高壓線引流線夾螺栓預緊裝置擰緊力分析及控制方法

楊冬，沈鵬飛，陳谷雨，唐磊，王舒琴

(國網安徽省電力有限公司馬鞍山供電公司，安徽，馬鞍山 243000)

0 引言

高壓線引流線夾的作用是將高壓線電流引入大地或其他位置，引流線夾的固定方式一般都是采用螺栓固定。螺栓預緊力會隨著時間的增加而變小，需要人工進行擰緊。傳統的人工擰緊方式是維修人員一手持絕緣套筒將螺桿固定，一手持絕緣扳手擰緊螺帽，并且需要不停地改變夾緊螺帽的位置。如果引流線夾是采用2組螺栓固定，擰緊的時候還會被另一組螺栓妨礙，導致了這種方式的擰緊效率慢，勞動強度大。

現有技術對上述問題進行了一定的研究，文獻[1]設計了一種全自動擰緊裝置，該技術采用全自動螺栓擰緊機提高螺栓的擰緊速度，雖然能夠節省勞動力，但是帶電作業執行困難，使用不便。文獻[2]設計了一種四臂機器人攜帶擰緊裝置對引流線夾進行擰緊，該技術通過移動機器人雙臂攜帶螺栓末端的機械手和攜帶螺栓擰緊末端機械手實現預緊，雖然提高了一定的效率,解決了安全問題，但是前期的投入過大，并且節省的時間不多。

本研究根據螺栓預緊力學原理，設計一個新型自動預緊裝置，在提高螺栓擰緊速度的同時，還保證了作業人員的安全。

1 預緊裝置設計思路

螺栓連接是連接2個物體最常用的連接方式，而螺栓的預緊是螺栓連接中最重要的部分。預緊不僅可以提高螺栓連接的穩定性、疲勞強度和防松脫能力，還能增強兩連接件的緊密性和剛性[3]。螺栓和連接件產生的沿螺栓軸心方向的力被稱作預緊力，預緊力也可以理解為擰緊螺栓所需要的力。預緊力的大小影響著連接的可靠性，預緊力過小連接不穩定，預緊力過大則會導致連接失效。擰緊力矩的大小、螺栓與連接件之間的摩擦大小和螺栓與螺母之間的摩擦大小都對預緊力的大小有一定影響[4]。

結合傳統的螺栓擰緊方式，本研究設計出一個螺栓擰緊裝置來代替人工擰緊，具備以下特點[5]。

(1) 擰緊效率高。傳統的人工擰緊效率慢，設計的擰緊裝置應該提高擰緊效率，保證帶電作業的效率。

(2) 預緊力較高。人工擰緊方式只能根據維修人員的經驗來保證較高的預緊力，這種方式無法保證預緊力的大小，可能會出現預緊力過高或者過低的情況，從而導致螺栓連接的不可靠，設計的裝置應該能夠保證螺栓具有較高的預緊力。

(3) 安全性高。帶電作業的危險性較高，人工擰緊方式存在巨大的安全隱患，設計出的預緊裝置安全性要高，保證維修人員的安全性。

基于以上內容，設計出的新型預緊裝置如圖1所示。

圖1 螺栓預緊裝置

圖1中，1、2的作用是固定和擰緊螺栓，1可以固定螺栓的螺柱頭，2固定螺栓的螺帽，2內部有動力裝置，擰緊的過程中會向螺柱探頭一側運動，為此在1底部開設了滑槽，能夠讓擰緊螺栓時2能夠運動，同時可以手動調節2的位置來擰緊不同長度的螺栓[6]。該裝置可以同時擰緊2組螺栓，1、2開設了2組預緊空孔，解決了2組螺栓距離太近而相互干擾的問題，同時也提高了擰緊的效率[7]。

為了提高操作的安全性，本設計的思想是減少維修人員與螺栓的直接接觸時間，維修人員只需將螺栓放入到裝置的固定位置，按下按鈕即可完成擰緊任務，同時，裝置的表面材料采用絕緣橡膠或者絕緣塑料，最大程度地保證維修人員的安全性[8]。

本研究中的把手內部是空心的，目的是放置動力源，本設計采用兼容式充電設備，比如可充電式鋰電池或者動力源采用異步電機，型號為YS-60KTYZ(使用交流220 V電壓)等，能夠根據用戶需求進行選擇[9]。螺栓的預緊力在聯結不同材料的東西時可能需要的預緊力不同，因此為了該裝置能夠滿足不同預緊力的需求，設置了3種模式：一般預緊力、較高預緊力和最大預緊力[10]。

