大噸位雙軸傳動省力絲杠研究

盧輝琨，王祥祥，唐 勇，馬 儉，黃承壯

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司百色局，廣西 百色 533000）

0 引言

西電東送南通道分部于我國西南地區(qū)，西電東送主干網(wǎng)架將云南、貴州的清潔水電源源不斷地向廣東等大負荷中心輸送。為滿足電能輸送的需求，主干網(wǎng)架采用了超、特高壓交直流并存的形式進行遠距離大容量輸電。在我國西南地區(qū)建設(shè)遠距離大容量輸電線路，由于地理環(huán)境的限制，線路無法避開在大山、深溝、大河等復(fù)雜地形中穿梭，因此不得不設(shè)計、建設(shè)許多大檔距、大跨越的超、特高壓輸電線檔。輸電線路在跨越山谷、深溝等特殊地形時檔距大，一般為800 m 以上［1］。大檔距輸電線路桿塔的各項受力比常規(guī)檔距輸電線路桿塔大，如果是特高壓直流輸電線路桿塔，其綜合受力還會更大。當前特高壓柔性直流輸電技術(shù)已經(jīng)成熟，并進入了新的發(fā)展階段，國內(nèi)電網(wǎng)企業(yè)也緊跟國家能源戰(zhàn)略不斷調(diào)整，不斷促進新能源消納。由于新能源基地通常處于邊遠地帶，根據(jù)需要電能輸送可能會采用特高壓直流輸電方式，此時其桿塔受力比常規(guī)交直流輸電系統(tǒng)的桿塔有所加大。

在輸電線路的檢修工作中，更換自爆玻璃絕緣子或整串絕緣子最常用的絲杠是常規(guī)單軸傳動絲杠。當對大檔距輸電線路絕緣子進行檢修時，常規(guī)單軸傳動絲杠的兩端收緊量在使用過程中誤差較大，影響拆裝效率，傳動絲杠受力不平衡還會使工具過載，導(dǎo)致設(shè)備損壞、掉串甚至人員傷亡。本文研究了一種能夠?qū)⒋髧嵨缓奢d轉(zhuǎn)移的雙軸傳動絲杠，當大受力檔段線路停電或帶電檢修時，能夠很方便地進行大噸位荷載轉(zhuǎn)移，以滿足大檔距大噸位絕緣子更換工作的要求［2-3］，使得輸電線路檢修工作變得更加安全、靈活和高效。

1 雙軸傳動原理

本文研制的雙軸傳動省力絲杠用雙軸代替?zhèn)鹘y(tǒng)單軸進行滑動，基于阿基米德原理，將傳統(tǒng)絲杠的操作方向從水平改為豎直，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，在輕量化的前提下，其荷載能滿足大噸位荷載轉(zhuǎn)移的需求，具有摩擦力小，性能優(yōu)越的特點。在絲桿和螺母上加工有弧行螺旋槽，當兩者套裝在一起時便形成螺旋滾道，滾珠沿滾道滾動，并經(jīng)回珠器在兩相鄰滾道間來回循環(huán)運動，非常靈活，而且效率高，機械效率可達92%～98%。滾珠絲桿的軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動運動，所以能得到較高的機械效率。該雙軸傳動省力絲杠的驅(qū)動力矩是傳統(tǒng)單軸絲杠的1/3，可用于500 kV 及以上交流線路和±800 kV直流線路的耐張塔、直線塔絕緣串（片）的更換。

2 雙軸傳動絲杠結(jié)構(gòu)

