0°～180°傘齒輪傳動(dòng)頭操作桿的研制

張祥華，張 林，徐東生，朱宗勇，李榮德，姬廣文

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司泰安供電公司，山東 泰安 271000）

0 引言

引流板作為導(dǎo)線接續(xù)金具的一種，其一端為管形，用來連接引流線（即一段短導(dǎo)線）；另一端為扁平板形，一般用兩個(gè)螺栓與耐張線夾相連。 輸電線路耐張桿塔兩側(cè)的導(dǎo)線通過耐張線夾、 引流板連接在一起，形成輸送電流的通道。 隨著用電需求的日益增長(zhǎng)，線路負(fù)荷大幅增加，特別在高負(fù)荷夏季，桿塔的耐張線夾容易出現(xiàn)引流板過熱問題，引流板的持續(xù)異常高溫可能導(dǎo)致引流板螺栓斷裂、 或是導(dǎo)線的熔斷引起線路跳閘， 嚴(yán)重影響線路的正常穩(wěn)定運(yùn)行［1-3］。

帶電處理上述情況螺栓松動(dòng)可通過等電位或地電位方式進(jìn)行。 等電位帶電作業(yè)需人員攀爬絕緣軟梯進(jìn)行等電位作業(yè)， 勞動(dòng)強(qiáng)度大， 存在較高的危險(xiǎn)性；地電位作業(yè)操作簡(jiǎn)單、危險(xiǎn)性較低，但是由于螺栓的朝向不同，常常導(dǎo)致無法使用工具帶電校緊。

本文研制的0°～180°傘齒輪傳動(dòng)頭操作桿的目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)地電位帶電作業(yè)遠(yuǎn)距離校緊0°～180°范圍內(nèi)安裝方向螺栓的操作桿，該操作桿具有操作簡(jiǎn)單、組裝方便、校緊可靠等優(yōu)點(diǎn)，可適用于耐張桿塔引流板、防震錘各種朝向螺栓的校緊。

1 確定研制方案

為實(shí)現(xiàn)對(duì)引流板不同穿向螺栓的帶電校緊，小組成員結(jié)合類似缺陷的停電處理方式， 在查閱了國(guó)內(nèi)外大量的專業(yè)技術(shù)資料后，提出3 個(gè)課題方向，如圖1 所示。

圖1 專用工具的功能分解

從工具的有效性、實(shí)施性和經(jīng)濟(jì)性3 個(gè)方面對(duì)比發(fā)現(xiàn)： 升降平臺(tái)配合絕緣操作桿雖然很容易實(shí)現(xiàn)螺栓校緊，但是輸電線路分布廣泛，部分線路位于丘陵、山區(qū)，斗臂車難以到達(dá)且價(jià)格較貴；帶可轉(zhuǎn)向棘輪扳手操作桿由于220 kV 的操作桿長(zhǎng)度達(dá)到2.1 m， 扭轉(zhuǎn)力矩通過操作桿傳遞到操作頭后往往由于力度達(dá)不到， 而不足以達(dá)到螺栓校緊標(biāo)準(zhǔn)；0°～180°傘齒輪傳動(dòng)頭操作桿應(yīng)用傳動(dòng)原理，作業(yè)人員在手持端操作，將扭力傳送至操作頭，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理可達(dá)到螺栓校緊標(biāo)準(zhǔn)要求， 研發(fā)成本約2 萬元，研制成功后單價(jià)在0.5 萬元以下。 綜合以上分析和對(duì)比，本文最終確定0°～180°傘齒輪傳動(dòng)頭操作桿的研制方案。

2 研制方案實(shí)施

確立了研制方案后， 在方案實(shí)施之前首先設(shè)定研究目標(biāo)，然后再將研究方案逐步分解。

2.1 設(shè)定方案目標(biāo)

