輸電線路大型地腳螺栓自動(dòng)扭矩扳手設(shè)計(jì)

劉陽(yáng) 張川 潘正婕 張振 喬智晟 姚曉東

摘? ?要：輸電線路鐵塔屬于空間桁架結(jié)構(gòu)，鐵塔與地基之間用地腳螺栓進(jìn)行連接，大型地腳螺栓直徑大、安裝空間狹小、擰緊力矩?zé)o標(biāo)準(zhǔn)且扭矩控制要求精度高。本文通過(guò)理論計(jì)算常用輸電線路鐵塔用地腳螺栓擰緊力矩，建立輸電桿塔地腳螺栓擰緊力矩參考標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)適用于輸電線路鐵塔特殊環(huán)境下地腳螺栓緊固的數(shù)顯扭矩扳手和扭矩倍增器，安全高效地完成輸電線路地腳螺栓的緊固。

關(guān)鍵詞：擰緊力矩? 數(shù)顯扭矩扳手? 扭矩倍增器

中圖分類號(hào)：TM75? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）03（a）-0083-02

目前，輸電桿塔地腳螺栓的安裝仍面臨諸多困難和挑戰(zhàn)[1]。一方面， 隨著輸電線路電壓等級(jí)的升高以及輸電線路鐵塔體積的增大，對(duì)于輸電鐵塔地腳螺栓的安裝質(zhì)量提出了更高更嚴(yán)格的要求，而目前地腳螺栓的安裝普遍存在可靠性、準(zhǔn)確性的問(wèn)題。另一方面，由于輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)及施工要求的特殊性，安裝空間十分有限，輸電線路鐵塔地腳螺栓通過(guò)人力采用普通機(jī)械扭矩扳手緊固仍是目前螺栓安裝的主要方法，施工效率低。人工手動(dòng)安裝主觀性太強(qiáng)，僅僅通過(guò)經(jīng)驗(yàn)判斷地腳螺栓是否擰緊，缺乏有效可靠的技術(shù)支撐，可能導(dǎo)致過(guò)松或者過(guò)擰，引發(fā)事故。

為此，精確計(jì)算不同工況下的不同尺寸系列的常用輸電鐵塔地腳螺栓的擰緊力矩，建立輸電線路鐵塔地腳螺栓擰緊力矩參考標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)適用于輸電線路鐵塔地腳螺栓緊固的數(shù)顯扭矩扳手和扭矩倍增器，對(duì)保證輸電鐵塔及架線施工安全，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有十分重要的意義。

1? 輸電桿塔地腳螺栓擰緊力矩參考標(biāo)準(zhǔn)的建立

現(xiàn)有的輸電鐵塔地腳螺栓的施工基本采用人工手動(dòng)方式，僅憑工人經(jīng)驗(yàn)確定擰緊力矩，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且可能造成地腳螺栓的欠擰或過(guò)擰，這也是全國(guó)范圍的電力施工所面臨的問(wèn)題?，F(xiàn)有的螺栓擰緊力矩標(biāo)準(zhǔn)是2012年制定的，最大螺栓直徑僅為48mm，而實(shí)際應(yīng)用的地腳螺栓直徑可達(dá)到100mm，之間是沒(méi)有任何可參考的擰緊力矩標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，該參考標(biāo)準(zhǔn)是不考慮潤(rùn)滑、墊片情況的，實(shí)際施工的地腳螺栓使用的潤(rùn)滑介質(zhì)不同且一般都有墊片，因此不能精確反映地腳螺栓實(shí)際需要的擰緊力矩。而不論是兩被連接件間的壓緊力還是螺栓上的軸向預(yù)緊力，在工作現(xiàn)場(chǎng)很難檢測(cè)到，也就很難予以直接控制。

本文擬采取扭矩控制法、屈服點(diǎn)控制法、扭矩-轉(zhuǎn)角控制法（TA）和螺栓伸長(zhǎng)法（QA）四種方法結(jié)合，根據(jù)輸電桿塔設(shè)計(jì)使用地腳螺栓的材料及尺寸結(jié)構(gòu)參數(shù)，精確計(jì)算地腳螺栓的擰緊力矩，建立常用輸電桿塔地腳螺栓擰緊力矩基本參考標(biāo)準(zhǔn)。

