超(特)高壓線路大噸位荷載轉移的雙軸傳動省力絲杠研究

盧輝琨，王祥祥，唐 勇，馬 儉

(中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司百色局，廣西 百色 533000)

0 引言

西電東送主干網架將云南、貴州的清潔水電源源不斷地向廣東大負荷中心輸送。為滿足電能輸送需求，主網架采用了超(特)高壓交直流并存的輸電形式進行遠距離送電。在我國西南地區建設遠距離大容量輸電線，由于地理環境限制，線路走向需經過大山、深溝、大嶺、大河等復雜地形，由此形成了許多大檔距、大跨越的超(特)高壓輸電線檔。大檔距輸電線路在跨越山谷、深溝等特殊地形時，一般檔距長度為800 m 以上[1]，因此大檔距的桿塔受力較常規檔距大，如果是特高壓直流線路桿塔的綜合受力還會更大。因而，在對大檔距絕緣子進行檢修時，經常遇到大受力的受損的絕緣子無法安全、快速地進行更換的情況。由此，通過研究一種大噸位荷載轉移的雙軸傳動省力絲杠，為大受力檔段線路停電或帶電檢修時大噸位的荷載轉移提供方便，以滿足大檔距大噸位的絕緣子更換的工作需求[2-3]。

雙軸傳動省力絲杠的技術開發側重點是基于500 kV 交流線路、±800 kV 直流線路耐張塔、直線塔絕緣串(片)、導地線張力更換方法及配套工具方面展開技術研究。

1 雙軸傳動原理

雙軸傳動省力絲杠(如圖1 所示)是在更換絕

圖1 雙軸傳動省力絲杠結構模型

緣子過程中將力進行轉移，收緊絲杠將回轉運動轉換為直線運動常用的傳動裝置，它由雙軸代替傳統單軸進行滑動，具有摩擦力小、性能優越的特點。在絲桿和螺母上加工弧行螺旋槽，當它們套裝在一起時便形成螺旋滾道，而滾珠則沿滾道滾動，并經兩相鄰滾道回珠器來回循環運動，活動靈活。該雙軸傳動絲桿傳動效率高，機械效率為92 %～98 %。滾珠絲桿的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動運動，所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比，滾動絲桿副的驅動力矩為過去的1/3以下，即達到同樣運動結果所需的動力小于使用滑動絲杠副的1/3。用滾珠的滾動代替了普通絲桿螺母副的滑動，摩擦力小，使用壽命長。

2 雙軸傳動主要創新點與應用

雙軸傳動省力絲杠是基于阿基米德原理，將傳統絲桿的操作方向從水平改變成豎直，進行了結構設計優化，重點解決傳統工藝輕量化、空間結構、機械傳動、功率和扭矩等方面的技術難題。該絲杠采用模塊化設計，選擇碳素鋼等優質的材料，采用有限元仿真獲取力學性能參數。重點分析雙軸絲桿在加載狀態下，主要結構件的應力、應變以及位移，確保150 kN 的額定載荷條件下各主要零部件仍能運行。工具設計緊湊合理，最大單件重量不超過3 kg，實現大噸位張緊裝置輕量化，簡化作業流程，提高檢修工作的勞動強度和效率。相比較單件重量達20 kg 及以上的傳統裝置(鏈條葫蘆、液壓緊線器)，此雙軸傳動省力絲杠更適合山區交直流輸電線耐張塔、直線塔絕緣串(片)的更換作業。同時，基于阿基米德原理開發的雙軸傳動省力絲杠蝸輪蝸桿，避免了常規機械絲杠單向傳動或齒輪滾動摩擦螺紋實現傳動狀態的局限性；與液壓傳動裝置相比較，易于防止逆轉，實現自鎖，解決液壓傳動裝置夾緊力保持性差和泄壓不平穩而造成設備損壞、人員受傷的關鍵技術要點，實現粗糙型檢修向精細化過度轉型。該絲杠蝸桿端頭可實現多樣化操作模式，如雙向棘輪操作桿式、旋轉手搖式、電動等模式，具有很好的人機功效特點。