研制0°～180°傘齒輪傳動(dòng)頭操作桿的目標(biāo)分為量化目標(biāo)和非量化目標(biāo)。 其中量化目標(biāo)為：通過操作桿帶電遠(yuǎn)距離校緊螺母，傳動(dòng)頭的額定扭力不小于80 N·m。 非量化目標(biāo)為：研制一種傘齒輪傳動(dòng)頭操作桿， 可實(shí)現(xiàn)耐張線夾引流板或防震錘等金具不同朝向螺栓的地電位帶電校緊工作。

2.2 方案的分解制定

結(jié)合前文設(shè)定的方案目標(biāo)，重點(diǎn)對(duì)0°～180°傘齒輪傳動(dòng)頭操作桿的設(shè)計(jì)方案分為曲柄、絕緣管、操作頭支架和芯軸絕緣管4 個(gè)主要組成部分。其中，芯軸絕緣管位于絕緣管內(nèi)部，下端與曲柄相連，上端與操作頭支架相連； 操作頭支架上安裝與預(yù)緊螺母相應(yīng)型號(hào)的套筒，可在 0°～180°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2.1 LC4 超硬鋁單把式曲柄

單把式曲柄結(jié)構(gòu)具有操作速度快，省時(shí)省力，操作半徑小， 單手操作便于作業(yè)人員在桿塔上用另一只手控制操作桿，安全性高等優(yōu)點(diǎn)滿足帶電作業(yè)過程中塔上地電位人員操作半徑小且省力的工作要求。

相對(duì)于45 號(hào)碳素鋼和5052 鋁合金，LC4 超硬鋁具有強(qiáng)度高，塑性韌性好，冷熱壓力加工性能好，重量輕等優(yōu)點(diǎn)。最終本文將0°～180°傘齒輪傳動(dòng)頭操作桿的曲柄設(shè)計(jì)確定為L(zhǎng)C4 超硬鋁單把式曲柄。

2.2.2 管螺紋連接的空心絕緣管

空心絕緣管的絕緣性能好，內(nèi)部空間大，可以為下一步安裝傳動(dòng)桿留下足夠空間。 絕緣管的方案選擇確定后，小組成員又對(duì)絕緣管的管徑進(jìn)行了選擇，經(jīng)過查詢文獻(xiàn)［4］參考常用220 kV 絕緣操作桿的外徑，選定空心絕緣管D40、D44、D50 三種型號(hào)作為被選型號(hào)，考慮到單人在桿塔上作業(yè)手持的操作工具不超過10 kg， 取絕緣管占工具整體質(zhì)量的1／3，約3 kg，為選取標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，確立了標(biāo)準(zhǔn)外徑為40 mm的空心絕緣管。

采用管螺紋連接， 螺紋擰緊時(shí)能產(chǎn)生很大的軸向力，方便進(jìn)行自鎖，且制造簡(jiǎn)單，能保持較高的精度等。 本文在絕緣管的選擇上確立了管螺紋連接的空心絕緣管的設(shè)計(jì)方案。

2.2.3 帶方孔插接頭的絕緣傳動(dòng)桿

絕緣傳動(dòng)桿作為本帶電作業(yè)工具的關(guān)鍵部件，必須具有較高的抗彎、抗扭性能，且在此基礎(chǔ)上質(zhì)量越輕越好。小組成員對(duì)其進(jìn)行了充分的試驗(yàn)分析，包括抗彎試驗(yàn)、抗扭試驗(yàn)。 質(zhì)量對(duì)比發(fā)現(xiàn)：泡沫填充絕緣管、 空心絕緣管在滿足抗彎抗扭性能前提下質(zhì)量最輕，泡沫填充絕緣管還具有防潮效果，因此選擇泡沫填充絕緣管。

方形傳動(dòng)頭和方孔插接頭采用插接式連接，帶彈簧鋼球鎖定， 芯軸絕緣管兩節(jié)互連時(shí)可直接插拔連接并自動(dòng)鎖定，力或扭矩傳遞效率高。方孔插接頭滿足文獻(xiàn)［5］中帶電作業(yè)工具接口應(yīng)盡量使用裝拆快捷的標(biāo)準(zhǔn)接口件的要求，且力或扭矩傳遞效率高。因此，小組確立了帶方孔插接頭的絕緣傳動(dòng)桿設(shè)計(jì)方案。