該雙軸傳動省力絲杠的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括箱體、蝸桿、蝸輪、多個絲桿、安裝座五部分。與傳統(tǒng)單軸絲杠相比，雙軸傳動蝸桿可旋轉(zhuǎn)地安裝于本體結(jié)構(gòu)箱體內(nèi)，蝸輪位于箱體內(nèi)部，并與蝸桿相連，蝸輪上設(shè)有輸出部件。多個絲桿穿過箱體，分列于蝸輪的兩側(cè)，與手搖輸入部件相連，使得絲桿原地旋轉(zhuǎn)。安裝座連接多個絲桿，并與多個絲桿相嚙合，使安裝座隨多個絲桿的旋轉(zhuǎn)直線移動。安裝座共有2 個，分別安裝于絲桿的兩端，并對稱布置，以便2 個安裝座在蝸桿的驅(qū)動下反向遠離或靠近，減小雙軸傳動絲杠兩端收緊量的誤差，提高拆裝效率，避免出現(xiàn)雙軸傳動絲杠受力不平衡導(dǎo)致設(shè)備損壞、掉串甚至人員傷亡等情況。

圖1 雙軸傳動省力絲杠結(jié)構(gòu)圖

3 特點及應(yīng)用效果

該雙軸傳動省力絲杠采用模塊化設(shè)計，選用碳素鋼等優(yōu)質(zhì)材料，通過有限元仿真獲取力學(xué)性能參數(shù)，分析絲杠在加載狀態(tài)下主要部件的應(yīng)力、應(yīng)變及位移，確保在150 kN 的額定荷載下各主要部件的強度仍能滿足運行要求。該絲杠最大單件重量不超過3 kg，實現(xiàn)了大噸位張緊裝置輕量化，簡化了作業(yè)流程，減輕了檢修工作的勞動強度，提高了工作效率。與單件重量達20 kg 及以上的傳統(tǒng)裝置（鏈條葫蘆、液壓緊線器）相比，該雙軸傳動省力絲杠更適合山區(qū)交直流輸電線路耐張塔、直線塔絕緣串（片）的更換作業(yè)。

該雙軸傳動省力絲杠采用基于阿基米德原理的蝸輪蝸桿傳動方式，突破了常規(guī)絲杠單向傳動或齒輪滾動摩擦螺紋實現(xiàn)傳動的局限性。與液壓傳動裝置相比，其易于防止逆轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖，避免液壓傳動裝置夾緊力保持性差、泄壓不平穩(wěn)造成的設(shè)備損壞，

該雙軸傳動省力絲杠結(jié)構(gòu)緊湊，空間設(shè)計合理，具有性能高、體積小、重量輕等特點，提升了檢修效率。蝸桿端頭可實現(xiàn)多樣化操作模式，例如雙向棘輪操作桿式、旋轉(zhuǎn)手搖式、電動式等，便于操作，使用方便。

4 仿真受力分析

4.1 任務(wù)描述

在雙軸傳動省力絲杠的兩端施加120 kN 的拉力，計算其應(yīng)力分布。表1為關(guān)鍵部件材料特性。

表1 關(guān)鍵部件材料特性

雙軸傳動省力絲杠規(guī)格如圖2 所示，其整體長度為594～834 mm，行程為240 mm，動力由蝸輪和蝸桿帶動絲桿旋轉(zhuǎn)提供。

圖2 雙軸傳動省力絲杠規(guī)格

4.2 模型設(shè)置與求解

4.2.1 模型等效應(yīng)力

因為本次只對絲桿和卡板接頭進行靜力學(xué)分析，所以可將傳動的蝸輪、蝸桿、螺栓、刻度板、軸承及其箱體等部件省略，只保留需要分析的絲桿，卡板接頭和卡環(huán)部分。整體等效應(yīng)力圖如圖3 所示。由圖3 可見，卡板接頭區(qū)域應(yīng)力較大，需要進一步分析。

