云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司普洱供電局 李學(xué)妨 何春紅 肖代維 段永進(jìn)

往復(fù)振動(dòng)式接地棒輔助鉆入機(jī)是運(yùn)用在電力施工領(lǐng)域的一種輔助式設(shè)備。接力棒是重要的電力檢修設(shè)備，在高壓輸電線路運(yùn)維檢修過程中不可或缺，陳偉雄[1]等人研制了一種可旋轉(zhuǎn)式的高壓接地棒，可實(shí)現(xiàn)不受接線夾件角度限制的功能，能夠靈活、可靠、牢固得進(jìn)行接地操作；錢程[2]等設(shè)計(jì)了一種頭部可旋轉(zhuǎn)式的輸電線路接地棒，用于輸電線路檢修時(shí)安裝短接地線。易啟勝[3]等研制了一種使用于變電站的絕緣接地棒。朱匯文[4]研制了一種新型便攜式的臨時(shí)接地棒裝拆輔助工具。但這些也只是在接地棒上進(jìn)行改良，并沒有使得接地棒的插入變得簡(jiǎn)單、安全。傳統(tǒng)的接力棒還要停留在機(jī)械人工階段，在狹小的環(huán)境中安裝接地棒極為不便且不安全，并且在實(shí)際情況中，在某些硬質(zhì)泥土中，依靠人力將極大地?fù)p耗工作人員體力且拔出也是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的過程，工作效率低下并易發(fā)生安全事故。

本文提出一種往復(fù)振動(dòng)式接地棒輔助鉆入機(jī)，結(jié)構(gòu)與氣壓電錘類似，由兩個(gè)活塞和氣缸組成其氣動(dòng)系統(tǒng)，連接桿、錘頭組成其沖擊系統(tǒng)。其使用氣體作為彈性儲(chǔ)能介質(zhì)來加速撞錘產(chǎn)生動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)錘擊工作頭的對(duì)外做功?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)接地棒的輕松插入泥土中，其通過齒輪帶動(dòng)連桿、連桿帶動(dòng)活塞，活塞壓縮氣體從而對(duì)錘頭進(jìn)行往復(fù)式的敲擊，前端錘頭裝有固定接地棒的裝置。其優(yōu)點(diǎn)是通過氣體壓縮產(chǎn)生的力敲擊錘頭從而將接地棒打入地下，這樣可降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提升工作效率，同時(shí)還能最大限度的保證工人的安全性。現(xiàn)今對(duì)于此類設(shè)備的研發(fā)與設(shè)計(jì)還處于起步階段，針對(duì)此類情況的專有設(shè)備極少，而本設(shè)備可廣泛應(yīng)用于接地棒的輔助鉆入作業(yè)中，擁有較大的發(fā)展空間。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

筆者所設(shè)計(jì)的往復(fù)振動(dòng)式接地棒輔助鉆入機(jī)整體結(jié)構(gòu)包括機(jī)械傳動(dòng)部分、外殼、動(dòng)力部分（電源、電機(jī)）以及操控部分；裝置最頂部為操控部分，操控部分固定在外殼的最上面，外殼內(nèi)部從上至下依次安裝了動(dòng)力部分以及機(jī)械傳動(dòng)部分。機(jī)械傳動(dòng)部分包括接地棒固定軸、連接軸、直線軸承、小彈簧、大彈簧、活塞錘、活塞、大齒輪軸、大齒輪以及活塞連桿；大齒輪活動(dòng)連接在大齒輪軸上，活塞連桿兩端分別活動(dòng)連接大齒輪以及活塞，活塞與活塞錘之間為空氣，活塞錘的下部為連接軸，小彈簧、大彈簧分別在連接軸軸肩兩側(cè)，連接軸與直線軸承套合在一起，直線軸承在小彈簧下面，連接軸的最底端與接地棒固定軸固連。動(dòng)力部分包括電源、電機(jī)及小齒輪；電源、電機(jī)分別固定在操控正下方的兩端，小齒輪固連在電機(jī)軸上。操控部分設(shè)計(jì)初衷是為了讓手臂更省力。動(dòng)力部分采用電機(jī)帶動(dòng)齒輪軸帶動(dòng)齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，傳動(dòng)效率以及傳動(dòng)精度較高。

1.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該鉆地機(jī)的關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在于機(jī)械傳動(dòng)部分，機(jī)械傳動(dòng)部分包括接地棒固定軸、連接軸、直線軸承、彈簧、活塞錘、活塞、齒輪等部件。接地棒固定軸與接地棒通過螺栓連接，保證連接強(qiáng)度與可靠度；因?yàn)榛钊枰N擊連接桿從而帶動(dòng)錘頭進(jìn)行工作，連接桿與外殼之間有相對(duì)移動(dòng)，所以連接桿與固定外殼之間裝有一個(gè)直線軸承，直線軸承可降低連接桿移動(dòng)中的摩擦力，提高工作效率，同時(shí)還能保證傳動(dòng)的精度。氣缸外殼中有設(shè)置有兩個(gè)活塞，活塞1與連桿連接，齒輪帶動(dòng)連桿進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)的過程中壓縮兩個(gè)活塞之間的空氣從而帶動(dòng)活塞2運(yùn)動(dòng)錘擊連接桿。在連接軸上裝有一大一小兩個(gè)彈簧，其作用是保證活塞桿保持一定的行程，同時(shí)緩解活塞與連接桿之間錘擊而產(chǎn)生的沖擊與振動(dòng)。