在扭矩扳手控制法理論計(jì)算輸電桿塔地腳螺栓的擰緊力矩基礎(chǔ)上，通過(guò)扭矩-轉(zhuǎn)角控制法（TA）、屈服點(diǎn)控制法、螺栓伸長(zhǎng)法（QA）實(shí)驗(yàn)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，得到輸電桿塔地腳螺栓擰緊力矩參考標(biāo)準(zhǔn)。

2? 數(shù)顯扭矩扳手與扭矩倍增器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

2.1 數(shù)顯扭矩扳手的設(shè)計(jì)

本文針對(duì)實(shí)際工況下輸電鐵塔地腳螺栓的規(guī)格、使用環(huán)境以及地腳螺栓在裝配時(shí)需要達(dá)到的裝配精度要求，提出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，兼具經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性的數(shù)顯扭矩扳手，同時(shí)通過(guò)輔助工具扭矩倍增器適用于螺栓規(guī)格大的擰緊力矩。

如圖1所示，通過(guò)人工在電子控制系統(tǒng)的觸控按鍵中輸入螺栓直徑值，電子控制系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)置螺栓規(guī)格和擰緊力矩的關(guān)系，自動(dòng)設(shè)定所需施加的擰緊力矩顯示在LED電子顯示屏中，手動(dòng)調(diào)節(jié)扭矩等級(jí)調(diào)節(jié)裝置，使得內(nèi)置彈簧預(yù)緊力大小于相應(yīng)等級(jí)，即該等級(jí)的扭矩區(qū)間值適應(yīng)于該螺栓規(guī)格所需扭矩值，此扭矩扳手測(cè)力原理為扭矩扳手頭部相對(duì)于外套筒以圓柱銷(xiāo)為中心旋轉(zhuǎn)很小范圍的角度，通過(guò)杠桿將力傳遞給頂桿產(chǎn)生徑向運(yùn)動(dòng)，壓縮彈簧，壓力傳感器測(cè)量此時(shí)的壓力。調(diào)節(jié)內(nèi)置彈簧預(yù)緊力范圍可以增加測(cè)量扭矩值的范圍（螺栓擰緊力較大，彈簧預(yù)緊力較小時(shí)，當(dāng)扭矩扳手角度旋轉(zhuǎn)到最大時(shí)，傳感器的測(cè)量值沒(méi)有達(dá)到螺栓的最大擰緊力，通過(guò)增大彈簧的預(yù)緊力，可以使扭矩扳手的旋轉(zhuǎn)角度在旋轉(zhuǎn)范圍之內(nèi)，準(zhǔn)確測(cè)量螺栓的最大擰緊力），同時(shí)提高擰緊的精度，擰緊時(shí)，調(diào)節(jié)扭矩扳手的長(zhǎng)度，即通過(guò)調(diào)節(jié)力臂的大小，使操作更加便捷。

設(shè)計(jì)的數(shù)顯扭矩扳手的頭部安裝有棘輪和換向裝置，可以使設(shè)備進(jìn)行雙向操作。操作人員根據(jù)扭矩值，旋轉(zhuǎn)扭矩等級(jí)調(diào)節(jié)裝置，由于調(diào)節(jié)桿與扭矩等級(jí)調(diào)節(jié)裝置通過(guò)墊片、螺栓相連接，即手動(dòng)旋轉(zhuǎn)扭矩等級(jí)調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)桿相應(yīng)的在內(nèi)套筒中徑向向前或向后運(yùn)動(dòng)，以此壓縮和放松彈簧，使該等級(jí)扭矩區(qū)間適應(yīng)于該螺栓直徑所需扭矩，可以相應(yīng)增大扭矩扳手的測(cè)量值范圍，相對(duì)于依據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)，扭矩扳手采用壓力傳感器，可以提高擰緊的精度。本數(shù)顯扭矩扳手使用方便，可降低勞動(dòng)強(qiáng)度，適用于地腳螺栓的安裝環(huán)境，提高施工效率。

2.2 扭矩倍增器的設(shè)計(jì)

在螺栓裝配中，為保證螺栓聯(lián)接的可靠性及疲勞強(qiáng)度，必須使螺栓聯(lián)接有足夠的預(yù)緊力，這在很大程度上取決于扭矩扳手?jǐn)Q緊力的大小，但是在機(jī)械行業(yè)中很多較大的機(jī)器需要高強(qiáng)度的預(yù)緊力，這個(gè)力是一般工作人員在利用扭矩扳手中所不能或難以達(dá)到的。為此，設(shè)計(jì)一種扭矩倍增器，如圖2所示。扭矩倍增器是一種可以為操作者提供扭矩放大的裝置，扭矩倍增器具有確定的輸入端主要為其提供動(dòng)力，提高工作的效率[6]。

