输电线路大型地脚螺栓自动扭矩扳手设计

刘阳 张川 潘正婕 张振 乔智晟 姚晓东

摘   要：输电线路铁塔属于空间桁架结构，铁塔与地基之间用地脚螺栓进行连接，大型地脚螺栓直径大、安装空间狭小、拧紧力矩无标准且扭矩控制要求精度高。本文通过理论计算常用输电线路铁塔用地脚螺栓拧紧力矩，建立输电杆塔地脚螺栓拧紧力矩参考标准，设计适用于输电线路铁塔特殊环境下地脚螺栓紧固的数显扭矩扳手和扭矩倍增器，安全高效地完成输电线路地脚螺栓的紧固。

关键词：拧紧力矩  数显扭矩扳手  扭矩倍增器

中图分类号：TM75                                 文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）03（a）-0083-02

目前，输电杆塔地脚螺栓的安装仍面临诸多困难和挑战[1]。一方面， 随着输电线路电压等级的升高以及输电线路铁塔体积的增大，对于输电铁塔地脚螺栓的安装质量提出了更高更严格的要求，而目前地脚螺栓的安装普遍存在可靠性、准确性的问题。另一方面，由于输电线路杆塔结构及施工要求的特殊性，安装空间十分有限，输电线路铁塔地脚螺栓通过人力采用普通机械扭矩扳手紧固仍是目前螺栓安装的主要方法，施工效率低。人工手动安装主观性太强，仅仅通过经验判断地脚螺栓是否拧紧，缺乏有效可靠的技术支撑，可能导致过松或者过拧，引发事故。

为此，精确计算不同工况下的不同尺寸系列的常用输电铁塔地脚螺栓的拧紧力矩，建立输电线路铁塔地脚螺栓拧紧力矩参考标准，设计适用于输电线路铁塔地脚螺栓紧固的数显扭矩扳手和扭矩倍增器，对保证输电铁塔及架线施工安全，保证电网安全稳定运行有十分重要的意义。

1  输电杆塔地脚螺栓拧紧力矩参考标准的建立

现有的输电铁塔地脚螺栓的施工基本采用人工手动方式，仅凭工人经验确定拧紧力矩，不仅费时费力，而且可能造成地脚螺栓的欠拧或过拧，这也是全国范围的电力施工所面临的问题。现有的螺栓拧紧力矩标准是2012年制定的，最大螺栓直径仅为48mm，而实际应用的地脚螺栓直径可达到100mm，之间是没有任何可参考的拧紧力矩标准。同时，该参考标准是不考虑润滑、垫片情况的，实际施工的地脚螺栓使用的润滑介质不同且一般都有垫片，因此不能精确反映地脚螺栓实际需要的拧紧力矩。而不论是两被连接件间的压紧力还是螺栓上的轴向预紧力，在工作现场很难检测到，也就很难予以直接控制。

本文拟采取扭矩控制法、屈服点控制法、扭矩-转角控制法（TA）和螺栓伸长法（QA）四种方法结合，根据输电杆塔设计使用地脚螺栓的材料及尺寸结构参数，精确计算地脚螺栓的拧紧力矩，建立常用输电杆塔地脚螺栓拧紧力矩基本参考标准。

在扭矩扳手控制法理论计算输电杆塔地脚螺栓的拧紧力矩基础上，通过扭矩-转角控制法（TA）、屈服点控制法、螺栓伸长法（QA）实验方法对数据进行校准，得到输电杆塔地脚螺栓拧紧力矩参考标准。

2  数显扭矩扳手与扭矩倍增器的设计开发

2.1 数显扭矩扳手的设计

本文针对实际工况下输电铁塔地脚螺栓的规格、使用环境以及地脚螺栓在装配时需要达到的装配精度要求，提出结构简单，兼具经济性与实用性的数显扭矩扳手，同时通过辅助工具扭矩倍增器适用于螺栓规格大的拧紧力矩。

如图1所示，通过人工在电子控制系统的触控按键中输入螺栓直径值，电子控制系统根据内置螺栓规格和拧紧力矩的关系，自动设定所需施加的拧紧力矩显示在LED电子显示屏中，手动调节扭矩等级调节装置，使得内置弹簧预紧力大小于相应等级，即该等級的扭矩区间值适应于该螺栓规格所需扭矩值，此扭矩扳手测力原理为扭矩扳手头部相对于外套筒以圆柱销为中心旋转很小范围的角度，通过杠杆将力传递给顶杆产生径向运动，压缩弹簧，压力传感器测量此时的压力。调节内置弹簧预紧力范围可以增加测量扭矩值的范围（螺栓拧紧力较大，弹簧预紧力较小时，当扭矩扳手角度旋转到最大时，传感器的测量值没有达到螺栓的最大拧紧力，通过增大弹簧的预紧力，可以使扭矩扳手的旋转角度在旋转范围之内，准确测量螺栓的最大拧紧力），同时提高拧紧的精度，拧紧时，调节扭矩扳手的长度，即通过调节力臂的大小，使操作更加便捷。

