輸電線路桿塔螺栓緊固扳手研究

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕頭供電局 孔祥美 劉 程 林少偉 廖麗陽(yáng) 洪偉程

在我國(guó)，能源資源產(chǎn)地與能源使用地區(qū)間存在較大的不均衡，這促進(jìn)了“南北互供、西電東送、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”三個(gè)主要措施在我國(guó)的開(kāi)展實(shí)施。輸電線路作為措施執(zhí)行過(guò)程中極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其長(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境中，較多地受到氣象條件和環(huán)境因素的影響。電網(wǎng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障不能正常供電的情況，主要就是由于輸電線路中的設(shè)備存在缺陷。為了保證電力輸送系統(tǒng)進(jìn)行可靠、穩(wěn)定的電力輸送，針對(duì)輸電線路進(jìn)行一定頻率的巡回檢查重要且必要。

由于輸電線路所處的地域廣闊，跨越多種地形結(jié)構(gòu)、地理構(gòu)造和氣候條件，其中部分桿塔架所處的地段地理?xiàng)l件和氣象條件尤為惡劣，在外界環(huán)境作用下容易導(dǎo)致輸電桿塔螺栓松動(dòng)，因此每隔3～5年要對(duì)輸電桿塔螺栓緊固工作。目前進(jìn)行螺栓的緊固工作主要依靠使用力矩扳手。力矩扳手的動(dòng)力供應(yīng)方式主要包括電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、氣體驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)三種類型[1]。其中電動(dòng)驅(qū)動(dòng)在三種類型中是目前應(yīng)用最多的力矩扳手動(dòng)力驅(qū)動(dòng)類型。它有如下突出優(yōu)點(diǎn)：高性價(jià)比、大功率、操作方便、易于維護(hù)等[2]。

電動(dòng)力矩扳手作為一種電力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械工具，用于對(duì)輸電線路中電力設(shè)備進(jìn)行螺栓緊固、螺母的拆卸、電力設(shè)備的安裝和拆卸等[3]。電動(dòng)力矩扳手又叫做定扭矩電動(dòng)扳手，是指可以通過(guò)功能設(shè)置來(lái)調(diào)整扭矩值大小的的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)扳手[4,5]。目前國(guó)內(nèi)輸電鐵塔螺栓緊固采用工人手持扳手完成緊固操作，該過(guò)程效率低、輸出扭矩小，扭矩的控制精度較低，因而無(wú)法最大程度上保障螺栓的連接緊固程度是否具備高可靠性。

在輸電線路的實(shí)際施工操作中，于野外進(jìn)行的施工作業(yè)其施工地點(diǎn)多變、施工自然環(huán)境較為復(fù)雜、架設(shè)輸電線路的桿塔往往高度較高、線路設(shè)備的螺栓規(guī)格種類及數(shù)量繁多、且要求施工時(shí)緊固效率要高[6]，因此必須通過(guò)電動(dòng)力矩扳手的使用才能保證較大的力矩輸出，以提高線路架設(shè)和檢修施工中機(jī)械化作業(yè)效率、降低施工人員的總勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省人力成本。

輸電桿塔螺栓緊固是保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，傳統(tǒng)的人工緊固操作方法效率低，輸出扭矩小，扭矩控制精度低。針對(duì)以上問(wèn)題，本文對(duì)電動(dòng)力矩扳手進(jìn)行了研究，研究表明，對(duì)轉(zhuǎn)子總斜極角度為最佳斜極角度時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩峰值下降更為明顯；且隨著轉(zhuǎn)子分段數(shù)的增加齒槽轉(zhuǎn)矩下降越多。

1 電動(dòng)力矩扳手的工藝原理

力矩扳手也叫扭力扳手或扭矩扳手，力和距離的乘積稱之為力矩。我們需要控制力距的大小，從而保證在緊固或拆卸螺栓等螺紋緊固件時(shí)，既能夠滿足緊固和拆卸的標(biāo)準(zhǔn)要求、又不至于因力矩過(guò)大而破壞螺栓等構(gòu)件。所以在使用扭矩扳手來(lái)緊固或拆卸螺栓等螺紋緊固件時(shí)，需要事先設(shè)置好扭矩值的上限，當(dāng)工作過(guò)程中施加的扭矩值達(dá)到事先的上限值時(shí)，扭矩扳手會(huì)發(fā)出提醒并自動(dòng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這意味著螺栓已經(jīng)緊固或拆卸到事先設(shè)置好的扭矩上限值。

輸電線路鐵塔螺栓緊固或拆卸過(guò)程中使用電動(dòng)的扭矩扳手，實(shí)際是在常規(guī)扭矩扳手的原理上、通過(guò)電力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)緊固或拆卸螺栓的，實(shí)現(xiàn)緊固或拆卸過(guò)程中使用手動(dòng)扳手無(wú)法實(shí)現(xiàn)的力矩。輸電線路螺栓緊固或拆卸一般存在點(diǎn)多、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變、作業(yè)高度高，角度復(fù)雜，螺栓規(guī)格型號(hào)多等特點(diǎn)。采用人工緊固或拆卸時(shí)間長(zhǎng)、效率低。而使用電動(dòng)的扭矩扳手來(lái)緊固或拆卸輸電線路鐵塔上的螺栓，能夠有效提高機(jī)械化水平，降低工作人員的勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，提高工作效率。

