劉敬業(yè)

（廣東電網(wǎng)有限責任公司梅州供電局）

0 引言

力矩就是力和距離的乘積，在緊固螺絲螺栓螺母等螺紋緊固件時需要控制施加的力矩大小，以保證螺紋緊固且不至于因力矩過大破壞螺紋。配電元件螺紋緊固過程中主要采用機械扳手，在過于用力時很容易引起螺紋滑絲、崩裂，而力度不到位則可能造成元件晃動、斷觸短路等，增加了配電安全運行風險。如何調(diào)整螺紋扳手，使力矩實時顯示，已經(jīng)成為新時期人們關(guān)注的焦點。

1 需求分析

在配電線路上，螺絲、螺栓和螺母是我們最常見的，也是配電線路中必不可少的零件，俗話說“細節(jié)決定成敗”，如果螺絲沒擰緊，會因為接觸不良，導致接觸點的劇烈發(fā)熱，并伴隨著漏電現(xiàn)象，嚴重時會出現(xiàn)電弧，有可能引起單相接地故障，甚至是發(fā)生三相短路。簡單點說就是會發(fā)熱，發(fā)熱就可能會熔斷。由此可見，擰緊螺絲至關(guān)重要。配電作業(yè)中，螺絲的松緊度沒有進行實際的測量，擰緊螺絲都是憑借著師傅們的手感來判斷是否擰緊，這就導致螺絲擰的太緊，對螺絲造成損傷，太松會造成接觸不良，這會往往是導致故障跳閘發(fā)生的根源所在。

為了能保證配電線路的安全性及供電的可靠性，特研發(fā)設計一種可視力矩、可插換頭、支持聲光告警、支持自動調(diào)控的扭矩扳手。該裝置由扳手本體和數(shù)控系統(tǒng)兩部分組成，在使用時首先要設定好各類固定作業(yè)所需力矩需求參數(shù)，內(nèi)置力矩值。當施加的扭矩達到設定值時，工具會作出震動提示，代表已經(jīng)達標準力矩需求，不需要再加力，保證了我們的螺紋緊固件，已達到最有效的位置，大大提高我們作業(yè)人員的施工水平及部件連接的安全水平，從而保證我們的供電可靠性。

2 技術(shù)方案

2.1 技術(shù)原理

扭矩扳手中常采用直流電機自動旋擰，故扭矩監(jiān)測時可根據(jù)直流電機的電流信號和轉(zhuǎn)速信號計算。

按照電機軸動力學關(guān)系，理想狀態(tài)下電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動慣量呈正相關(guān)。當考慮負載轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩時，電機軸上的飛輪慣量為：

式中，Tem為電磁轉(zhuǎn)矩，T1為負載轉(zhuǎn)矩，T2為空載轉(zhuǎn)矩，J為轉(zhuǎn)動慣量，GD2為飛輪慣量，n為轉(zhuǎn)速信號。

電機正常運轉(zhuǎn)時，空載轉(zhuǎn)矩可忽略不計，則動力學方程可簡化為：

按照電機電磁學關(guān)系，正常運轉(zhuǎn)過程中電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩常數(shù)和磁通電流呈正相關(guān)。電磁關(guān)系式為：

式中，CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，Φ為電樞磁通，Ia為電樞電流。

將兩式聯(lián)立，可發(fā)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流整體線性正相關(guān)，即T1=f(Ia，n)。若負載過高，電樞磁通過大引起去磁反應，則電磁轉(zhuǎn)矩略微降低。

當電機空載運行時，電流增量可記為ΔIa=Ia-Ia0，此時電磁轉(zhuǎn)矩T1=f(ΔIa，n)，即通過電流增量和轉(zhuǎn)速信號增量就能夠快速計算出負載扭矩值。

