大吨位双轴传动省力丝杠研究

卢辉琨，王祥祥，唐 勇，马 俭，黄承壮

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司百色局，广西 百色 533000）

0 引言

西电东送南通道分部于我国西南地区，西电东送主干网架将云南、贵州的清洁水电源源不断地向广东等大负荷中心输送。为满足电能输送的需求，主干网架采用了超、特高压交直流并存的形式进行远距离大容量输电。在我国西南地区建设远距离大容量输电线路，由于地理环境的限制，线路无法避开在大山、深沟、大河等复杂地形中穿梭，因此不得不设计、建设许多大档距、大跨越的超、特高压输电线档。输电线路在跨越山谷、深沟等特殊地形时档距大，一般为800 m 以上［1］。大档距输电线路杆塔的各项受力比常规档距输电线路杆塔大，如果是特高压直流输电线路杆塔，其综合受力还会更大。当前特高压柔性直流输电技术已经成熟，并进入了新的发展阶段，国内电网企业也紧跟国家能源战略不断调整，不断促进新能源消纳。由于新能源基地通常处于边远地带，根据需要电能输送可能会采用特高压直流输电方式，此时其杆塔受力比常规交直流输电系统的杆塔有所加大。

在输电线路的检修工作中，更换自爆玻璃绝缘子或整串绝缘子最常用的丝杠是常规单轴传动丝杠。当对大档距输电线路绝缘子进行检修时，常规单轴传动丝杠的两端收紧量在使用过程中误差较大，影响拆装效率，传动丝杠受力不平衡还会使工具过载，导致设备损坏、掉串甚至人员伤亡。本文研究了一种能够将大吨位荷载转移的双轴传动丝杠，当大受力档段线路停电或带电检修时，能够很方便地进行大吨位荷载转移，以满足大档距大吨位绝缘子更换工作的要求［2-3］，使得输电线路检修工作变得更加安全、灵活和高效。

1 双轴传动原理

本文研制的双轴传动省力丝杠用双轴代替传统单轴进行滑动，基于阿基米德原理，将传统丝杠的操作方向从水平改为竖直，对结构进行优化，在轻量化的前提下，其荷载能满足大吨位荷载转移的需求，具有摩擦力小，性能优越的特点。在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽，当两者套装在一起时便形成螺旋滚道，滚珠沿滚道滚动，并经回珠器在两相邻滚道间来回循环运动，非常灵活，而且效率高，机械效率可达92%～98%。滚珠丝杆的轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动，所以能得到较高的机械效率。该双轴传动省力丝杠的驱动力矩是传统单轴丝杠的1/3，可用于500 kV 及以上交流线路和±800 kV直流线路的耐张塔、直线塔绝缘串（片）的更换。

2 双轴传动丝杠结构

该双轴传动省力丝杠的结构如图1 所示，主要包括箱体、蜗杆、蜗轮、多个丝杆、安装座五部分。与传统单轴丝杠相比，双轴传动蜗杆可旋转地安装于本体结构箱体内，蜗轮位于箱体内部，并与蜗杆相连，蜗轮上设有输出部件。多个丝杆穿过箱体，分列于蜗轮的两侧，与手摇输入部件相连，使得丝杆原地旋转。安装座连接多个丝杆，并与多个丝杆相啮合，使安装座随多个丝杆的旋转直线移动。安装座共有2 个，分别安装于丝杆的两端，并对称布置，以便2 个安装座在蜗杆的驱动下反向远离或靠近，减小双轴传动丝杠两端收紧量的误差，提高拆装效率，避免出现双轴传动丝杠受力不平衡导致设备损坏、掉串甚至人员伤亡等情况。

图1 双轴传动省力丝杠结构图

3 特点及应用效果

该双轴传动省力丝杠采用模块化设计，选用碳素钢等优质材料，通过有限元仿真获取力学性能参数，分析丝杠在加载状态下主要部件的应力、应变及位移，确保在150 kN 的额定荷载下各主要部件的强度仍能满足运行要求。该丝杠最大单件重量不超过3 kg，实现了大吨位张紧装置轻量化，简化了作业流程，减轻了检修工作的劳动强度，提高了工作效率。与单件重量达20 kg 及以上的传统装置（链条葫芦、液压紧线器）相比，该双轴传动省力丝杠更适合山区交直流输电线路耐张塔、直线塔绝缘串（片）的更换作业。