设计的数显扭矩扳手的头部安装有棘轮和换向装置，可以使设备进行双向操作。操作人员根据扭矩值，旋转扭矩等级调节装置，由于调节杆与扭矩等级调节装置通过垫片、螺栓相连接，即手动旋转扭矩等级调节装置，调节杆相应的在内套筒中径向向前或向后运动，以此压缩和放松弹簧，使该等级扭矩区间适应于该螺栓直径所需扭矩，可以相应增大扭矩扳手的测量值范围，相对于依据人工经验，扭矩扳手采用压力传感器，可以提高拧紧的精度。本数显扭矩扳手使用方便，可降低劳动强度，适用于地脚螺栓的安装环境，提高施工效率。

2.2 扭矩倍增器的设计

在螺栓装配中，为保证螺栓联接的可靠性及疲劳强度，必须使螺栓联接有足够的预紧力，这在很大程度上取决于扭矩扳手拧紧力的大小，但是在机械行业中很多较大的机器需要高强度的预紧力，这个力是一般工作人员在利用扭矩扳手中所不能或难以达到的。为此，设计一种扭矩倍增器，如图2所示。扭矩倍增器是一种可以为操作者提供扭矩放大的装置，扭矩倍增器具有确定的输入端主要为其提供动力，提高工作的效率[6]。

扭矩倍增器是由一圆周或行星齿轮组合在不同组合阶层来带动齿轮旋转出力，每一阶层齿轮扭矩放大倍率因数设为K（K的具体大小由齿轮的半径比决定，我们这里设计K=5），在行星型齿轮系统中，扭矩是经由中心齿轮输入和输出。由三个或四个行星齿轮与中心结合带动旋转。倍增器外壳内的圆周齿轮与环绕内部行星型齿轮啮合，但是相对与内部行星齿轮旋转而言，旋转方向是相反的。反作用力臂可以防止与圆周齿轮一体的外壳旋转，而使行星齿型齿轮绕中心齿轮旋转来带动驱动方头旋转，从而输出扭矩。如果没有反作用力臂则无法输出扭矩。

由公式：扭矩*转速=功率（由M=F*r，V=ω*r，P=F*V推的P=M*ω）可知当输入功率一定时，减小ω的值可使输出扭矩增大。故扭矩倍增器实际就是一个通过行星轮系降低ω值的装置。

其中一个行星齿轮如图3所示，设外齿轮半径为R，其角速度即为输出角速度ω2，而半径为r的主动齿轮角速度ω1即为输入角速度。它们是通过中间的齿轮传递能量。假设这里没有能量的损失，即输入的功率P1等于输出的功率P2。

故由上述的公式：P=M*ω得

M1*ω1=M2*ω2                           （1）

又由内外齿轮的运动线速度V相等，即w1*r=w2*R，得

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

即输入输出扭矩之比即为齿轮的半径比：R/r。

一個行星轮可以将扭矩倍增为R/r倍。本文设计R=10cm，r=2cm，这样一级行星轮便可以将扭矩增加5倍。由于体积和能量损失的限制我们将选择2级行星齿轮系，这样便可以将输入的扭矩增加5×5=25倍。

3  结语

对输电杆塔地脚螺栓进行充分调研的基础上，深入研究螺栓拧紧力矩标准体系和标准体系结构，对实际工况下的螺栓拧紧力矩进行精确计算，为输电杆塔地脚螺栓的安装时的拧紧力矩提供一定的指导意义。同时，查阅国内外的扭矩扳手发展现状与发展趋势，针对在实际的安装环境，设计一种适用于特殊安装环境的专用扭矩扳手，考虑经济价值与实用性，对扭矩扳手进行优化，同时设计与数显扭矩扳手量程匹配的扭矩倍增器，兼具实用性与经济性，达到利益的最大化。

参考文献

[1] 李汉孟.输电线路钢管杆基础地脚螺栓群安装质量控制[J].科技创新与应用，2018（10）：131-132.

[2] 沈桂英.螺栓拧紧力矩的计算[J].油田地面工程，1994（3）：56-58.

[3] 朱正德，林湖.基于螺栓装配技术中扭矩法与扭矩/转角法比较与应用研究[J].柴油机设计与制造，2005（2）：40-43.

[4] 张甫生.采用屈服点拧紧法的螺栓联接计算方法[J].机械设计，1989（2）：30-34.

[5] 谢伟伟.测伸长量法在控制连杆螺栓预紧力中的应用[J].压缩机技术，2014（1）：43-45.

[6] 王飞.扭矩倍增器应用及连接杆改造[J].能源与节能，2017（6）：144-145.