圖3 整體等效應(yīng)力圖

4.2.2 局部應(yīng)力和網(wǎng)格細化計算

局部放大并將網(wǎng)格細化后，應(yīng)力計算結(jié)果如圖4所示。由圖4 可見，在卡板接頭處存在應(yīng)力較大的區(qū)域，因此需要將該區(qū)域網(wǎng)格進一步細分，重新進行計算。網(wǎng)格進一步細分后發(fā)現(xiàn)，在卡板接頭（材料為60Si2Mn）的圓角處，應(yīng)力達到1445 MPa，超出了所用材料的屈服強度1176 MPa。通過以上分析可知，該雙軸傳動省力絲杠在卡板接頭與卡環(huán)配合的圓角處容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，如圖5 所示。初步分析原因可能為軸肩處的圓角與卡環(huán)在孔的位置處的圓角大小一致，當絲桿承受拉力時，處于該位置的單元除了承受拉力外，由于卡環(huán)存在一定程度的變形，卡環(huán)的圓角還會對軸肩圓角造成擠壓，因此該圓角在靠近兩根絲桿的左右兩側(cè)發(fā)生較大的應(yīng)力集中［4］。

圖4 網(wǎng)格細化后應(yīng)力計算結(jié)果

圖5 應(yīng)力集中位置

4.2.3 卡環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于在卡板接頭與卡環(huán)配合的圓角處存在應(yīng)力集中的情況，對卡環(huán)的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，將圓角改為倒角，并重新進行計算。將卡環(huán)的圓角改為倒角后，卡環(huán)與卡板接頭處的圓角不發(fā)生接觸，施加荷載后在卡板接頭軸肩的圓角處未發(fā)生應(yīng)力集中［5］，所受的最大應(yīng)力為800 MPa，未超過材料的屈服強度1176 MPa，符合要求。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后絲桿的應(yīng)力情況如圖6 所示。此時絲桿（材料為40 Cr）所受的最大應(yīng)力為618 MPa，未超過材料的屈服強度785 MPa，符合要求。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后卡環(huán)的應(yīng)力情如圖7 所示，此時卡環(huán)（材料為3Cr2Mo）所受的最大應(yīng)力為429 MPa，未超過材料的屈服強度705 MPa，符合要求。

圖6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后絲桿的應(yīng)力情況

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后卡環(huán)的應(yīng)力情況

4.3 蝸輪和蝸桿的強度計算

該雙軸傳動省力絲杠通過蝸桿帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，使得卡環(huán)和中間的絲桿水平向兩邊移動。進行檢修作業(yè)時，在大荷載力的作用下可能會導(dǎo)致蝸輪和蝸桿失效，為了驗證蝸輪和蝸桿的有效承載力，還應(yīng)對蝸輪和蝸桿進行受力分析。

4.3.1 蝸輪和蝸桿的材料及校核分析

蝸輪和蝸桿的材料不僅要具有足夠的強度，還要具有良好的跑合性、減磨性及耐磨性［6］。蝸桿一般用碳鋼或合金鋼制成，該雙軸傳動省力絲杠的蝸桿采用45 碳鋼，蝸輪采用40Cr碳鋼。在蝸桿傳動過程中，因為材料和結(jié)構(gòu)的不同，蝸桿螺旋齒的強度通常高于蝸輪齒的強度，所以失效常發(fā)生在蝸輪齒上。對閉式傳動而言，蝸桿的主要失效形式是齒面膠合或點蝕。因為蝸輪齒呈傾斜的曲梁弧狀，很少發(fā)生輪齒折斷，所以閉式傳動可以按照齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計校核，不必進行齒根彎曲疲勞強度校核，只有當蝸輪齒數(shù)為80～100 個時，才進行齒根彎曲強度校核。熱平衡計算是針對連續(xù)工作的蝸桿傳動而言的，該蝸桿不連續(xù)工作，因此不需要進行熱平衡計算。綜上，對該蝸輪和蝸桿進行校核時，需要分析齒面接觸疲勞強度。

4.3.2 齒面接觸應(yīng)力計算

蝸輪和蝸桿的具體參數(shù)分別如表2和表3所示。

表2 蝸輪參數(shù)

表3 蝸桿參數(shù)

齒面接觸應(yīng)力的計算公式如式（1）所示。

式中：σH為齒面接觸應(yīng)力；ZE為彈性影響系數(shù)；ZP為接觸系數(shù)，取2.5；T2為蝸輪所受力矩；K為工作情況系數(shù)；a為傳動中心距，其值為0.0375 m（按蝸桿傳動中心距取值）。

