)值界面，然后通過“++”、“－－”設(shè)定扭矩值。

(2)察看預(yù)緊螺栓顆數(shù)功能。長按“－－”號鍵1 s，顯示屏將顯示螺栓緊固個數(shù)。電動扭矩扳手在預(yù)緊每一顆螺栓時，扳手將自動累計所緊固螺栓的數(shù)量，并記憶上次輸出扭矩值，具有防過載功能。

(3)低壓報警。蓄電池電量在使用一段時間后，電壓會有所降低。在輸出設(shè)定扭矩值不變的情況下，電壓降低會造成電流輸出較大，進(jìn)而使得電池嚴(yán)重發(fā)熱而損壞。低壓報警系統(tǒng)會在電壓低于設(shè)定值后發(fā)出蜂鳴報警聲，并在顯示屏上顯示LO字樣，提醒需更換電池。

(4)錯誤報警。當(dāng)預(yù)緊扭矩值與設(shè)置值不符時，需松開螺栓，重新扭緊1次，此時將出現(xiàn)錯誤報警，并在顯示屏上出現(xiàn)EET，表示此次操作失敗，控制系統(tǒng)對本次操作不做記錄。

(5)恒功恒速和無極調(diào)速功能。直流電動扭矩扳手從開機到過載保護(hù)自動停止，輸出轉(zhuǎn)速始終是5 r/min，確保螺栓受力均勻及操作者的安全，扭矩值可在100～700 N·m任意設(shè)置，實現(xiàn)無級調(diào)速功能。在扭矩值達(dá)到預(yù)定時，可自動回轉(zhuǎn)，解決了在預(yù)緊螺栓過程中螺母與套筒之間咬死的問題，減少了一些煩瑣的操作程序，加快螺栓的緊固速度，提高了工作效率。

(6)直流電動扭矩扳手的結(jié)構(gòu)分解如圖4所示。

圖4 直流電動扭矩扳手Fig.4 DC electrical wrench

1.5 電動扭矩扳手的特點

本項目屬于組塔施工機具創(chuàng)新領(lǐng)域，共申報2項發(fā)明專利和1項實用新型專利。

(1)針對鋼管塔法蘭螺栓特點，研制了專用套筒。套筒的壁厚和大小完全符合帶勁法蘭的要求，套筒內(nèi)部受力均勻。

(2)直流電源扭矩扳手可在無交流發(fā)電機的施工環(huán)境下工作，電源不足時自動報警，在螺栓緊固扭矩值檢查方面具有很大優(yōu)勢。

(3)緊固到預(yù)定扭矩后可自動逆轉(zhuǎn)3°，便于取下套筒。

(4)采用數(shù)碼扭矩顯示器，便于施工操作。

(5)質(zhì)量明顯低于國外同類產(chǎn)品，約輕10%。

(6)研制中空頭，解決了鋼管塔斜材處螺栓難以緊固的問題。

(7)采用無級調(diào)速，提升了緊固效率。

(8)軸承采用調(diào)芯設(shè)計，避免電機過熱，大大降低了噪音。

1.6 電動扭矩扳手經(jīng)濟效益分析

在“皖電東送”工程鋼管塔首基試點中，進(jìn)行了電動扭矩扳手試用檢驗。施工18標(biāo)K47塔(塔型:SZ322－60)，共有螺栓13471個，分別為6.8級螺栓10984個(型號分別為M16、M20)，8.8級螺栓2487個(型號分別為 M20、M24、M33、M36、M39)。使用SJDB-A400型扳手緊固12499個，平均螺栓緊固效率為15 s/顆;SJDB-A800型扳手緊固972個，平均螺栓緊固效率為45 s/顆?？傮w效果與實驗室試驗結(jié)果一致，緊固精度和緊固效率符合預(yù)期，具備全面推廣的條件。

在大扭矩螺栓緊固問題方面，電動扭矩扳手已成為必需工具。1套電動扭矩扳手費用在20萬元左右，技術(shù)日益成熟后，費用會進(jìn)一步降低。

2 電動扭矩扳手使用前景展望

所研制的電動扭矩扳手解決了大扭矩高強度螺栓緊固難題，緊固范圍為100～2500 N·m。因人力所能緊固的最大扭矩約為250 N·m，在緊固扭矩超過250 N·m時，必須采用電動扭矩扳手。隨著人力成本的提高和施工機械化水平的提升，螺栓緊固工作會逐步淘汰人力機械扳手，將更多地習(xí)慣于使用電動扭矩扳手等施工效率高、緊固精度高的新型機具。在未來輸電建設(shè)鐵塔組立施工中電動扭矩扳手將具有很好的使用和推廣價值。

3 結(jié)語

本項目所研究的高強度電動扭矩扳手，解決了“皖電東送”特高壓工程8.8級高強度螺栓緊固難題，并首次在工程中使用，填補了我國輸電線路工程建設(shè)電動扭矩扳手應(yīng)用的空白，引領(lǐng)了我國輸變電工程建設(shè)螺栓緊固的發(fā)展方向;提高了螺栓緊固的精度，進(jìn)一步保證了工程質(zhì)量，有效地保證了輸電線路結(jié)構(gòu)的長期運行安全?？梢哉雇?，電動扭矩扳手的大規(guī)模推廣應(yīng)用，必將推動螺栓緊固施工方法的革命性變革。

［1］曾國華.可控扭矩電動扳手的設(shè)計［J］.工具技術(shù)，2002，36(5):15-17.

［2］GB/T 15729—1995.扭力扳手通用技術(shù)條件［S］.

［3］黃錫愷.機械原理［M］.北京:高等教育出版社，1996.

［4］饒振綱.行星齒輪傳動設(shè)計［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［5］張有頤.轉(zhuǎn)矩測量技術(shù)［M］.北京:計量出版社，1986.

［6］文西芹，張永忠，寧曉明.逆磁致伸縮效應(yīng)扭矩傳感器的歷史現(xiàn)狀和趨勢［J］.傳感器世界，2002(2):1-7.

［7］曾國華.旋轉(zhuǎn)軸扭矩測量方法研究［J］.新技術(shù) 新工藝，2002(12):26-27.

［8］毛永紅.電阻應(yīng)變片粘貼位置對測量結(jié)果的影響［J］.硫磷設(shè)計，1997(1):31-35.

［9］［美］D.H.施因果德.傳感器的接口及信號調(diào)理電路［M］.徐德炳，譯.北京:國防工業(yè)出版社，1984.

［10］GB 3390.2—2004手動套筒扳手傳動方榫和方孔［S］.