圖1 整體機(jī)構(gòu)圖

圖2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖1中1為機(jī)械傳動(dòng)部分，2為鉆入機(jī)外殼，3為操控部分；圖2中4為鉆入機(jī)錘頭，5為連接桿，6為直線軸承，7為小彈簧，8為大彈簧，9為活塞A，10為活塞B，11為大齒輪軸，12為電源，13為操控桿，14為電機(jī)，15為小齒輪，16為大齒輪，17為連桿。

1.3 工作原理

在將接地棒安裝在鉆入機(jī)上后，操作人員手握著操控部分的操控桿對(duì)機(jī)器施加一個(gè)垂直向下的力，然后啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)軸帶動(dòng)小齒輪、小齒輪再帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而給與大齒輪連接的連桿一個(gè)扭矩，連桿帶動(dòng)活塞1進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，兩活塞之間的氣體受到壓縮產(chǎn)生一個(gè)向下的力使得活塞2進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在活塞2進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，因?yàn)椴僮魅藛T給鉆入機(jī)施加了一個(gè)垂直向下的力，所以地面會(huì)給接地棒一個(gè)反作用力使得接地棒向上運(yùn)動(dòng)，然后帶動(dòng)連接桿運(yùn)動(dòng)，同時(shí)活塞向下錘擊連接桿，然后連接桿又會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到了往復(fù)運(yùn)動(dòng)的效果。該機(jī)器最關(guān)鍵的工作過程就是通過壓縮兩活塞間的空氣，同時(shí)通過地面的反作用力從而實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在沒有鉆入機(jī)而通過人力想要將接地棒打入地下18mm的深度大概需要200N的力，而通過鉆入機(jī)的輔助作用這個(gè)力會(huì)大大減小。

2 理論計(jì)算

圖3 a活塞B最高點(diǎn) b活塞B處于最低點(diǎn) c連桿處于最大力矩處

筆者設(shè)計(jì)的這種接地棒輔助鉆入機(jī)實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的關(guān)鍵在于壓縮兩活塞之間的氣體從而產(chǎn)生推力。而要想能夠壓縮兩活塞之間的氣體，齒輪就需給連桿提供足夠的力矩、從而帶動(dòng)連桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)活塞進(jìn)行運(yùn)動(dòng)壓縮氣體。具體的計(jì)算步驟為：計(jì)算出活塞運(yùn)動(dòng)一定行程所壓縮的氣體所產(chǎn)生的壓強(qiáng)，然后根據(jù)壓強(qiáng)的大小算出力的大小，最后根據(jù)需要的最大力矩連桿所在的位置求解出帶動(dòng)連桿所需的最大力矩。連桿在最高、最低、以及最大力矩位置如圖3。

根據(jù)波義耳定律[5]：P1V1=P2V2，P1=1.013×105Pa，為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，是當(dāng)活塞B處于最高點(diǎn)時(shí)，氣體還未壓縮時(shí)的氣缸內(nèi)的壓強(qiáng)，此時(shí) 的 體 積V1=πr21h1=8.4512×10-5mm3，其 中r1=0.021mm，h1=0.061mm，V2為連桿運(yùn)動(dòng)到最底端時(shí)氣缸內(nèi)的氣壓，r1為A活塞底面的半徑，則V2=πr22h2=4.1563×10-5mm3，其中r2=0.021mm，h2=0.03mm，則P2=P1V1/V2=2.06×105Pa，則活塞受到的壓力為F=(P2-P1)×S=145N，則所需要的最大扭矩為T=F×L1=2.25n·m，式中L1為連桿與齒輪回轉(zhuǎn)中心的最長(zhǎng)力臂。最后可根據(jù)該最大力矩的大小選擇合適的可以帶動(dòng)齒輪的電機(jī)。

3 仿真分析

基于Solidworks三維軟件，在軟件中建立鉆入機(jī)三維模型，再將三維模型導(dǎo)入Adams軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證其運(yùn)動(dòng)連續(xù)性和鉆入機(jī)是否能進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)鉆入機(jī)理論上的傳動(dòng)情況給鉆入機(jī)添加相應(yīng)的移動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)。首先需要電機(jī)軸帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，所以在電機(jī)軸上添加旋轉(zhuǎn)副，然后給小齒輪添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，給大齒輪添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，在小齒輪與大齒輪之間添加齒輪副；然后在連桿與大齒輪、連桿與活塞A之間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，在活塞A與活塞B之間添加固定副，最關(guān)鍵的是在連接桿與活塞B之間添加兩個(gè)數(shù)據(jù)單元以保證相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)；最后給機(jī)構(gòu)添加上相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，第一個(gè)驅(qū)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)、添加在電機(jī)桿上，第二個(gè)驅(qū)動(dòng)為移動(dòng)驅(qū)動(dòng)、添加在連接桿上。

圖4 活塞A位置、速度、加速度

圖5 活塞B位置、速度、加速度

圖6 錘頭位置、速度、加速度

對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，設(shè)置相應(yīng)的時(shí)間與步數(shù)。打開軟件的后處理模塊，在相應(yīng)的模塊中對(duì)于鉆入機(jī)各個(gè)構(gòu)件，可針對(duì)各個(gè)構(gòu)件添加其相應(yīng)的結(jié)果曲線。由圖4～6可知，活塞A、活塞B、錘頭的位移、速度、加速度等均呈周期性變化，符合預(yù)期設(shè)想和實(shí)際使用。

綜上，本文設(shè)計(jì)的往復(fù)振動(dòng)式接地棒輔助鉆入機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、新穎，工作原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)其預(yù)期功能。該鉆入機(jī)通過氣壓來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，具有清潔、低能耗的特點(diǎn)，且?guī)?dòng)活塞壓縮氣體所需要的力矩小。在社會(huì)上針對(duì)此類設(shè)備的研究較少，該機(jī)結(jié)構(gòu)可為樣機(jī)的制造提供參考。