1）計算工作情況系數(shù)K。K的計算公式如式（2）所示。

式中：K1為使用系數(shù)，對于均勻平穩(wěn)沖擊，K1可取1；K2為齒向荷載分布系數(shù)，當蝸桿在平穩(wěn)狀態(tài)下工作時，由于工作表面的良好磨合，荷載分布不均勻現(xiàn)象得到緩解，K2可取1；K3為動載系數(shù)，當蝸輪圓周速度小于等于3 m/s 時，K3的取值范圍為1.0～1.1，計算時取最大值1.1。將K1、K2和K3的值代入式（2），可得K為1.1。

2）計算蝸桿傳動效率。理論上蝸桿傳動效率達到95%～97%才算合格，在本次校核計算中取97%，傳動效率η的計算公式如式（3）所示。

式中：p為摩擦角，取值為3°；γ為蝸輪導(dǎo)程角，其值為4.57°。將p和γ的值代入式（3），可得η為0.58。

3）計算蝸輪所受力矩T2。先計算蝸桿所受力矩T1，其計算公式如式（4）所示。

式中：Fa為蝸輪承受的軸向力；d1為蝸桿的公稱直徑，其值為0.015 m。

當在卡板接頭上施加120 kN 的額定荷載時，兩側(cè)與蝸桿連接的蝸輪所承受的荷載為蝸輪的軸向力Fa，即60 kN。將Fa和d1的值代入式（4），可得蝸桿所受力矩為450 N·m。

蝸輪所受力矩T2的計算公式如式（5）所示。

式中：i為倍率，取25。將T1、i和η的值代入式（5）可得蝸輪所受力矩為6525 N·m。

4）確定彈性影響系數(shù)ZE。選用40Cr 碳鋼蝸輪和45碳鋼蝸桿相互配合，由參考文獻［7］可知，彈性影響系數(shù)ZE為189.8。

5）確定許用接觸應(yīng)力［σH］。該雙軸傳動省力絲杠蝸輪材料的抗拉強度σB為810 MPa，而當蝸輪材料的抗拉強度σB≥300 MPa 時，蝸桿傳動的承載能力主要取決于齒面膠合強度。但目前尚無完善的膠合強度計算公式，故計算接觸強度，這是一種條件性計算。在查蝸輪齒面的許用接觸應(yīng)力時，要考慮相對滑動速度的大小。膠合不屬于疲勞失效，［σH］的值與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)無關(guān)，因此可直接從參考文獻［8］查到許用接觸應(yīng)力值。設(shè)滑動速度為1 m/s，根據(jù)參考文獻［8］可知材料的許用接觸應(yīng)力［σH］為117 MPa。

將K、ZE、ZP、T2、a的值代入式（1），計算得到齒面接觸應(yīng)力為5.5 MPa，小于材料的許用接觸應(yīng)力117 MPa，齒面接觸強度符合要求。

5 結(jié)語

本文研發(fā)的雙軸傳動省力絲杠已在南方電網(wǎng)得到廣泛推廣應(yīng)用，近一年來利用該絲杠開展超、特高壓帶電檢修126 次，多送電量60 000 MW·h，新增電量銷售3600 萬元，創(chuàng)造經(jīng)濟效益4200 萬元，相當于減少煤炭（標準煤）使用量44 280 t，減少排放二氧化碳35 890 t、粉塵10 730 t、二氧化硫1080 t、氮氧化物540 t，對減排和環(huán)保意義重大。雙軸傳動省力絲杠的開發(fā)與應(yīng)用，提升了特高壓線路運行維護水平，保障了線路安全、可靠運行。為了規(guī)范該工具的使用、保管、保養(yǎng)，后續(xù)還將編制作業(yè)指導(dǎo)書，進一步規(guī)范作業(yè)流程，加強對該工具使用的培訓(xùn)，提高線路檢修人員的操作技能。