往復(fù)振動式接地棒輔助鉆入機結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

云南電網(wǎng)有限責任公司普洱供電局 李學妨 何春紅 肖代維 段永進

往復(fù)振動式接地棒輔助鉆入機是運用在電力施工領(lǐng)域的一種輔助式設(shè)備。接力棒是重要的電力檢修設(shè)備，在高壓輸電線路運維檢修過程中不可或缺，陳偉雄[1]等人研制了一種可旋轉(zhuǎn)式的高壓接地棒，可實現(xiàn)不受接線夾件角度限制的功能，能夠靈活、可靠、牢固得進行接地操作；錢程[2]等設(shè)計了一種頭部可旋轉(zhuǎn)式的輸電線路接地棒，用于輸電線路檢修時安裝短接地線。易啟勝[3]等研制了一種使用于變電站的絕緣接地棒。朱匯文[4]研制了一種新型便攜式的臨時接地棒裝拆輔助工具。但這些也只是在接地棒上進行改良，并沒有使得接地棒的插入變得簡單、安全。傳統(tǒng)的接力棒還要停留在機械人工階段，在狹小的環(huán)境中安裝接地棒極為不便且不安全，并且在實際情況中，在某些硬質(zhì)泥土中，依靠人力將極大地損耗工作人員體力且拔出也是一個費時費力的過程，工作效率低下并易發(fā)生安全事故。

本文提出一種往復(fù)振動式接地棒輔助鉆入機，結(jié)構(gòu)與氣壓電錘類似，由兩個活塞和氣缸組成其氣動系統(tǒng)，連接桿、錘頭組成其沖擊系統(tǒng)。其使用氣體作為彈性儲能介質(zhì)來加速撞錘產(chǎn)生動能，實現(xiàn)錘擊工作頭的對外做功?？蓪崿F(xiàn)對接地棒的輕松插入泥土中，其通過齒輪帶動連桿、連桿帶動活塞，活塞壓縮氣體從而對錘頭進行往復(fù)式的敲擊，前端錘頭裝有固定接地棒的裝置。其優(yōu)點是通過氣體壓縮產(chǎn)生的力敲擊錘頭從而將接地棒打入地下，這樣可降低勞動強度、提升工作效率，同時還能最大限度的保證工人的安全性?，F(xiàn)今對于此類設(shè)備的研發(fā)與設(shè)計還處于起步階段，針對此類情況的專有設(shè)備極少，而本設(shè)備可廣泛應(yīng)用于接地棒的輔助鉆入作業(yè)中，擁有較大的發(fā)展空間。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

筆者所設(shè)計的往復(fù)振動式接地棒輔助鉆入機整體結(jié)構(gòu)包括機械傳動部分、外殼、動力部分（電源、電機）以及操控部分；裝置最頂部為操控部分，操控部分固定在外殼的最上面，外殼內(nèi)部從上至下依次安裝了動力部分以及機械傳動部分。機械傳動部分包括接地棒固定軸、連接軸、直線軸承、小彈簧、大彈簧、活塞錘、活塞、大齒輪軸、大齒輪以及活塞連桿；大齒輪活動連接在大齒輪軸上，活塞連桿兩端分別活動連接大齒輪以及活塞，活塞與活塞錘之間為空氣，活塞錘的下部為連接軸，小彈簧、大彈簧分別在連接軸軸肩兩側(cè)，連接軸與直線軸承套合在一起，直線軸承在小彈簧下面，連接軸的最底端與接地棒固定軸固連。動力部分包括電源、電機及小齒輪；電源、電機分別固定在操控正下方的兩端，小齒輪固連在電機軸上。操控部分設(shè)計初衷是為了讓手臂更省力。動力部分采用電機帶動齒輪軸帶動齒輪進行傳動，傳動效率以及傳動精度較高。

1.2 傳動機構(gòu)設(shè)計

該鉆地機的關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)設(shè)計在于機械傳動部分，機械傳動部分包括接地棒固定軸、連接軸、直線軸承、彈簧、活塞錘、活塞、齒輪等部件。接地棒固定軸與接地棒通過螺栓連接，保證連接強度與可靠度；因為活塞需要錘擊連接桿從而帶動錘頭進行工作，連接桿與外殼之間有相對移動，所以連接桿與固定外殼之間裝有一個直線軸承，直線軸承可降低連接桿移動中的摩擦力，提高工作效率，同時還能保證傳動的精度。氣缸外殼中有設(shè)置有兩個活塞，活塞1與連桿連接，齒輪帶動連桿進行往復(fù)運動，在運動的過程中壓縮兩個活塞之間的空氣從而帶動活塞2運動錘擊連接桿。在連接軸上裝有一大一小兩個彈簧，其作用是保證活塞桿保持一定的行程，同時緩解活塞與連接桿之間錘擊而產(chǎn)生的沖擊與振動。

圖1 整體機構(gòu)圖

圖2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖1中1為機械傳動部分，2為鉆入機外殼，3為操控部分；圖2中4為鉆入機錘頭，5為連接桿，6為直線軸承，7為小彈簧，8為大彈簧，9為活塞A，10為活塞B，11為大齒輪軸，12為電源，13為操控桿，14為電機，15為小齒輪，16為大齒輪，17為連桿。

