楊冬，沈鵬飛，陳谷雨，唐磊，王舒琴

(國網(wǎng)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(yù)緊力會隨著時間的增加而變小，需要人工進(jìn)行擰緊。傳統(tǒng)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?jǐn)Q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(dǎo)致了這種方式的擰緊效率慢，勞動強(qiáng)度大。

現(xiàn)有技術(shù)對上述問題進(jìn)行了一定的研究，文獻(xiàn)[1]設(shè)計了一種全自動擰緊裝置，該技術(shù)采用全自動螺栓擰緊機(jī)提高螺栓的擰緊速度，雖然能夠節(jié)省勞動力，但是帶電作業(yè)執(zhí)行困難，使用不便。文獻(xiàn)[2]設(shè)計了一種四臂機(jī)器人攜帶擰緊裝置對引流線夾進(jìn)行擰緊，該技術(shù)通過移動機(jī)器人雙臂攜帶螺栓末端的機(jī)械手和攜帶螺栓擰緊末端機(jī)械手實現(xiàn)預(yù)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(jié)省的時間不多。

本研究根據(jù)螺栓預(yù)緊力學(xué)原理，設(shè)計一個新型自動預(yù)緊裝置，在提高螺栓擰緊速度的同時，還保證了作業(yè)人員的安全。

1 預(yù)緊裝置設(shè)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(yù)緊是螺栓連接中最重要的部分。預(yù)緊不僅可以提高螺栓連接的穩(wěn)定性、疲勞強(qiáng)度和防松脫能力，還能增強(qiáng)兩連接件的緊密性和剛性[3]。螺栓和連接件產(chǎn)生的沿螺栓軸心方向的力被稱作預(yù)緊力，預(yù)緊力也可以理解為擰緊螺栓所需要的力。預(yù)緊力的大小影響著連接的可靠性，預(yù)緊力過小連接不穩(wěn)定，預(yù)緊力過大則會導(dǎo)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(yù)緊力的大小有一定影響[4]。

結(jié)合傳統(tǒng)的螺栓擰緊方式，本研究設(shè)計出一個螺栓擰緊裝置來代替人工擰緊，具備以下特點(diǎn)[5]。

(1) 擰緊效率高。傳統(tǒng)的人工擰緊效率慢，設(shè)計的擰緊裝置應(yīng)該提高擰緊效率，保證帶電作業(yè)的效率。

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

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

基于以上內(nèi)容，設(shè)計出的新型預(yù)緊裝置如圖1所示。

圖1 螺栓預(yù)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(nèi)部有動力裝置，擰緊的過程中會向螺柱探頭一側(cè)運(yùn)動，為此在1底部開設(shè)了滑槽，能夠讓擰緊螺栓時2能夠運(yùn)動，同時可以手動調(diào)節(jié)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(shè)了2組預(yù)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(shè)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(wù)，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(nèi)部是空心的，目的是放置動力源，本設(shè)計采用兼容式充電設(shè)備，比如可充電式鋰電池或者動力源采用異步電機(jī)，型號為YS-60KTYZ(使用交流220 V電壓)等，能夠根據(jù)用戶需求進(jìn)行選擇[9]。螺栓的預(yù)緊力在聯(lián)結(jié)不同材料的東西時可能需要的預(yù)緊力不同，因此為了該裝置能夠滿足不同預(yù)緊力的需求，設(shè)置了3種模式：一般預(yù)緊力、較高預(yù)緊力和最大預(yù)緊力[10]。

擰緊完成后，內(nèi)部的力矩傳感器會將當(dāng)前力矩大小傳送到比較模塊，比較完成后將結(jié)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(jìn)行相應(yīng)的處理。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

2.1 擰緊力評價方法

本研究從高壓線引流線夾螺栓預(yù)緊裝置進(jìn)行工作時的擰緊狀態(tài)具有的復(fù)合應(yīng)力σv以及具有的緊固扭矩和實現(xiàn)的預(yù)緊力之間的關(guān)系來分析預(yù)緊裝置的特性。當(dāng)高壓線引流線夾螺栓預(yù)緊裝置處于擰緊工作狀態(tài)時，預(yù)緊裝置除了自身張力輸出應(yīng)力σ，在進(jìn)行預(yù)緊工作時，還產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力τ，復(fù)合應(yīng)力σv與輸出的應(yīng)力σ和剪切應(yīng)力τ有關(guān)系。其關(guān)系式通過以下公式表示：

