高压线引流线夹螺栓预紧装置拧紧力分析及控制方法

杨冬，沈鹏飞，陈谷雨，唐磊，王舒琴

(国网安徽省电力有限公司马鞍山供电公司，安徽，马鞍山 243000)

0 引言

高压线引流线夹的作用是将高压线电流引入大地或其他位置，引流线夹的固定方式一般都是采用螺栓固定。螺栓预紧力会随着时间的增加而变小，需要人工进行拧紧。传统的人工拧紧方式是维修人员一手持绝缘套筒将螺杆固定，一手持绝缘扳手拧紧螺帽，并且需要不停地改变夹紧螺帽的位置。如果引流线夹是采用2组螺栓固定，拧紧的时候还会被另一组螺栓妨碍，导致了这种方式的拧紧效率慢，劳动强度大。

现有技术对上述问题进行了一定的研究，文献[1]设计了一种全自动拧紧装置，该技术采用全自动螺栓拧紧机提高螺栓的拧紧速度，虽然能够节省劳动力，但是带电作业执行困难，使用不便。文献[2]设计了一种四臂机器人携带拧紧装置对引流线夹进行拧紧，该技术通过移动机器人双臂携带螺栓末端的机械手和携带螺栓拧紧末端机械手实现预紧，虽然提高了一定的效率,解决了安全问题，但是前期的投入过大，并且节省的时间不多。

本研究根据螺栓预紧力学原理，设计一个新型自动预紧装置，在提高螺栓拧紧速度的同时，还保证了作业人员的安全。

1 预紧装置设计思路

螺栓连接是连接2个物体最常用的连接方式，而螺栓的预紧是螺栓连接中最重要的部分。预紧不仅可以提高螺栓连接的稳定性、疲劳强度和防松脱能力，还能增强两连接件的紧密性和刚性[3]。螺栓和连接件产生的沿螺栓轴心方向的力被称作预紧力，预紧力也可以理解为拧紧螺栓所需要的力。预紧力的大小影响着连接的可靠性，预紧力过小连接不稳定，预紧力过大则会导致连接失效。拧紧力矩的大小、螺栓与连接件之间的摩擦大小和螺栓与螺母之间的摩擦大小都对预紧力的大小有一定影响[4]。

结合传统的螺栓拧紧方式，本研究设计出一个螺栓拧紧装置来代替人工拧紧，具备以下特点[5]。

(1) 拧紧效率高。传统的人工拧紧效率慢，设计的拧紧装置应该提高拧紧效率，保证带电作业的效率。

(2) 预紧力较高。人工拧紧方式只能根据维修人员的经验来保证较高的预紧力，这种方式无法保证预紧力的大小，可能会出现预紧力过高或者过低的情况，从而导致螺栓连接的不可靠，设计的装置应该能够保证螺栓具有较高的预紧力。

(3) 安全性高。带电作业的危险性较高，人工拧紧方式存在巨大的安全隐患，设计出的预紧装置安全性要高，保证维修人员的安全性。

基于以上内容，设计出的新型预紧装置如图1所示。

图1 螺栓预紧装置

图1中，1、2的作用是固定和拧紧螺栓，1可以固定螺栓的螺柱头，2固定螺栓的螺帽，2内部有动力装置，拧紧的过程中会向螺柱探头一侧运动，为此在1底部开设了滑槽，能够让拧紧螺栓时2能够运动，同时可以手动调节2的位置来拧紧不同长度的螺栓[6]。该装置可以同时拧紧2组螺栓，1、2开设了2组预紧空孔，解决了2组螺栓距离太近而相互干扰的问题，同时也提高了拧紧的效率[7]。

为了提高操作的安全性，本设计的思想是减少维修人员与螺栓的直接接触时间，维修人员只需将螺栓放入到装置的固定位置，按下按钮即可完成拧紧任务，同时，装置的表面材料采用绝缘橡胶或者绝缘塑料，最大程度地保证维修人员的安全性[8]。

本研究中的把手内部是空心的，目的是放置动力源，本设计采用兼容式充电设备，比如可充电式锂电池或者动力源采用异步电机，型号为YS-60KTYZ(使用交流220 V电压)等，能够根据用户需求进行选择[9]。螺栓的预紧力在联结不同材料的东西时可能需要的预紧力不同，因此为了该装置能够满足不同预紧力的需求，设置了3种模式：一般预紧力、较高预紧力和最大预紧力[10]。

