劉陽 張川 潘正婕 張振 喬智晟 姚曉東

摘? ?要：輸電線路鐵塔屬于空間桁架結(jié)構(gòu)，鐵塔與地基之間用地腳螺栓進(jìn)行連接，大型地腳螺栓直徑大、安裝空間狹小、擰緊力矩?zé)o標(biāo)準(zhǔn)且扭矩控制要求精度高。本文通過理論計(jì)算常用輸電線路鐵塔用地腳螺栓擰緊力矩，建立輸電桿塔地腳螺栓擰緊力矩參考標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)適用于輸電線路鐵塔特殊環(huán)境下地腳螺栓緊固的數(shù)顯扭矩扳手和扭矩倍增器，安全高效地完成輸電線路地腳螺栓的緊固。

關(guān)鍵詞：擰緊力矩? 數(shù)顯扭矩扳手? 扭矩倍增器

中圖分類號：TM75? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）03（a）-0083-02

目前，輸電桿塔地腳螺栓的安裝仍面臨諸多困難和挑戰(zhàn)[1]。一方面， 隨著輸電線路電壓等級的升高以及輸電線路鐵塔體積的增大，對于輸電鐵塔地腳螺栓的安裝質(zhì)量提出了更高更嚴(yán)格的要求，而目前地腳螺栓的安裝普遍存在可靠性、準(zhǔn)確性的問題。另一方面，由于輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)及施工要求的特殊性，安裝空間十分有限，輸電線路鐵塔地腳螺栓通過人力采用普通機(jī)械扭矩扳手緊固仍是目前螺栓安裝的主要方法，施工效率低。人工手動安裝主觀性太強(qiáng)，僅僅通過經(jīng)驗(yàn)判斷地腳螺栓是否擰緊，缺乏有效可靠的技術(shù)支撐，可能導(dǎo)致過松或者過擰，引發(fā)事故。

為此，精確計(jì)算不同工況下的不同尺寸系列的常用輸電鐵塔地腳螺栓的擰緊力矩，建立輸電線路鐵塔地腳螺栓擰緊力矩參考標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)適用于輸電線路鐵塔地腳螺栓緊固的數(shù)顯扭矩扳手和扭矩倍增器，對保證輸電鐵塔及架線施工安全，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有十分重要的意義。

1? 輸電桿塔地腳螺栓擰緊力矩參考標(biāo)準(zhǔn)的建立

現(xiàn)有的輸電鐵塔地腳螺栓的施工基本采用人工手動方式，僅憑工人經(jīng)驗(yàn)確定擰緊力矩，不僅費(fèi)時費(fèi)力，而且可能造成地腳螺栓的欠擰或過擰，這也是全國范圍的電力施工所面臨的問題。現(xiàn)有的螺栓擰緊力矩標(biāo)準(zhǔn)是2012年制定的，最大螺栓直徑僅為48mm，而實(shí)際應(yīng)用的地腳螺栓直徑可達(dá)到100mm，之間是沒有任何可參考的擰緊力矩標(biāo)準(zhǔn)。同時，該參考標(biāo)準(zhǔn)是不考慮潤滑、墊片情況的，實(shí)際施工的地腳螺栓使用的潤滑介質(zhì)不同且一般都有墊片，因此不能精確反映地腳螺栓實(shí)際需要的擰緊力矩。而不論是兩被連接件間的壓緊力還是螺栓上的軸向預(yù)緊力，在工作現(xiàn)場很難檢測到，也就很難予以直接控制。

本文擬采取扭矩控制法、屈服點(diǎn)控制法、扭矩-轉(zhuǎn)角控制法（TA）和螺栓伸長法（QA）四種方法結(jié)合，根據(jù)輸電桿塔設(shè)計(jì)使用地腳螺栓的材料及尺寸結(jié)構(gòu)參數(shù)，精確計(jì)算地腳螺栓的擰緊力矩，建立常用輸電桿塔地腳螺栓擰緊力矩基本參考標(biāo)準(zhǔn)。

在扭矩扳手控制法理論計(jì)算輸電桿塔地腳螺栓的擰緊力矩基礎(chǔ)上，通過扭矩-轉(zhuǎn)角控制法（TA）、屈服點(diǎn)控制法、螺栓伸長法（QA）實(shí)驗(yàn)方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，得到輸電桿塔地腳螺栓擰緊力矩參考標(biāo)準(zhǔn)。

2? 數(shù)顯扭矩扳手與扭矩倍增器的設(shè)計(jì)開發(fā)

2.1 數(shù)顯扭矩扳手的設(shè)計(jì)

本文針對實(shí)際工況下輸電鐵塔地腳螺栓的規(guī)格、使用環(huán)境以及地腳螺栓在裝配時需要達(dá)到的裝配精度要求，提出結(jié)構(gòu)簡單，兼具經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性的數(shù)顯扭矩扳手，同時通過輔助工具扭矩倍增器適用于螺栓規(guī)格大的擰緊力矩。

如圖1所示，通過人工在電子控制系統(tǒng)的觸控按鍵中輸入螺栓直徑值，電子控制系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)置螺栓規(guī)格和擰緊力矩的關(guān)系，自動設(shè)定所需施加的擰緊力矩顯示在LED電子顯示屏中，手動調(diào)節(jié)扭矩等級調(diào)節(jié)裝置，使得內(nèi)置彈簧預(yù)緊力大小于相應(yīng)等級，即該等級的扭矩區(qū)間值適應(yīng)于該螺栓規(guī)格所需扭矩值，此扭矩扳手測力原理為扭矩扳手頭部相對于外套筒以圓柱銷為中心旋轉(zhuǎn)很小范圍的角度，通過杠桿將力傳遞給頂桿產(chǎn)生徑向運(yùn)動，壓縮彈簧，壓力傳感器測量此時的壓力。調(diào)節(jié)內(nèi)置彈簧預(yù)緊力范圍可以增加測量扭矩值的范圍（螺栓擰緊力較大，彈簧預(yù)緊力較小時，當(dāng)扭矩扳手角度旋轉(zhuǎn)到最大時，傳感器的測量值沒有達(dá)到螺栓的最大擰緊力，通過增大彈簧的預(yù)緊力，可以使扭矩扳手的旋轉(zhuǎn)角度在旋轉(zhuǎn)范圍之內(nèi)，準(zhǔn)確測量螺栓的最大擰緊力），同時提高擰緊的精度，擰緊時，調(diào)節(jié)扭矩扳手的長度，即通過調(diào)節(jié)力臂的大小，使操作更加便捷。