该双轴传动省力丝杠采用基于阿基米德原理的蜗轮蜗杆传动方式，突破了常规丝杠单向传动或齿轮滚动摩擦螺纹实现传动的局限性。与液压传动装置相比，其易于防止逆转，能够实现自锁，避免液压传动装置夹紧力保持性差、泄压不平稳造成的设备损坏，

该双轴传动省力丝杠结构紧凑，空间设计合理，具有性能高、体积小、重量轻等特点，提升了检修效率。蜗杆端头可实现多样化操作模式，例如双向棘轮操作杆式、旋转手摇式、电动式等，便于操作，使用方便。

4 仿真受力分析

4.1 任务描述

在双轴传动省力丝杠的两端施加120 kN 的拉力，计算其应力分布。表1为关键部件材料特性。

表1 关键部件材料特性

双轴传动省力丝杠规格如图2 所示，其整体长度为594～834 mm，行程为240 mm，动力由蜗轮和蜗杆带动丝杆旋转提供。

图2 双轴传动省力丝杠规格

4.2 模型设置与求解

4.2.1 模型等效应力

因为本次只对丝杆和卡板接头进行静力学分析，所以可将传动的蜗轮、蜗杆、螺栓、刻度板、轴承及其箱体等部件省略，只保留需要分析的丝杆，卡板接头和卡环部分。整体等效应力图如图3 所示。由图3 可见，卡板接头区域应力较大，需要进一步分析。

图3 整体等效应力图

4.2.2 局部应力和网格细化计算

局部放大并将网格细化后，应力计算结果如图4所示。由图4 可见，在卡板接头处存在应力较大的区域，因此需要将该区域网格进一步细分，重新进行计算。网格进一步细分后发现，在卡板接头（材料为60Si2Mn）的圆角处，应力达到1445 MPa，超出了所用材料的屈服强度1176 MPa。通过以上分析可知，该双轴传动省力丝杠在卡板接头与卡环配合的圆角处容易产生较大的应力集中，如图5 所示。初步分析原因可能为轴肩处的圆角与卡环在孔的位置处的圆角大小一致，当丝杆承受拉力时，处于该位置的单元除了承受拉力外，由于卡环存在一定程度的变形，卡环的圆角还会对轴肩圆角造成挤压，因此该圆角在靠近两根丝杆的左右两侧发生较大的应力集中［4］。

图4 网格细化后应力计算结果

图5 应力集中位置

4.2.3 卡环结构优化

由于在卡板接头与卡环配合的圆角处存在应力集中的情况，对卡环的结构进行优化，将圆角改为倒角，并重新进行计算。将卡环的圆角改为倒角后，卡环与卡板接头处的圆角不发生接触，施加荷载后在卡板接头轴肩的圆角处未发生应力集中［5］，所受的最大应力为800 MPa，未超过材料的屈服强度1176 MPa，符合要求。结构优化后丝杆的应力情况如图6 所示。此时丝杆（材料为40 Cr）所受的最大应力为618 MPa，未超过材料的屈服强度785 MPa，符合要求。结构优化后卡环的应力情如图7 所示，此时卡环（材料为3Cr2Mo）所受的最大应力为429 MPa，未超过材料的屈服强度705 MPa，符合要求。

图6 结构优化后丝杆的应力情况

图7 结构优化后卡环的应力情况

4.3 蜗轮和蜗杆的强度计算

该双轴传动省力丝杠通过蜗杆带动蜗轮转动，使得卡环和中间的丝杆水平向两边移动。进行检修作业时，在大荷载力的作用下可能会导致蜗轮和蜗杆失效，为了验证蜗轮和蜗杆的有效承载力，还应对蜗轮和蜗杆进行受力分析。

4.3.1 蜗轮和蜗杆的材料及校核分析

蜗轮和蜗杆的材料不仅要具有足够的强度，还要具有良好的跑合性、减磨性及耐磨性［6］。蜗杆一般用碳钢或合金钢制成，该双轴传动省力丝杠的蜗杆采用45 碳钢，蜗轮采用40Cr碳钢。在蜗杆传动过程中，因为材料和结构的不同，蜗杆螺旋齿的强度通常高于蜗轮齿的强度，所以失效常发生在蜗轮齿上。对闭式传动而言，蜗杆的主要失效形式是齿面胶合或点蚀。因为蜗轮齿呈倾斜的曲梁弧状，很少发生轮齿折断，所以闭式传动可以按照齿面接触疲劳强度进行设计校核，不必进行齿根弯曲疲劳强度校核，只有当蜗轮齿数为80～100 个时，才进行齿根弯曲强度校核。热平衡计算是针对连续工作的蜗杆传动而言的，该蜗杆不连续工作，因此不需要进行热平衡计算。综上，对该蜗轮和蜗杆进行校核时，需要分析齿面接触疲劳强度。