1.3 工作原理

在將接地棒安裝在鉆入機上后，操作人員手握著操控部分的操控桿對機器施加一個垂直向下的力，然后啟動電機，電機軸帶動小齒輪、小齒輪再帶動大齒輪轉(zhuǎn)動，從而給與大齒輪連接的連桿一個扭矩，連桿帶動活塞1進行往復(fù)運動，兩活塞之間的氣體受到壓縮產(chǎn)生一個向下的力使得活塞2進行運動，在活塞2進行運動的同時，因為操作人員給鉆入機施加了一個垂直向下的力，所以地面會給接地棒一個反作用力使得接地棒向上運動，然后帶動連接桿運動，同時活塞向下錘擊連接桿，然后連接桿又會向下運動，從而達到了往復(fù)運動的效果。該機器最關(guān)鍵的工作過程就是通過壓縮兩活塞間的空氣，同時通過地面的反作用力從而實現(xiàn)往復(fù)運動。在沒有鉆入機而通過人力想要將接地棒打入地下18mm的深度大概需要200N的力，而通過鉆入機的輔助作用這個力會大大減小。

2 理論計算

圖3 a活塞B最高點 b活塞B處于最低點 c連桿處于最大力矩處

筆者設(shè)計的這種接地棒輔助鉆入機實現(xiàn)預(yù)期功能的關(guān)鍵在于壓縮兩活塞之間的氣體從而產(chǎn)生推力。而要想能夠壓縮兩活塞之間的氣體，齒輪就需給連桿提供足夠的力矩、從而帶動連桿進行運動帶動活塞進行運動壓縮氣體。具體的計算步驟為：計算出活塞運動一定行程所壓縮的氣體所產(chǎn)生的壓強，然后根據(jù)壓強的大小算出力的大小，最后根據(jù)需要的最大力矩連桿所在的位置求解出帶動連桿所需的最大力矩。連桿在最高、最低、以及最大力矩位置如圖3。

根據(jù)波義耳定律[5]：P1V1=P2V2，P1=1.013×105Pa，為一個標準大氣壓，是當活塞B處于最高點時，氣體還未壓縮時的氣缸內(nèi)的壓強，此時 的 體 積V1=πr21h1=8.4512×10-5mm3，其 中r1=0.021mm，h1=0.061mm，V2為連桿運動到最底端時氣缸內(nèi)的氣壓，r1為A活塞底面的半徑，則V2=πr22h2=4.1563×10-5mm3，其中r2=0.021mm，h2=0.03mm，則P2=P1V1/V2=2.06×105Pa，則活塞受到的壓力為F=(P2-P1)×S=145N，則所需要的最大扭矩為T=F×L1=2.25n·m，式中L1為連桿與齒輪回轉(zhuǎn)中心的最長力臂。最后可根據(jù)該最大力矩的大小選擇合適的可以帶動齒輪的電機。

3 仿真分析

基于Solidworks三維軟件，在軟件中建立鉆入機三維模型，再將三維模型導(dǎo)入Adams軟件中進行運動仿真，驗證其運動連續(xù)性和鉆入機是否能進行往復(fù)運動。根據(jù)鉆入機理論上的傳動情況給鉆入機添加相應(yīng)的移動副、轉(zhuǎn)動副以及相應(yīng)的驅(qū)動。首先需要電機軸帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，所以在電機軸上添加旋轉(zhuǎn)副，然后給小齒輪添加轉(zhuǎn)動副，給大齒輪添加轉(zhuǎn)動副，在小齒輪與大齒輪之間添加齒輪副；然后在連桿與大齒輪、連桿與活塞A之間添加轉(zhuǎn)動副，在活塞A與活塞B之間添加固定副，最關(guān)鍵的是在連接桿與活塞B之間添加兩個數(shù)據(jù)單元以保證相應(yīng)的運動；最后給機構(gòu)添加上相應(yīng)的驅(qū)動，第一個驅(qū)動為轉(zhuǎn)動驅(qū)動、添加在電機桿上，第二個驅(qū)動為移動驅(qū)動、添加在連接桿上。

圖4 活塞A位置、速度、加速度

圖5 活塞B位置、速度、加速度

圖6 錘頭位置、速度、加速度

對機構(gòu)進行運動仿真，設(shè)置相應(yīng)的時間與步數(shù)。打開軟件的后處理模塊，在相應(yīng)的模塊中對于鉆入機各個構(gòu)件，可針對各個構(gòu)件添加其相應(yīng)的結(jié)果曲線。由圖4～6可知，活塞A、活塞B、錘頭的位移、速度、加速度等均呈周期性變化，符合預(yù)期設(shè)想和實際使用。

綜上，本文設(shè)計的往復(fù)振動式接地棒輔助鉆入機結(jié)構(gòu)簡單、新穎，工作原理簡單，易于實現(xiàn)其預(yù)期功能。該鉆入機通過氣壓來實現(xiàn)傳動，具有清潔、低能耗的特點，且?guī)踊钊麎嚎s氣體所需要的力矩小。在社會上針對此類設(shè)備的研究較少，該機結(jié)構(gòu)可為樣機的制造提供參考。