2.2 工具設計

本次設計的可視力矩工具主要包括扳手主體和數(shù)控系統(tǒng)兩部分。其中，扳手主體采用扭矩扳手，配可拆卸插頭的傳感結(jié)構(gòu)，可根據(jù)元件情況選擇對螺固接頭；數(shù)控部分采用PIC18F4520 芯片，配合液晶顯示單元，實現(xiàn)力矩顯示告警，如圖1所示。

圖1 可視力矩工具

（1）硬件設計。扳手扭矩傳感器與可拆卸接頭連接，可根據(jù)不同作業(yè)場景更換套筒、卡扣等，使用起來更加便捷靈活；扭矩傳感器采集電樞電流信號，并將其轉(zhuǎn)換成扭矩值通過無線傳輸網(wǎng)絡上傳到數(shù)控系統(tǒng)中，而角度傳感器采集電機傳動信號，計算出電機轉(zhuǎn)速，為數(shù)控系統(tǒng)測扭矩提供參考；液晶顯示屏中設置按鍵，可選擇螺絲規(guī)格、旋擰方式、扭矩參數(shù)等，并實時顯示力矩數(shù)值。除此之外，顯示屏區(qū)域還配置聲光報警，若扭矩超出設定值，則系統(tǒng)雙重告警提醒，增強了旋擰保護效果，詳見圖2。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

（2）軟件設計。PIC18F4520 芯片功耗低、抗干擾型強，可驅(qū)動多種型號直流電機，操作非常便捷，非常契合配電作業(yè)情景需求。本次設計的電機驅(qū)動電路采用PWM 脈寬調(diào)制方式，對輸入過程中的沖擊電流進行抑制，在邏輯電平控制下實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，如圖3所示。

圖3 電機驅(qū)動電路

信號采集電路采用傳感器+無線傳輸模式。其中，電機自帶的電流傳感器測量范圍在0~100A，扭矩傳感器和角度傳感器測量誤差控制在±3%以內(nèi)。采集到的模擬信號上傳到存儲器中后，經(jīng)數(shù)顯控制系統(tǒng)中的PIC18F4520 處理單元轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并通過Wifi網(wǎng)絡或5G網(wǎng)絡上傳到遠程終端中，如圖4所示。

圖4 數(shù)顯控制流程

2.3 功能優(yōu)化

（1）參數(shù)設置。為進一步增強可視力矩工具的實用效果，在功能設計的過程中可在數(shù)顯系統(tǒng)中錄入不同配電元件螺紋緊固的裝配動畫，供人員在操作過程中選擇參考。同時，針對不同類型的螺紋緊固方式，設定螺紋參數(shù)和螺紋樣式，在不同操作下（初擰、終擰）的參考數(shù)值。人員在使用該工具的過程中可通過數(shù)顯面板中的設置按鈕錄入扭矩、轉(zhuǎn)數(shù)等參數(shù)，當扳手自動旋擰過程中，數(shù)顯系統(tǒng)以上述設定值為基準進行比對，分析是否旋擰到位。

（2）數(shù)據(jù)傳輸。為保證可視力矩工具通信便捷且便于攜帶，在數(shù)據(jù)通信時采用無線通信方式，以Wife 和5G 信號為主，進行參數(shù)信息和控制信息的雙向傳輸。同時，為增強數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜏蚀_性，在數(shù)據(jù)通信時還利用GPRS 網(wǎng)絡，實時定位螺紋旋擰區(qū)域。此時，若存在旋擰方式不合理、螺紋工具不匹配、轉(zhuǎn)數(shù)設置不正確等情況，系統(tǒng)可直接通過定位信息通知到作業(yè)人員，即可調(diào)整或優(yōu)化。

（3）數(shù)據(jù)處理。本次設計的PLC 控制系統(tǒng)中可自動存儲和記錄傳感器中采集到的各項數(shù)據(jù)，并通過設定的邏輯程序計算出扭矩數(shù)值，判斷其與參數(shù)設定值是否一致。當?shù)竭_參數(shù)設定值時，系統(tǒng)顯示異常告警，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理流程的優(yōu)化