拧紧完成后，内部的力矩传感器会将当前力矩大小传送到比较模块，比较完成后将结果显示在液晶显示屏上，维修人员可以直观地了解到拧紧的效果，从而进行相应的处理。

2 关键技术设计

2.1 拧紧力评价方法

本研究从高压线引流线夹螺栓预紧装置进行工作时的拧紧状态具有的复合应力σv以及具有的紧固扭矩和实现的预紧力之间的关系来分析预紧装置的特性。当高压线引流线夹螺栓预紧装置处于拧紧工作状态时，预紧装置除了自身张力输出应力σ，在进行预紧工作时，还产生扭转剪切应力τ，复合应力σv与输出的应力σ和剪切应力τ有关系。其关系式通过以下公式表示：

(1)

其中,输出应力σ可以为

(2)

扭转剪切应力的表达式可以通过以下公式计算：

(3)

通过式(1)～式(3)能够将复合应力σv与输出的应力σ和剪切应力τ之间的关系以数学表达的形式表达出来。为了更清楚地表示三者之间的关系，则通过图2的曲线图表示。

图2 拧紧过程各种应力关系式示意图

通过图2可以看到，高压线引流线夹螺栓预紧装置在工作过程中，在相同外界环境以及外部力的作用下，与高压线引流线夹螺栓预紧装置在单纯拉伸时所经受的应力相比，其经受的拉伸应力比较小。因此，通过拧紧力评价时，可以通过应力大小来衡量。

高压线引流线夹螺栓预紧装置在紧固时，可以分为紧固扭矩和支承面扭矩，紧固产生的扭矩在材料弹性区域内产生，此时的紧固扭矩和高压线引流线夹螺栓预紧装置的预紧力之间的关系为直线关系，通过数学表达式可以为

(4)

式中，T表示高压线引流线夹螺栓预紧装置在紧固时产生的扭矩(单位为N·m)，Ts表示高压线引流线夹螺栓预紧装置在紧固时的螺纹扭矩(单位N·m)，TW表示高压线引流线夹螺栓预紧装置在紧固时其内部承受拧紧力的支承面扭矩(单位为N·m)，F表示高压线引流线夹螺栓预紧装置在紧固时产生的预紧力大小,d2表示高压线引流线夹螺栓预紧装置在紧固时内径大小(单位为mm),ρ表示高压线引流线夹螺栓预紧装置在紧固时螺纹当量具有的摩擦角，λ表示高压线引流线夹螺栓预紧装置在紧固时螺纹倾斜度,dm表示高压线引流线夹螺栓预紧装置在实现紧固动作时的螺母支承面平均直径(单位为mm)，μn表示高压线引流线夹螺栓预紧装置在实现紧固动作时的螺母支承面产生的摩擦系数。

2.2 拧紧力矩控制设计

本设计针对人为判断不准确问题，利用力矩传感器和AT89C51单片机来设计一个系统，使得拧紧完成后维修人员可以从液晶显示屏中直观地看到预紧力是否达到要求，同时可以控制电机的频率来满足不同的螺栓。系统的架构如图3所示。

图3 拧紧控制方案设计

AT89C51单片机是整个系统的核心，主要分为微处理器、程序存储器和数据存储器三部分。系统的功能主要有两个，第一个是拧紧完成后将螺栓的预紧效果输出到液晶显示屏上，这里采用了力矩传感器来采集拧紧完成时的力矩，采集完成后，通过I/O接口将力矩信息传输到单片机，单片机中的程序存储器中存储了计算程序和比较程序，将拧紧完成时的预紧力跟螺栓需要的预紧力进行对比，最后将结果输出道液晶显示屏上；第二个是控制电机的频率，YS-60KTYZ型号的电动机本身是不具备变频功能的，但是可以通过单片机来实现变频，单片机可以控制电源的输出，从而控制电机的输出频率，通过按钮调节单片机来控制电源实现电机变频。

在进行软件设计时，采用软件为Visual C+软件工具;在进行初始化时，需要进行初始化的参数包括预紧力力矩、参数变量、参数数据采集卡，预紧参数选择数据、参数设置、力矩调控、预紧力测量功能、数据管理、气缸控制行程、伺服电机动作信息、传感器执行状态等。预紧力输出控制程序如图4所示。