擰緊完成后，內部的力矩傳感器會將當前力矩大小傳送到比較模塊，比較完成后將結果顯示在液晶顯示屏上，維修人員可以直觀地了解到擰緊的效果，從而進行相應的處理。

2 關鍵技術設計

2.1 擰緊力評價方法

本研究從高壓線引流線夾螺栓預緊裝置進行工作時的擰緊狀態具有的復合應力σv以及具有的緊固扭矩和實現的預緊力之間的關系來分析預緊裝置的特性。當高壓線引流線夾螺栓預緊裝置處于擰緊工作狀態時，預緊裝置除了自身張力輸出應力σ，在進行預緊工作時，還產生扭轉剪切應力τ，復合應力σv與輸出的應力σ和剪切應力τ有關系。其關系式通過以下公式表示：

(1)

其中,輸出應力σ可以為

(2)

扭轉剪切應力的表達式可以通過以下公式計算：

(3)

通過式(1)～式(3)能夠將復合應力σv與輸出的應力σ和剪切應力τ之間的關系以數學表達的形式表達出來。為了更清楚地表示三者之間的關系，則通過圖2的曲線圖表示。

圖2 擰緊過程各種應力關系式示意圖

通過圖2可以看到，高壓線引流線夾螺栓預緊裝置在工作過程中，在相同外界環境以及外部力的作用下，與高壓線引流線夾螺栓預緊裝置在單純拉伸時所經受的應力相比，其經受的拉伸應力比較小。因此，通過擰緊力評價時，可以通過應力大小來衡量。

高壓線引流線夾螺栓預緊裝置在緊固時，可以分為緊固扭矩和支承面扭矩，緊固產生的扭矩在材料彈性區域內產生，此時的緊固扭矩和高壓線引流線夾螺栓預緊裝置的預緊力之間的關系為直線關系，通過數學表達式可以為

(4)

式中，T表示高壓線引流線夾螺栓預緊裝置在緊固時產生的扭矩(單位為N·m)，Ts表示高壓線引流線夾螺栓預緊裝置在緊固時的螺紋扭矩(單位N·m)，TW表示高壓線引流線夾螺栓預緊裝置在緊固時其內部承受擰緊力的支承面扭矩(單位為N·m)，F表示高壓線引流線夾螺栓預緊裝置在緊固時產生的預緊力大小,d2表示高壓線引流線夾螺栓預緊裝置在緊固時內徑大小(單位為mm),ρ表示高壓線引流線夾螺栓預緊裝置在緊固時螺紋當量具有的摩擦角，λ表示高壓線引流線夾螺栓預緊裝置在緊固時螺紋傾斜度,dm表示高壓線引流線夾螺栓預緊裝置在實現緊固動作時的螺母支承面平均直徑(單位為mm)，μn表示高壓線引流線夾螺栓預緊裝置在實現緊固動作時的螺母支承面產生的摩擦系數。

2.2 擰緊力矩控制設計

本設計針對人為判斷不準確問題，利用力矩傳感器和AT89C51單片機來設計一個系統，使得擰緊完成后維修人員可以從液晶顯示屏中直觀地看到預緊力是否達到要求，同時可以控制電機的頻率來滿足不同的螺栓。系統的架構如圖3所示。

圖3 擰緊控制方案設計

AT89C51單片機是整個系統的核心，主要分為微處理器、程序存儲器和數據存儲器三部分。系統的功能主要有兩個，第一個是擰緊完成后將螺栓的預緊效果輸出到液晶顯示屏上，這里采用了力矩傳感器來采集擰緊完成時的力矩，采集完成后，通過I/O接口將力矩信息傳輸到單片機，單片機中的程序存儲器中存儲了計算程序和比較程序，將擰緊完成時的預緊力跟螺栓需要的預緊力進行對比，最后將結果輸出道液晶顯示屏上；第二個是控制電機的頻率，YS-60KTYZ型號的電動機本身是不具備變頻功能的，但是可以通過單片機來實現變頻，單片機可以控制電源的輸出，從而控制電機的輸出頻率，通過按鈕調節單片機來控制電源實現電機變頻。

在進行軟件設計時，采用軟件為Visual C+軟件工具;在進行初始化時，需要進行初始化的參數包括預緊力力矩、參數變量、參數數據采集卡，預緊參數選擇數據、參數設置、力矩調控、預緊力測量功能、數據管理、氣缸控制行程、伺服電機動作信息、傳感器執行狀態等。預緊力輸出控制程序如圖4所示。

