高壓線引流線夾螺栓預(yù)緊裝置擰緊力分析及控制方法

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(huì)隨著時(shí)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(shí)候還會(huì)被 另一組螺 栓 妨礙，導(dǎo)致了這種方式的擰 緊效率慢，勞 動(dòng) 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(jì) 了一種全自動(dòng)擰緊裝置，該技術(shù)采用全自動(dòng)螺栓擰緊機(jī)提高 螺栓的擰緊速度，雖然能夠節(jié)省勞動(dòng)力，但是帶電作業(yè)執(zhí)行 困難，使用不便。文獻(xiàn)［２］設(shè)計(jì)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(dòng)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(shí)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(shí)間不多。

本研究根據(jù)螺栓預(yù)緊力學(xué)原理，設(shè)計(jì)一個(gè)新型自動(dòng)預(yù)緊 裝置，在提高螺栓擰緊速度的同時(shí)，還 保 證 了 作 業(yè) 人 員 的 安全。

１ 預(yù)緊裝置設(shè)計(jì)思路

螺栓連接是連接２個(gè)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(huì)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(jì)出一個(gè)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(jì) 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(yàn)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(huì)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(jì)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(xiǎn)性較高，人 工 擰 緊 方 式 存在巨大的安全隱患，設(shè)計(jì)出的預(yù)緊裝置安全性要高，保 證 維修人員的安全性?；谝陨蟽?nèi)容，設(shè)計(jì)出的新型預(yù)緊裝置如圖１所示。

注：１為 Ｌ形螺柱固定板，２為 螺 帽 擰 緊 板，３為 螺 栓，４為 滑 槽，５為 把手，６為液晶顯示屏，７為調(diào)節(jié)按鈕，８為可拆卸底蓋。

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(dòng)力裝置，擰 緊 的 過 程中會(huì)向螺柱探頭一側(cè)運(yùn)動(dòng)，為 此 在１底部開設(shè)了滑槽，能 夠讓擰緊螺栓時(shí)２能夠運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可以手動(dòng)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(shí)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(shí)也提高了擰緊的效率［７］。

為了提高操作的安全性，本設(shè)計(jì)的思想是減少維修人員 與螺栓的直接接觸時(shí)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(shí)，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(dòng) 力 源，本 設(shè)計(jì)采用兼容式充電設(shè)備，比如可充電式鋰電池或者動(dòng)力源 采用異步電機(jī)，型 號 為 ＹＳ－６０ＫＴＹＺ（使 用 交 流２２０Ｖ 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(shí)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(huì)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(jì)

２．１ 擰緊力評價(jià)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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)，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：

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。

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(shí)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(jià)時(shí)，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(shí)，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(shí)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：

式中，Ｔ 表示高壓線引流線夾螺栓預(yù)緊裝置在緊固時(shí)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(shí)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(shí)其內(nèi)部承受擰緊力的支承面扭矩 （單位為 Ｎ·ｍ），Ｆ 表示高壓線引流線夾螺栓預(yù)緊裝置在緊 固時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)螺紋傾斜度，ｄｍ 表 示 高壓線引流線夾螺栓預(yù)緊裝置在實(shí)現(xiàn)緊固動(dòng)作時(shí)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(shí)現(xiàn)緊固動(dòng)作時(shí)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(jì)

本設(shè)計(jì)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(jì) 一 個(gè) 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(shí)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。

ＡＴ８９Ｃ５１單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主 要 分 為 微 處 理 器、程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器三部分。系統(tǒng)的功能主要有兩 個(gè)，第一個(gè)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(shí)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(chǔ)器中存儲(chǔ)了計(jì)算程序和比較程序，將擰緊完成 時(shí)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(gè)是控制電機(jī)的頻率，ＹＳ－６０ＫＴＹＺ型 號的電動(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)電機(jī)變頻。

在進(jìn) 行 軟 件 設(shè) 計(jì) 時(shí)，采 用 軟 件 為 ＶｉｓｕａｌＣ＋軟 件 工 具；在進(jìn)行初始化時(shí)，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(dòng)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。

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(shí)，將已經(jīng)設(shè)置好的參數(shù)按照命令程序啟動(dòng)命令，然后判斷是否已經(jīng)達(dá)到了設(shè)定力矩；當(dāng) 實(shí) 際 力 矩 與 設(shè)定力矩相差不大時(shí)，通 過 人 力 旋 轉(zhuǎn)，通過設(shè)定程序進(jìn)行位 移計(jì)算；當(dāng)允許誤差在設(shè)定范圍時(shí)，氣 缸 停 止 運(yùn) 行。當(dāng) 氣 缸 抬升時(shí)，采用的是相反的計(jì)算程序。用戶通過操作面 板，執(zhí) 行按鈕 動(dòng) 作，能夠?qū)崿F(xiàn)氣缸的多種動(dòng)作，比 如 上 升、下 降、停 止、啟動(dòng)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(dòng) 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(shí)，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，

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(shí)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(yàn)結(jié)果與分析

設(shè)計(jì)完成后，要對設(shè)計(jì)的裝置進(jìn)行效果驗(yàn)證和性能驗(yàn) 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(jì)算公式為：

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。

預(yù)緊力的計(jì)算公式為：

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(gè) 最 常 用 的 螺 栓，具體數(shù)值關(guān)系如表 ２ 所示。

屈服強(qiáng)度系數(shù)的計(jì)算公式為：

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。

根 據(jù) 上 述 內(nèi) 容，可以計(jì)算出螺 栓達(dá)到較高預(yù)緊力的 力矩。

下面對本設(shè)計(jì)的螺栓預(yù)緊裝置進(jìn)行性能驗(yàn)證，在實(shí)驗(yàn)室 利用本設(shè)計(jì)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(jì)算得到表４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 ３４８．１６Ｎ·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(jì)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(jì)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(shí)間、擰緊完成時(shí)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)。

根據(jù)表５可以看出，５次試驗(yàn)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(shí)間比人工擰緊的時(shí)間要少得 多。下面對以上３種螺栓的實(shí)際預(yù)緊力跟理論預(yù)緊力進(jìn)行 誤差計(jì)算，得到圖５的誤差對比圖。

從圖５可以看出，試驗(yàn)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(shí)間，整理得到表６數(shù)據(jù)。

從表６數(shù)據(jù)可以看出，擰緊３種螺栓的時(shí)間都在１０ｓ以 上，比采用本設(shè)計(jì)的預(yù)緊裝置需要的時(shí)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(shí)間。

綜上所述，本設(shè)計(jì)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(shí)相比人工擰緊節(jié)省了大量時(shí)間。

４ 總結(jié)

本設(shè)計(jì)針對帶電作業(yè)中的引流線夾預(yù)警困難，設(shè)計(jì)出了 一個(gè)新型的預(yù)緊裝置，通過試驗(yàn)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(shí)間較少。試驗(yàn)結(jié)果表明， 本設(shè)計(jì)的預(yù)緊裝置性能優(yōu)異，但是實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不多， 還需要繼續(xù)進(jìn)行大量的試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對其進(jìn)行相應(yīng)的 改進(jìn)和完善。

審核編輯 ：李倩