2 力矩扳手的發(fā)展及現(xiàn)狀

世界上最早的扭矩扳手是圖1所示的手動(dòng)指針式扭矩扳手，手動(dòng)指針式扭矩扳手在操作過(guò)程中主桿容易變形、指針不變形來(lái)產(chǎn)生讀數(shù)，具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障低、容易操作的特點(diǎn)[7]。缺點(diǎn)是實(shí)際使用過(guò)程中誤差大，刻度值不是一成不變的，而使隨著使用過(guò)程中力的變化而變化，導(dǎo)致扭矩不容易控制。

圖1 指針式扭矩扳手

隨著扭矩扳手的不斷進(jìn)步，機(jī)械式的過(guò)載失效扭矩扳手應(yīng)運(yùn)而生，機(jī)械式的過(guò)載失效扭矩扳手通常是棘輪頭構(gòu)造，當(dāng)給扳手施加的扭矩達(dá)到其中彈簧的預(yù)設(shè)后，棘輪頭會(huì)發(fā)生打滑，扭矩得到釋放。通過(guò)不斷地研究和發(fā)展，扭矩扳手逐漸進(jìn)入到電子技術(shù)階段，電子技術(shù)應(yīng)用到扭矩扳手里，顯示器、傳感器以及各種微處理器的應(yīng)用產(chǎn)生了數(shù)顯式扭矩扳手。經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展與完善，數(shù)顯扭矩扳手技術(shù)目前已非常成熟。

扭矩扳手從傳統(tǒng)的指針式扭矩扳手發(fā)展到現(xiàn)在具備多種功能的數(shù)顯扭矩扳手，扭矩扳手的技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了非常大地跨越。目前現(xiàn)有的扭矩扳手具有以下優(yōu)點(diǎn)：扭矩扳手的各種技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟和穩(wěn)定；操作界面更加的人性化；在數(shù)據(jù)處理方面比較成熟。但也存在較多不足：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和操作復(fù)雜；精度高的價(jià)格通常也比較高。所以未來(lái)的扭矩扳手應(yīng)該朝著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、性能穩(wěn)定等方向發(fā)展。

3 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的力矩扳手的電機(jī)

電動(dòng)力矩扳手通常使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)大多以單相串勵(lì)電機(jī)為主。該電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。由結(jié)構(gòu)圖可知，電樞繞組和勵(lì)磁繞組互相串聯(lián)。單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)是可以使用交流電、也可以使用直流電的電機(jī)，該電機(jī)可以通過(guò)調(diào)整電壓來(lái)進(jìn)行調(diào)速的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整[8]，它能夠適應(yīng)的工作電壓范圍很廣；而且該電機(jī)在發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障時(shí)勵(lì)磁電流比較大，不容易發(fā)生燒壞不能使用的情況。

圖2 單相串勵(lì)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快、效率高、功率大，并且單位功率的重量和體積都比較小，因而被廣泛地使用在各種電動(dòng)機(jī)械工具中[9-10]。但它與直流電機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)比較相似，主要部件包括電樞、換向器、電刷等，所以同直流電機(jī)類似，它出現(xiàn)換向器和電刷故障的幾率較大。

對(duì)于永磁電機(jī)，近年來(lái)各廠商在設(shè)計(jì)中去掉了碳刷和滑環(huán)結(jié)構(gòu)，因而變得易于維護(hù)保養(yǎng)，進(jìn)而得到更為廣泛的應(yīng)用。早先其被使用在家用的小型力矩電動(dòng)扳手中。永磁同步電機(jī)的勵(lì)磁使用的是永磁體，因而其較為突出的優(yōu)點(diǎn)如下。

根據(jù)永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方式，在正常工作情況下，它的定子和轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的磁場(chǎng)將會(huì)保持同步轉(zhuǎn)動(dòng)，因而轉(zhuǎn)子不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，因而轉(zhuǎn)子電阻和磁滯帶來(lái)的損耗是不存在的，所以永磁同步電機(jī)的功率一般都較高；因?yàn)檗D(zhuǎn)子中不會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生，并且其定子繞組表現(xiàn)為阻性負(fù)載，所以永磁同步電機(jī)的實(shí)際使用功率因數(shù)幾乎等于1，進(jìn)行減少了流經(jīng)定子的電流需要，所以永磁同步電機(jī)電效率得以提高。