3 傳動機械仿真受力分析

3.1 有限元問題描述

3.1.1 有限元法

有限元法的基本思想是將連續的求解區域離散為一組有限個且按一定方式相互聯結在一起的單元組合體。由于單元能按不同的聯結方式進行組合，且單元本身可以有不同形狀，因此可以模型化幾何形狀復雜的求解區域。有限元法作為數值分析方法的一個重要特點是利用在每一個單元內假設的近似函數，分片地表示全求解域上待求的未知場函數。單元內的近似函數通常由未知場函數或其導數在單元的各個節點的數值和其插值函數表達。這樣，一個問題的有限元分析中，未知場函數或其導數在各個節點上的數值就成為新的未知量(即自由度)，從而使一個連續的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。一經求解出這些未知量，就可通過插值函數計算出各個單元內場函數的近似值，從而得到整個求解域上的近似解。顯然，隨著單元數目的增加，即單元尺寸的縮小，或者隨著單元自由度的增加及插值函數精度的提高，解的近似程度將不斷改進。如果單元是滿足收斂要求的，近似解最后將收斂于精確解。

3.1.2 任務描述

雙軸傳動省力絲桿，兩端施加120 kN 的拉力，計算其應力分布。表1 為關鍵零部件材料特性數據。

表1 關鍵零部件材料特性

雙軸傳動省力絲桿規格參數如下：整體長度為594 ～834 mm，行程為240 mm，動力由蝸輪蝸桿帶動絲桿旋轉提供。如圖2 所示。

圖2 雙軸傳動省力絲杠規格

3.2 模型設置與求解

3.2.1 模型等效應力本次只對絲杠和卡板接頭進行靜力學分析，因此可以將傳動的蝸輪蝸桿、軸承及其箱體、螺栓、刻度板等部件省略，只保留需要分析的絲杠、卡板接頭和卡環部分。

3.2.2 局部應力和網格細化計算

當局部放大后，網格細化計算結果顯示，在卡板接頭處存在應力較大的區域，因此需要在該區域增加網格劃分密度，重新進行計算。細化網格后發現確實存在應力較大的位置，為卡板接頭(材料為60Si2Mn)的圓角處，達到了1 445 MPa，超出了所用材料的屈服強度(1 176 MPa)。通過以上分析可得，此雙軸傳動省力絲桿在卡板接頭與卡環配合的圓角處容易產生較大的應力集中。初步分析可能原因為軸肩處的圓角和卡環在孔的位置的圓角大小均為2 mm，在拉桿承受拉力時[4]，該位置的單元不僅承受了拉力，還由于卡環存在一定程度的變形，卡環的圓角對軸肩圓角該位置造成擠壓，導致該圓角只在靠近兩根絲桿的左右兩側較大的應力集中。

3.2.3 卡環結構修改

由于在卡板接頭圓角處存在應力集中的情況，于是將卡環的結構稍作修改，將2 mm 圓角修改為倒角，并重新進行計算。將卡環的圓角改為倒角后，與卡板接頭的圓角不發生接觸，施加載荷后未在卡板接頭軸肩的圓角處發生應力集中[5]，所受應力最大處為800 MPa，未超出材料屈服強度(1 176 MPa)，符合要求。絲杠(材料為40Cr)所受應力最大處為618 MPa，未超出材料屈服強度(785 MPa)，符合要求。卡環(材料為3Cr2Mo)所受應力最大處為429 MPa，未超出材料屈服強度(705 MPa)，符合要求。