(1)

其中,輸出應(yīng)力σ可以為

(2)

扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力的表達(dá)式可以通過以下公式計算：

(3)

通過式(1)～式(3)能夠?qū)?fù)合應(yīng)力σv與輸出的應(yīng)力σ和剪切應(yīng)力τ之間的關(guān)系以數(shù)學(xué)表達(dá)的形式表達(dá)出來。為了更清楚地表示三者之間的關(guān)系，則通過圖2的曲線圖表示。

圖2 擰緊過程各種應(yīng)力關(guān)系式示意圖

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

高壓線引流線夾螺栓預(yù)緊裝置在緊固時，可以分為緊固扭矩和支承面扭矩，緊固產(chǎn)生的扭矩在材料彈性區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生，此時的緊固扭矩和高壓線引流線夾螺栓預(yù)緊裝置的預(yù)緊力之間的關(guān)系為直線關(guān)系，通過數(shù)學(xué)表達(dá)式可以為

(4)

式中，T表示高壓線引流線夾螺栓預(yù)緊裝置在緊固時產(chǎn)生的扭矩(單位為N·m)，Ts表示高壓線引流線夾螺栓預(yù)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(yù)緊裝置在緊固時其內(nèi)部承受擰緊力的支承面扭矩(單位為N·m)，F(xiàn)表示高壓線引流線夾螺栓預(yù)緊裝置在緊固時產(chǎn)生的預(yù)緊力大小,d2表示高壓線引流線夾螺栓預(yù)緊裝置在緊固時內(nèi)徑大小(單位為mm),ρ表示高壓線引流線夾螺栓預(yù)緊裝置在緊固時螺紋當(dāng)量具有的摩擦角，λ表示高壓線引流線夾螺栓預(yù)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(yù)緊裝置在實現(xiàn)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(yù)緊裝置在實現(xiàn)緊固動作時的螺母支承面產(chǎn)生的摩擦系數(shù)。

2.2 擰緊力矩控制設(shè)計

本設(shè)計針對人為判斷不準(zhǔn)確問題，利用力矩傳感器和AT89C51單片機(jī)來設(shè)計一個系統(tǒng)，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(yù)緊力是否達(dá)到要求，同時可以控制電機(jī)的頻率來滿足不同的螺栓。系統(tǒng)的架構(gòu)如圖3所示。

圖3 擰緊控制方案設(shè)計

AT89C51單片機(jī)是整個系統(tǒng)的核心，主要分為微處理器、程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器三部分。系統(tǒng)的功能主要有兩個，第一個是擰緊完成后將螺栓的預(yù)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?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)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(yù)緊力跟螺栓需要的預(yù)緊力進(jìn)行對比，最后將結(jié)果輸出道液晶顯示屏上；第二個是控制電機(jī)的頻率，YS-60KTYZ型號的電動機(jī)本身是不具備變頻功能的，但是可以通過單片機(jī)來實現(xiàn)變頻，單片機(jī)可以控制電源的輸出，從而控制電機(jī)的輸出頻率，通過按鈕調(diào)節(jié)單片機(jī)來控制電源實現(xiàn)電機(jī)變頻。

在進(jìn)行軟件設(shè)計時，采用軟件為Visual C+軟件工具;在進(jìn)行初始化時，需要進(jìn)行初始化的參數(shù)包括預(yù)緊力力矩、參數(shù)變量、參數(shù)數(shù)據(jù)采集卡，預(yù)緊參數(shù)選擇數(shù)據(jù)、參數(shù)設(shè)置、力矩調(diào)控、預(yù)緊力測量功能、數(shù)據(jù)管理、氣缸控制行程、伺服電機(jī)動作信息、傳感器執(zhí)行狀態(tài)等。預(yù)緊力輸出控制程序如圖4所示。

圖4 預(yù)緊力輸出控制程序

在圖4的控制程序中，進(jìn)行預(yù)緊力設(shè)置之后，再設(shè)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(dāng)氣缸抬升時，將已經(jīng)設(shè)置好的參數(shù)按照命令程序啟動命令，然后判斷是否已經(jīng)達(dá)到了設(shè)定力矩;當(dāng)實際力矩與設(shè)定力矩相差不大時，通過人力旋轉(zhuǎn)，通過設(shè)定程序進(jìn)行位移計算;當(dāng)允許誤差在設(shè)定范圍時，氣缸停止運(yùn)行。當(dāng)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(zhí)行按鈕動作，能夠?qū)崿F(xiàn)氣缸的多種動作，比如上升、下降、停止、啟動等。