由于轉(zhuǎn)子電阻小到可以忽略不計(jì)，基本不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)子的電阻熱損耗，而且定子繞組又是阻性負(fù)載，所以在永磁同步電機(jī)中幾乎不存在無(wú)功電流，因而在使用中電機(jī)所發(fā)生的溫度升也往往較低，最大程度避免了溫度過(guò)高導(dǎo)致的元件老化甚至損壞；鑒于永磁同步電機(jī)的最新中去掉了碳刷和滑環(huán)結(jié)構(gòu)這兩種部件，其體積、質(zhì)量、耗材用料等都得以較大程度的減小；永磁同步電機(jī)在對(duì)稱負(fù)載時(shí)，電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)主極磁場(chǎng)基波產(chǎn)生的影響小，即電樞反應(yīng)小，因而其具備非常強(qiáng)的抗過(guò)載能力，穩(wěn)定性得以提高。

永磁同步電機(jī)依靠以上5個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，更重要的是體積不大、重量輕便、力矩輸出高、功率大、電效率高，使得使用永磁同步電機(jī)的電驅(qū)動(dòng)力矩扳手往往具有便于攜帶且功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，十分適用于高空作業(yè)，因此本文的設(shè)計(jì)中將選擇永磁同步電機(jī)作為螺栓力矩扳手的動(dòng)力電機(jī)。

4 永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩

我們?cè)贛axwell 2D 仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中使用一臺(tái)10極46槽永磁同步電機(jī)，其仿真參數(shù)配置下：定子的槽數(shù)46、轉(zhuǎn)子的極數(shù)10、定子的外徑210、轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑75、電機(jī)的相數(shù)3。圖3為在總斜極角度的值使用7.5°的時(shí)候，齒槽轉(zhuǎn)矩最大值與轉(zhuǎn)子分段數(shù)的關(guān)系函數(shù)。從圖3所示的齒槽轉(zhuǎn)矩最大值與轉(zhuǎn)子分段數(shù)的關(guān)系函數(shù)曲線可知，齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著轉(zhuǎn)子分段數(shù)的變大而變小。

圖3 齒槽轉(zhuǎn)矩峰值隨轉(zhuǎn)子分段數(shù)的變化曲線（總斜極角度為7.5°）

圖4是當(dāng)轉(zhuǎn)子分段數(shù)取值分別為2、3以及4的時(shí)候，在7.5°的總斜極角度變化時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩最大值的變動(dòng)情況。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得知，在轉(zhuǎn)子使用分段的斜極結(jié)構(gòu)時(shí)，實(shí)踐中最優(yōu)的斜極角度與理論上的最優(yōu)值并不完全一致，但差別較小，根據(jù)函數(shù)曲線的走勢(shì)，當(dāng)轉(zhuǎn)子分為兩段進(jìn)行斜極的時(shí)候，最優(yōu)的角度應(yīng)該在3.6°～4.1°左右；當(dāng)轉(zhuǎn)子分為三段進(jìn)行斜極的時(shí)候，最優(yōu)的角度在5.1°之間；當(dāng)轉(zhuǎn)子分為四段進(jìn)行斜極的時(shí)候，最優(yōu)的角度在5.6°～6.1°左右。

圖4 齒槽轉(zhuǎn)矩最大值隨傾斜極角度值的變化函數(shù)曲線

進(jìn)一步研究表明，當(dāng)轉(zhuǎn)子被分為兩段進(jìn)行斜極的時(shí)候，齒槽轉(zhuǎn)矩的最大值已經(jīng)降低到直極情況的46%上下；而且當(dāng)轉(zhuǎn)子的分段數(shù)值的增多時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩的最大值下降得越快。參考圖3，可得知轉(zhuǎn)子被分段進(jìn)行斜極的時(shí)候獲得最優(yōu)角度時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩最大值與轉(zhuǎn)子的分段數(shù)的函數(shù)曲線變化如圖5所示。

圖5 齒槽轉(zhuǎn)矩峰值隨轉(zhuǎn)子分段數(shù)的變化曲線

通過(guò)圖5可得知，轉(zhuǎn)子的總斜極角度是最優(yōu)角度的時(shí)候，齒槽轉(zhuǎn)矩最大值下降非常明顯；并且當(dāng)轉(zhuǎn)子的分段數(shù)量增多的時(shí)候，齒槽轉(zhuǎn)矩最大值下降得越來(lái)越快。

綜上，扭矩扳手在輸電線路鐵塔螺栓的緊固或拆卸過(guò)程中發(fā)揮著不可或缺的作用，隨著扭矩扳手技術(shù)的發(fā)展，其在輸電線路中的應(yīng)用勢(shì)必會(huì)越來(lái)越廣泛。本文通過(guò)對(duì)輸電線路桿塔螺栓緊固電動(dòng)扭矩扳的研究得出，永磁同步電機(jī)隨著轉(zhuǎn)子分段數(shù)的增加，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩不斷減小。進(jìn)一步研究表明，對(duì)轉(zhuǎn)子總斜極角度為最佳斜極角度時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩峰值下降更為明顯；且隨著轉(zhuǎn)子分段數(shù)的增加，齒槽轉(zhuǎn)矩下降越多。