4.3.2 齿面接触应力计算

蜗轮和蜗杆的具体参数分别如表2和表3所示。

表2 蜗轮参数

表3 蜗杆参数

齿面接触应力的计算公式如式（1）所示。

式中：σH为齿面接触应力；ZE为弹性影响系数；ZP为接触系数，取2.5；T2为蜗轮所受力矩；K为工作情况系数；a为传动中心距，其值为0.0375 m（按蜗杆传动中心距取值）。

1）计算工作情况系数K。K的计算公式如式（2）所示。

式中：K1为使用系数，对于均匀平稳冲击，K1可取1；K2为齿向荷载分布系数，当蜗杆在平稳状态下工作时，由于工作表面的良好磨合，荷载分布不均匀现象得到缓解，K2可取1；K3为动载系数，当蜗轮圆周速度小于等于3 m/s 时，K3的取值范围为1.0～1.1，计算时取最大值1.1。将K1、K2和K3的值代入式（2），可得K为1.1。

2）计算蜗杆传动效率。理论上蜗杆传动效率达到95%～97%才算合格，在本次校核计算中取97%，传动效率η的计算公式如式（3）所示。

式中：p为摩擦角，取值为3°；γ为蜗轮导程角，其值为4.57°。将p和γ的值代入式（3），可得η为0.58。

3）计算蜗轮所受力矩T2。先计算蜗杆所受力矩T1，其计算公式如式（4）所示。

式中：Fa为蜗轮承受的轴向力；d1为蜗杆的公称直径，其值为0.015 m。

当在卡板接头上施加120 kN 的额定荷载时，两侧与蜗杆连接的蜗轮所承受的荷载为蜗轮的轴向力Fa，即60 kN。将Fa和d1的值代入式（4），可得蜗杆所受力矩为450 N·m。

蜗轮所受力矩T2的计算公式如式（5）所示。

式中：i为倍率，取25。将T1、i和η的值代入式（5）可得蜗轮所受力矩为6525 N·m。

4）确定弹性影响系数ZE。选用40Cr 碳钢蜗轮和45碳钢蜗杆相互配合，由参考文献［7］可知，弹性影响系数ZE为189.8。

5）确定许用接触应力［σH］。该双轴传动省力丝杠蜗轮材料的抗拉强度σB为810 MPa，而当蜗轮材料的抗拉强度σB≥300 MPa 时，蜗杆传动的承载能力主要取决于齿面胶合强度。但目前尚无完善的胶合强度计算公式，故计算接触强度，这是一种条件性计算。在查蜗轮齿面的许用接触应力时，要考虑相对滑动速度的大小。胶合不属于疲劳失效，［σH］的值与应力循环次数无关，因此可直接从参考文献［8］查到许用接触应力值。设滑动速度为1 m/s，根据参考文献［8］可知材料的许用接触应力［σH］为117 MPa。

将K、ZE、ZP、T2、a的值代入式（1），计算得到齿面接触应力为5.5 MPa，小于材料的许用接触应力117 MPa，齿面接触强度符合要求。

5 结语

本文研发的双轴传动省力丝杠已在南方电网得到广泛推广应用，近一年来利用该丝杠开展超、特高压带电检修126 次，多送电量60 000 MW·h，新增电量销售3600 万元，创造经济效益4200 万元，相当于减少煤炭（标准煤）使用量44 280 t，减少排放二氧化碳35 890 t、粉尘10 730 t、二氧化硫1080 t、氮氧化物540 t，对减排和环保意义重大。双轴传动省力丝杠的开发与应用，提升了特高压线路运行维护水平，保障了线路安全、可靠运行。为了规范该工具的使用、保管、保养，后续还将编制作业指导书，进一步规范作业流程，加强对该工具使用的培训，提高线路检修人员的操作技能。