上述中央處理單元運行時先初始化端口，采集設定的參數(shù)值、Wife 傳輸?shù)墓ぷ鲾?shù)據(jù)；然后，根據(jù)設定的扭矩值輸入方式，自動識別信號中的電流數(shù)據(jù)、電機轉(zhuǎn)數(shù)等，按照建立的公式模型計算中實時扭矩；最后，將設定值與實時參數(shù)對比，判定配電元件螺紋緊固程度，直至結(jié)束。

（4）自動調(diào)節(jié)?？梢暳毓ぞ咧性O置PID 閉環(huán)保護，正常作業(yè)環(huán)境下數(shù)顯系統(tǒng)中的扭矩值顯示持續(xù)上升，此時PID 閉環(huán)調(diào)節(jié)回路作用在電流回路上，使電機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)下降，直至達到指定扭矩參數(shù)后停止。而在電機傳感器檢測到的電流值異常時，PID 閉環(huán)調(diào)節(jié)回路可自動反饋，使扭矩扳手中的電機停止運轉(zhuǎn)。

上述反饋回路可增強扳手使用過程中的平穩(wěn)性和可靠度，避免電機過速旋轉(zhuǎn)或快速旋轉(zhuǎn)造成的擰死、擰壞等問題。尤其是在電流反饋時，使電機轉(zhuǎn)速越來越慢，在到達指定參數(shù)后能夠更好地控制電機旋轉(zhuǎn)慣性引起的過度擰緊缺陷，調(diào)節(jié)效果良好，值得深入研究和應用。

3 效益評估

對可視力矩工具進行扭矩控制精度測試，考慮電機溫度、機械摩擦等影響，實驗室測試時通過線性回歸方式進行數(shù)據(jù)擬合和校準，設定1200~3200N·m 的測試范圍，每400N·m 測試一次，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示：設計的可視力矩工具旋擰就位時的測試值與預設值基本一致，相對誤差整體控制在2%以內(nèi)，達到了非常好的配電元件螺紋緊固效果。

表1 可視力矩工具的測試結(jié)果

將可視力矩工具在配電元件檢修工作中投入使用后，配電元件螺紋緊固時間由原來的分鐘級縮短到幾秒，大大縮短了機械扳手使用過程中一直調(diào)整方向、調(diào)整扳手等浪費的時間，從根本上改善了配電檢修時效。同時，在可視力矩工具投入使用后，當月我單位未出現(xiàn)1 起由螺紋緊固不當引起的配電元件損失?，F(xiàn)場檢查確認，上述配電元件均旋擰牢固且不存在任何損傷，有效緩解了由螺絲過緊或過松引起的配電安全隱患和經(jīng)濟風險。

綜上所述，本項目成果可視力矩工具在配網(wǎng)作業(yè)中，保證了我們的螺紋緊固件已達到最有效的位置，使得螺紋緊固件受力均勻，大大提高我們作業(yè)人員的施工水平及部件連接的安全水平。將此工具應用于所有配網(wǎng)作業(yè)中，可解決由于螺紋緊固件太緊或不夠緊固造成線路故障的問題，從而保證我們的供電可靠性，值得深入研究和推廣應用。

4 結(jié)束語

可視力矩工具采用扭矩扳手和數(shù)顯系統(tǒng)實現(xiàn)配電元件螺紋自動旋擰、自動調(diào)控，有效避免了螺紋過緊導致的損傷和螺紋過松引起的晃動，為配電檢修和運維管理提供了有效支撐。在上述工具應用過程中，應不斷優(yōu)化數(shù)顯控制單元，增強數(shù)據(jù)采集的可靠性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?、?shù)據(jù)計算的準確性，這樣才能夠最大限度降低旋擰誤差，使配電元件又好又快安裝就位，最大限度改善配電工作的安全效益和經(jīng)濟效益。