如何判斷預(yù)緊力大小是否合適，假設(shè)預(yù)緊力矩T介于1.321～1.432KTmax，K為介于1～3之間的常數(shù)，Tmax為動力源采用異步電機(jī)YS-60KTYZ的最大輸出力矩，當(dāng)變速器的速比達(dá)到最大時，則可輸出最大力矩。根據(jù)程序設(shè)置，可以將摩擦力矩設(shè)置為1.321～1.432PTmax。其中,P為已知常數(shù)，假設(shè)預(yù)緊力誤差為δ，則滿足以下關(guān)系式，則表示預(yù)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(shù)，δi為夾緊部件與預(yù)緊裝置接觸時的相對位置量，δj為夾緊部件與預(yù)緊裝置接觸處總的彈性變形量。

3 試驗結(jié)果與分析

設(shè)計完成后，要對設(shè)計的裝置進(jìn)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(wù)，還要保證裝置的性能優(yōu)異。要想保證較好的預(yù)緊力，則需要足夠的預(yù)緊力矩，預(yù)緊力矩的計算公式為

Mt=K×P0×d×10-3

(7)

式中,Mt為預(yù)緊力矩，K為預(yù)緊力系數(shù)，P0為預(yù)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(jìn)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(yù)緊力的計算公式為

P0=σ0×As

(8)

式中,P0為預(yù)緊力，σ0為屈服強(qiáng)度系數(shù)，As為公稱應(yīng)力截面。As的大小根據(jù)螺紋的公稱直徑有關(guān)，由于螺栓的型號較多，這里選取8個最常用的螺栓，具體數(shù)值關(guān)系如表2所示。

表2 公稱應(yīng)力截面大小與公稱直徑對照表

屈服強(qiáng)度系數(shù)的計算公式為

σ0=(0.5～0.7)σs

(9)

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

表3 屈服極限與螺栓性能等級對照

根據(jù)上述內(nèi)容，可以計算出螺栓達(dá)到較高預(yù)緊力的力矩。

下面對本設(shè)計的螺栓預(yù)緊裝置進(jìn)行性能驗證，在實驗室利用本設(shè)計的預(yù)緊裝置對螺栓進(jìn)行預(yù)緊，選取的3種螺栓種類，經(jīng)過式(3)～式(5)計算得到表4數(shù)據(jù)。

表4 螺栓數(shù)據(jù)

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)第三種的螺栓需要的力矩最大為348.16 N·m,仍然小于電機(jī)輸出經(jīng)過蝸輪蝸桿傳遞得到的扭矩，所以上述設(shè)計得到的螺栓擰緊裝置足夠擰緊以上3種螺栓。

采用本設(shè)計的擰緊裝置對上述3種螺栓進(jìn)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(yù)緊力大小進(jìn)行記錄，對C型號螺栓的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理得到表5數(shù)據(jù)。

表5 c型號螺栓試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)表5可以看出,5次試驗的結(jié)果都能保證螺栓具有較高的預(yù)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(yù)緊力跟理論預(yù)緊力進(jìn)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(dá)到螺栓的較高預(yù)緊力效果。

下面對3種螺栓進(jìn)行人工擰緊，每種擰緊5次，記錄擰緊時間，整理得到表6數(shù)據(jù)。

表6 人工擰緊時間

從表6數(shù)據(jù)可以看出，擰緊3種螺栓的時間都在10 s以上，比采用本設(shè)計的預(yù)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(fèi)了大量時間。

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

4 總結(jié)

本設(shè)計針對帶電作業(yè)中的引流線夾預(yù)警困難，設(shè)計出了一個新型的預(yù)緊裝置，通過試驗證明了該預(yù)緊裝置的性能。本研究的預(yù)緊裝置能夠保證螺栓具有較高的預(yù)緊力，從而減少了后續(xù)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(yè)人員直接接觸螺栓的時間較少。試驗結(jié)果表明,本設(shè)計的預(yù)緊裝置性能優(yōu)異，但是實驗室的試驗數(shù)據(jù)不多，還需要繼續(xù)進(jìn)行大量的試驗，根據(jù)試驗結(jié)果對其進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)和完善。