扭矩倍增器是由一圓周或行星齒輪組合在不同組合階層來(lái)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)出力，每一階層齒輪扭矩放大倍率因數(shù)設(shè)為K（K的具體大小由齒輪的半徑比決定，我們這里設(shè)計(jì)K=5），在行星型齒輪系統(tǒng)中，扭矩是經(jīng)由中心齒輪輸入和輸出。由三個(gè)或四個(gè)行星齒輪與中心結(jié)合帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。倍增器外殼內(nèi)的圓周齒輪與環(huán)繞內(nèi)部行星型齒輪嚙合，但是相對(duì)與內(nèi)部行星齒輪旋轉(zhuǎn)而言，旋轉(zhuǎn)方向是相反的。反作用力臂可以防止與圓周齒輪一體的外殼旋轉(zhuǎn)，而使行星齒型齒輪繞中心齒輪旋轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)方頭旋轉(zhuǎn)，從而輸出扭矩。如果沒(méi)有反作用力臂則無(wú)法輸出扭矩。

由公式：扭矩*轉(zhuǎn)速=功率（由M=F*r，V=ω*r，P=F*V推的P=M*ω）可知當(dāng)輸入功率一定時(shí)，減小ω的值可使輸出扭矩增大。故扭矩倍增器實(shí)際就是一個(gè)通過(guò)行星輪系降低ω值的裝置。

其中一個(gè)行星齒輪如圖3所示，設(shè)外齒輪半徑為R，其角速度即為輸出角速度ω2，而半徑為r的主動(dòng)齒輪角速度ω1即為輸入角速度。它們是通過(guò)中間的齒輪傳遞能量。假設(shè)這里沒(méi)有能量的損失，即輸入的功率P1等于輸出的功率P2。

故由上述的公式：P=M*ω得

M1*ω1=M2*ω2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

又由內(nèi)外齒輪的運(yùn)動(dòng)線速度V相等，即w1*r=w2*R，得

M2/M1=ω1/ω2=R/r? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

即輸入輸出扭矩之比即為齒輪的半徑比：R/r。

一個(gè)行星輪可以將扭矩倍增為R/r倍。本文設(shè)計(jì)R=10cm，r=2cm，這樣一級(jí)行星輪便可以將扭矩增加5倍。由于體積和能量損失的限制我們將選擇2級(jí)行星齒輪系，這樣便可以將輸入的扭矩增加5×5=25倍。

3? 結(jié)語(yǔ)

對(duì)輸電桿塔地腳螺栓進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，深入研究螺栓擰緊力矩標(biāo)準(zhǔn)體系和標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，對(duì)實(shí)際工況下的螺栓擰緊力矩進(jìn)行精確計(jì)算，為輸電桿塔地腳螺栓的安裝時(shí)的擰緊力矩提供一定的指導(dǎo)意義。同時(shí)，查閱國(guó)內(nèi)外的扭矩扳手發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)在實(shí)際的安裝環(huán)境，設(shè)計(jì)一種適用于特殊安裝環(huán)境的專用扭矩扳手，考慮經(jīng)濟(jì)價(jià)值與實(shí)用性，對(duì)扭矩扳手進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)設(shè)計(jì)與數(shù)顯扭矩扳手量程匹配的扭矩倍增器，兼具實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到利益的最大化。

參考文獻(xiàn)

[1] 李漢孟.輸電線路鋼管桿基礎(chǔ)地腳螺栓群安裝質(zhì)量控制[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（10）：131-132.

[2] 沈桂英.螺栓擰緊力矩的計(jì)算[J].油田地面工程，1994（3）：56-58.

[3] 朱正德，林湖.基于螺栓裝配技術(shù)中扭矩法與扭矩/轉(zhuǎn)角法比較與應(yīng)用研究[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2005（2）：40-43.

[4] 張甫生.采用屈服點(diǎn)擰緊法的螺栓聯(lián)接計(jì)算方法[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，1989（2）：30-34.

[5] 謝偉偉.測(cè)伸長(zhǎng)量法在控制連桿螺栓預(yù)緊力中的應(yīng)用[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2014（1）：43-45.

[6] 王飛.扭矩倍增器應(yīng)用及連接桿改造[J].能源與節(jié)能，2017（6）：144-145.