圖4 預緊力輸出控制程序

在圖4的控制程序中，進行預緊力設置之后，再設置鎖緊螺母擰緊力矩T的最大容許范圍以及摩擦力矩值的容許范圍。當氣缸抬升時，將已經設置好的參數按照命令程序啟動命令，然后判斷是否已經達到了設定力矩;當實際力矩與設定力矩相差不大時，通過人力旋轉，通過設定程序進行位移計算;當允許誤差在設定范圍時，氣缸停止運行。當氣缸抬升時，采用的是相反的計算程序。用戶通過操作面板，執行按鈕動作，能夠實現氣缸的多種動作，比如上升、下降、停止、啟動等。

如何判斷預緊力大小是否合適，假設預緊力矩T介于1.321～1.432KTmax，K為介于1～3之間的常數，Tmax為動力源采用異步電機YS-60KTYZ的最大輸出力矩，當變速器的速比達到最大時，則可輸出最大力矩。根據程序設置，可以將摩擦力矩設置為1.321～1.432PTmax。其中,P為已知常數，假設預緊力誤差為δ，則滿足以下關系式，則表示預緊力為最合適,

|δi-δj|≤δ0

(5)

(6)

其中,δ0為介于0.01～0.04之間的常數，δi為夾緊部件與預緊裝置接觸時的相對位置量，δj為夾緊部件與預緊裝置接觸處總的彈性變形量。

3 試驗結果與分析

設計完成后，要對設計的裝置進行效果驗證和性能驗證，不僅要保證擰緊裝置能夠完成擰緊任務，還要保證裝置的性能優異。要想保證較好的預緊力，則需要足夠的預緊力矩，預緊力矩的計算公式為

Mt=K×P0×d×10-3

(7)

式中,Mt為預緊力矩，K為預緊力系數，P0為預緊力，d為螺紋公稱直徑，力矩的單位為N·m。其中，K值的確定需要進行查表，K值大小如表1所示。

表1 K值與摩擦表面狀況對照

預緊力的計算公式為

P0=σ0×As

(8)

式中,P0為預緊力，σ0為屈服強度系數，As為公稱應力截面。As的大小根據螺紋的公稱直徑有關，由于螺栓的型號較多，這里選取8個最常用的螺栓，具體數值關系如表2所示。

表2 公稱應力截面大小與公稱直徑對照表

屈服強度系數的計算公式為

σ0=(0.5～0.7)σs

(9)

式中,σ0為屈服強度系數，σs為螺栓材料的屈服極限，跟螺栓的性能等級有關，具體數值如表3所示。

表3 屈服極限與螺栓性能等級對照

根據上述內容，可以計算出螺栓達到較高預緊力的力矩。

下面對本設計的螺栓預緊裝置進行性能驗證，在實驗室利用本設計的預緊裝置對螺栓進行預緊，選取的3種螺栓種類，經過式(3)～式(5)計算得到表4數據。

表4 螺栓數據

根據表4中的數據第三種的螺栓需要的力矩最大為348.16 N·m,仍然小于電機輸出經過蝸輪蝸桿傳遞得到的扭矩，所以上述設計得到的螺栓擰緊裝置足夠擰緊以上3種螺栓。

采用本設計的擰緊裝置對上述3種螺栓進行擰緊操作，每種擰緊5次，對擰緊時間、擰緊完成時的力矩、預緊力大小進行記錄，對C型號螺栓的數據進行整理得到表5數據。

表5 c型號螺栓試驗數據

根據表5可以看出,5次試驗的結果都能保證螺栓具有較高的預緊力，并且擰緊的時間比人工擰緊的時間要少得多。下面對以上3種螺栓的實際預緊力跟理論預緊力進行誤差計算，得到圖5的誤差對比圖。

圖5 誤差分析

從圖5可以看出，試驗的誤差方位在0.5%～2%之間，能夠達到螺栓的較高預緊力效果。

下面對3種螺栓進行人工擰緊，每種擰緊5次，記錄擰緊時間，整理得到表6數據。

表6 人工擰緊時間

從表6數據可以看出，擰緊3種螺栓的時間都在10 s以上，比采用本設計的預緊裝置需要的時間多得多，原因是要不停地改變夾緊螺帽的位置，從而浪費了大量時間。

綜上所述，本設計的螺栓預緊裝置能夠保證螺栓具有較高的預緊力，同時相比人工擰緊節省了大量時間。

4 總結

本設計針對帶電作業中的引流線夾預警困難，設計出了一個新型的預緊裝置，通過試驗證明了該預緊裝置的性能。本研究的預緊裝置能夠保證螺栓具有較高的預緊力，從而減少了后續的維修，提高引流線夾螺栓的擰緊效率，還能夠使得帶電作業人員直接接觸螺栓的時間較少。試驗結果表明,本設計的預緊裝置性能優異，但是實驗室的試驗數據不多，還需要繼續進行大量的試驗，根據試驗結果對其進行相應的改進和完善。