图4 预紧力输出控制程序

在图4的控制程序中，进行预紧力设置之后，再设置锁紧螺母拧紧力矩T的最大容许范围以及摩擦力矩值的容许范围。当气缸抬升时，将已经设置好的参数按照命令程序启动命令，然后判断是否已经达到了设定力矩;当实际力矩与设定力矩相差不大时，通过人力旋转，通过设定程序进行位移计算;当允许误差在设定范围时，气缸停止运行。当气缸抬升时，采用的是相反的计算程序。用户通过操作面板，执行按钮动作，能够实现气缸的多种动作，比如上升、下降、停止、启动等。

如何判断预紧力大小是否合适，假设预紧力矩T介于1.321～1.432KTmax，K为介于1～3之间的常数，Tmax为动力源采用异步电机YS-60KTYZ的最大输出力矩，当变速器的速比达到最大时，则可输出最大力矩。根据程序设置，可以将摩擦力矩设置为1.321～1.432PTmax。其中,P为已知常数，假设预紧力误差为δ，则满足以下关系式，则表示预紧力为最合适,

|δi-δj|≤δ0

(5)

(6)

其中,δ0为介于0.01～0.04之间的常数，δi为夹紧部件与预紧装置接触时的相对位置量，δj为夹紧部件与预紧装置接触处总的弹性变形量。

3 试验结果与分析

设计完成后，要对设计的装置进行效果验证和性能验证，不仅要保证拧紧装置能够完成拧紧任务，还要保证装置的性能优异。要想保证较好的预紧力，则需要足够的预紧力矩，预紧力矩的计算公式为

Mt=K×P0×d×10-3

(7)

式中,Mt为预紧力矩，K为预紧力系数，P0为预紧力，d为螺纹公称直径，力矩的单位为N·m。其中，K值的确定需要进行查表，K值大小如表1所示。

表1 K值与摩擦表面状况对照

预紧力的计算公式为

P0=σ0×As

(8)

式中,P0为预紧力，σ0为屈服强度系数，As为公称应力截面。As的大小根据螺纹的公称直径有关，由于螺栓的型号较多，这里选取8个最常用的螺栓，具体数值关系如表2所示。

表2 公称应力截面大小与公称直径对照表

屈服强度系数的计算公式为

σ0=(0.5～0.7)σs

(9)

式中,σ0为屈服强度系数，σs为螺栓材料的屈服极限，跟螺栓的性能等级有关，具体数值如表3所示。

表3 屈服极限与螺栓性能等级对照

根据上述内容，可以计算出螺栓达到较高预紧力的力矩。

下面对本设计的螺栓预紧装置进行性能验证，在实验室利用本设计的预紧装置对螺栓进行预紧，选取的3种螺栓种类，经过式(3)～式(5)计算得到表4数据。

表4 螺栓数据

根据表4中的数据第三种的螺栓需要的力矩最大为348.16 N·m,仍然小于电机输出经过蜗轮蜗杆传递得到的扭矩，所以上述设计得到的螺栓拧紧装置足够拧紧以上3种螺栓。

采用本设计的拧紧装置对上述3种螺栓进行拧紧操作，每种拧紧5次，对拧紧时间、拧紧完成时的力矩、预紧力大小进行记录，对C型号螺栓的数据进行整理得到表5数据。

表5 c型号螺栓试验数据

根据表5可以看出,5次试验的结果都能保证螺栓具有较高的预紧力，并且拧紧的时间比人工拧紧的时间要少得多。下面对以上3种螺栓的实际预紧力跟理论预紧力进行误差计算，得到图5的误差对比图。

图5 误差分析

从图5可以看出，试验的误差方位在0.5%～2%之间，能够达到螺栓的较高预紧力效果。

下面对3种螺栓进行人工拧紧，每种拧紧5次，记录拧紧时间，整理得到表6数据。

表6 人工拧紧时间

从表6数据可以看出，拧紧3种螺栓的时间都在10 s以上，比采用本设计的预紧装置需要的时间多得多，原因是要不停地改变夹紧螺帽的位置，从而浪费了大量时间。

综上所述，本设计的螺栓预紧装置能够保证螺栓具有较高的预紧力，同时相比人工拧紧节省了大量时间。

4 总结

本设计针对带电作业中的引流线夹预警困难，设计出了一个新型的预紧装置，通过试验证明了该预紧装置的性能。本研究的预紧装置能够保证螺栓具有较高的预紧力，从而减少了后续的维修，提高引流线夹螺栓的拧紧效率，还能够使得带电作业人员直接接触螺栓的时间较少。试验结果表明,本设计的预紧装置性能优异，但是实验室的试验数据不多，还需要继续进行大量的试验，根据试验结果对其进行相应的改进和完善。