3.3 蝸輪蝸桿的強度計算

3.3.1 蝸輪蝸桿的材料及校核分析

蝸輪蝸桿的材料不僅要具有足夠的強度，更重要的是應具有良好的跑合性、減磨性及耐磨性。蝸桿一般用碳鋼或者合金鋼制成，在本機構中蝸桿采用45 碳鋼，調質處理HB220-280，蝸輪采用40Cr 碳鋼，調質處理 HB220-280。在蝸桿傳動中，由于材料和結構上的原因，蝸桿螺旋齒部分的強度通常高于蝸輪輪齒的強度，失效常發生在蝸輪輪齒上。而對于閉式傳動，蝸桿的主要失效形式是齒面膠合或點蝕。蝸輪輪齒呈傾斜的弧狀曲梁，很少發生輪齒折斷。因此一般閉式傳動可以按照齒面接觸疲勞強度進行設計校核，無須進行齒根彎曲疲勞強度校核，只是當蝸輪齒數z2>80 時，才進行彎曲強度校核。熱平衡計算是針對連續工作的蝸桿傳動而言的，該裝配體蝸桿傳動不是頻繁連續工作，因此蝸桿傳動的熱平衡計算可忽略。綜上，對于此蝸輪蝸桿校核需要計算齒面接觸疲勞強度。

3.3.2 蝸桿傳動的齒面接觸計算根據校核公式：

式(1)中，ZE為彈性影響系數，ZP為接觸系數，K為工作情況系數，T為蝸桿輸入轉矩，a為最小中心距，[σH]為許用接觸應力。

1) 計算工作情況系數K。

式(2)中，KA為使用系數，看作均勻平穩沖擊，取KA=1；Kβ為齒向載荷分布系數，當蝸桿傳動在平穩狀態下工作時，載荷分布不均勻現象將由于工作表面的良好磨合而得到改善，此時可取Kβ=1；當載荷變化較大或者有沖擊振動時，可取KV為動載系數，KV=1，由此可得：

2) 計算蝸桿傳動總效率η。

式(3)中，η為蝸桿傳動總效率，γ為導程角，ρv為當量摩擦角。

3) 確定蝸輪輸入轉矩T2。

式(4)～(5)中，T1為蝸桿輸入轉矩，Fa2為蝸輪軸向力，d1為蝸桿的公稱直徑，T2為蝸輪輸入轉矩，i為傳動比，η為蝸桿傳動總效率。當卡板接頭上加上120 kN 額定載荷時，兩側與蝸桿連接的蝸輪所受的負載為Fa2=60 kN。蝸桿所受到的力矩T1=Fa2d1/2=450 Nm。根據蝸桿與蝸輪之間的受力關系可知，蝸輪所受力矩T2=T1iη=6 525 Nm。

4) 確定彈性影響系數ZE。因選擇用的是40Cr碳鋼蝸輪和45 碳鋼蝸桿相配合，故根據查相關資料得知彈性影響系數ZE為189.8。

5) 確定許用接觸應力[σH]。計算說明： 由于該機構蝸輪抗拉強度σB≥980 MPa，而當蝸輪材料為灰鑄鐵或高強度青銅(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。但因目前尚無完善的膠合強度計算公式，故采用接觸強度計算公式。接觸強度計算是一種條件性計算，在查取蝸輪齒面的許用接觸應力時，要考慮相對滑動速度的大小。由于膠合不屬于疲勞失效，許用接觸應力[σH]的值與應力循環次數N無關，因而可直接從表中查出許用接觸應力值。設滑動速度為1 m/s，則由式(1)計算蝸桿傳動的齒面接觸強度σH=10.169 8 MPa ＜[σH]，符合要求。

4 結束語

雙軸傳動省力絲杠已在中國南方電網有限責任公司系統內廣泛推廣應用，近一年內該工具開展超( 特) 高壓帶電檢修126 次，多送電量共新增電量銷售3 600 萬元，創造社會經濟效益4 200 萬元。雙軸傳動省力絲杠的開發與應用，較大程度提升了線路運維單位對特高壓檢修技術的管理水平，保障了輸電線路設備的安全可靠運行。