高压线引流线夹螺栓预紧装置拧紧力分析及控制方法

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。

注：１为 Ｌ形螺柱固定板，２为 螺 帽 拧 紧 板，３为 螺 栓，４为 滑 槽，５为 把手，６为液晶显示屏，７为调节按钮，８为可拆卸底盖。

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２２０Ｖ 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：

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。

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：

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。

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 ＶｉｓｕａｌＣ＋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。

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，

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：

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。

预紧力的计算公式为：

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。

屈服强度系数的计算公式为：

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。

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。

根据 表 ４ 中的数据第三种的螺栓需要的力矩最大为 ３４８．１６Ｎ·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。

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。

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。

从表６数据可以看出，拧紧３种螺栓的时间都在１０ｓ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。

审核编辑 ：李倩