設(shè)計(jì)的數(shù)顯扭矩扳手的頭部安裝有棘輪和換向裝置，可以使設(shè)備進(jìn)行雙向操作。操作人員根據(jù)扭矩值，旋轉(zhuǎn)扭矩等級調(diào)節(jié)裝置，由于調(diào)節(jié)桿與扭矩等級調(diào)節(jié)裝置通過墊片、螺栓相連接，即手動旋轉(zhuǎn)扭矩等級調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)桿相應(yīng)的在內(nèi)套筒中徑向向前或向后運(yùn)動，以此壓縮和放松彈簧，使該等級扭矩區(qū)間適應(yīng)于該螺栓直徑所需扭矩，可以相應(yīng)增大扭矩扳手的測量值范圍，相對于依據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)，扭矩扳手采用壓力傳感器，可以提高擰緊的精度。本數(shù)顯扭矩扳手使用方便，可降低勞動強(qiáng)度，適用于地腳螺栓的安裝環(huán)境，提高施工效率。

2.2 扭矩倍增器的設(shè)計(jì)

在螺栓裝配中，為保證螺栓聯(lián)接的可靠性及疲勞強(qiáng)度，必須使螺栓聯(lián)接有足夠的預(yù)緊力，這在很大程度上取決于扭矩扳手?jǐn)Q緊力的大小，但是在機(jī)械行業(yè)中很多較大的機(jī)器需要高強(qiáng)度的預(yù)緊力，這個力是一般工作人員在利用扭矩扳手中所不能或難以達(dá)到的。為此，設(shè)計(jì)一種扭矩倍增器，如圖2所示。扭矩倍增器是一種可以為操作者提供扭矩放大的裝置，扭矩倍增器具有確定的輸入端主要為其提供動力，提高工作的效率[6]。

扭矩倍增器是由一圓周或行星齒輪組合在不同組合階層來帶動齒輪旋轉(zhuǎn)出力，每一階層齒輪扭矩放大倍率因數(shù)設(shè)為K（K的具體大小由齒輪的半徑比決定，我們這里設(shè)計(jì)K=5），在行星型齒輪系統(tǒng)中，扭矩是經(jīng)由中心齒輪輸入和輸出。由三個或四個行星齒輪與中心結(jié)合帶動旋轉(zhuǎn)。倍增器外殼內(nèi)的圓周齒輪與環(huán)繞內(nèi)部行星型齒輪嚙合，但是相對與內(nèi)部行星齒輪旋轉(zhuǎn)而言，旋轉(zhuǎn)方向是相反的。反作用力臂可以防止與圓周齒輪一體的外殼旋轉(zhuǎn)，而使行星齒型齒輪繞中心齒輪旋轉(zhuǎn)來帶動驅(qū)動方頭旋轉(zhuǎn)，從而輸出扭矩。如果沒有反作用力臂則無法輸出扭矩。

由公式：扭矩*轉(zhuǎn)速=功率（由M=F*r，V=ω*r，P=F*V推的P=M*ω）可知當(dāng)輸入功率一定時，減小ω的值可使輸出扭矩增大。故扭矩倍增器實(shí)際就是一個通過行星輪系降低ω值的裝置。

其中一個行星齒輪如圖3所示，設(shè)外齒輪半徑為R，其角速度即為輸出角速度ω2，而半徑為r的主動齒輪角速度ω1即為輸入角速度。它們是通過中間的齒輪傳遞能量。假設(shè)這里沒有能量的損失，即輸入的功率P1等于輸出的功率P2。

故由上述的公式：P=M*ω得

M1*ω1=M2*ω2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

又由內(nèi)外齒輪的運(yùn)動線速度V相等，即w1*r=w2*R，得

M2/M1=ω1/ω2=R/r? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

即輸入輸出扭矩之比即為齒輪的半徑比：R/r。

一個行星輪可以將扭矩倍增為R/r倍。本文設(shè)計(jì)R=10cm，r=2cm，這樣一級行星輪便可以將扭矩增加5倍。由于體積和能量損失的限制我們將選擇2級行星齒輪系，這樣便可以將輸入的扭矩增加5×5=25倍。

3? 結(jié)語

對輸電桿塔地腳螺栓進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，深入研究螺栓擰緊力矩標(biāo)準(zhǔn)體系和標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，對實(shí)際工況下的螺栓擰緊力矩進(jìn)行精確計(jì)算，為輸電桿塔地腳螺栓的安裝時的擰緊力矩提供一定的指導(dǎo)意義。同時，查閱國內(nèi)外的扭矩扳手發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，針對在實(shí)際的安裝環(huán)境，設(shè)計(jì)一種適用于特殊安裝環(huán)境的專用扭矩扳手，考慮經(jīng)濟(jì)價值與實(shí)用性，對扭矩扳手進(jìn)行優(yōu)化，同時設(shè)計(jì)與數(shù)顯扭矩扳手量程匹配的扭矩倍增器，兼具實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到利益的最大化。

參考文獻(xiàn)

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