2.2.4 方形支架結(jié)構(gòu)的傘齒輪操作頭

操作頭支架的設(shè)計(jì)是本工具能否實(shí)現(xiàn)0°～180°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)關(guān)鍵部位， 為此小組成員提出了兩種初步設(shè)計(jì)，如圖2 所示。

圖2 操作頭支架的設(shè)計(jì)

通過模擬試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)， 方形設(shè)計(jì)具有固定牢固，不容易脫落，操作時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。

傘齒輪嚙合時(shí)的重合度比較好， 比較適合與載荷大、 轉(zhuǎn)速較低的場(chǎng)合。 直齒輪傳動(dòng)能力比斜齒輪小，噪音大。

傘齒輪屬于相交軸傳動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)0°～180°范圍內(nèi)力矩傳動(dòng)，傳動(dòng)功率、效率較高，因此本文確立了方形支架結(jié)構(gòu)的傘齒輪傳動(dòng)頭的設(shè)計(jì)方案。

3 加工設(shè)計(jì)

3.1 繪制專用工具示意圖

根據(jù)專用工具功能需要繪制符合方案確定專用工具示意圖，如圖3 所示。

圖3 專用工具示意圖

在使用過程中，當(dāng)操作頭齒輪需要轉(zhuǎn)動(dòng)90°使用時(shí)，將被動(dòng)齒輪支架外拉到頭再轉(zhuǎn)90°，調(diào)整齒輪嚙合好，然后搖動(dòng)曲柄1，通過芯軸絕緣管將扭力傳至操作頭支架3 上的連接套筒6， 最終將螺栓螺母扭緊。其整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，便于安裝攜帶，適用于耐張桿塔引流板各種朝向螺栓的校緊， 且可根據(jù)不同電壓等級(jí)選擇操作桿的長(zhǎng)度。

3.2 委托廠家加工組裝

某電力器材公司按照?qǐng)D紙加工完成專用工具各部件，經(jīng)測(cè)量，各部件誤差均小于0.5 mm。 將專用工具各部件組裝，經(jīng)檢測(cè)各部件接口部分連接牢固，可靠性100%，符合對(duì)策目標(biāo)要求。

專用工具加工完成后的組裝，如圖4 所示。

圖4 工具各部件圖及組裝圖

經(jīng)驗(yàn)證，0°～180°傘齒輪傳動(dòng)頭操作桿的單元工具長(zhǎng)度均≤1.8 m，單元工具質(zhì)量均≤100 N；符合文獻(xiàn)［5］中的要求，可實(shí)現(xiàn)耐張線夾引流板或防震錘等金具不同朝向螺栓的地電位帶電校緊工作， 符合方案目標(biāo)要求。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

0°～180°傘齒輪傳動(dòng)頭操作桿在某省電科院依據(jù)文獻(xiàn)［6］進(jìn)行試驗(yàn)。

經(jīng)驗(yàn)證，該工具的扭轉(zhuǎn)荷重試驗(yàn)：拆裝螺母為100 N·m，大于 80 N·m 的目標(biāo)值；工頻耐壓試驗(yàn)：絕緣工具1 min 工頻耐壓強(qiáng)度合格，完全滿足作業(yè)要求。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

經(jīng)專業(yè)權(quán)威部門鑒定合格后，又經(jīng)某供電公司生技部、安監(jiān)部等部門批準(zhǔn)，使用0°～180°傘齒輪傳動(dòng)頭操作桿在某模擬線路上對(duì)5 處不同朝向引流板螺栓進(jìn)行了地電位校緊， 校緊后用力矩扳手進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1 所示。

表1 專用工具螺栓校緊統(tǒng)計(jì)

通過對(duì)模擬桿塔上5 處不同朝向引流板螺栓進(jìn)行了地電位校緊，0°～180°傘齒輪傳動(dòng)頭操作桿的力矩均能達(dá)到100 N·m， 均能不同朝向的螺栓完全校緊，符合目標(biāo)要求。

5 效益分析

本文分別對(duì)0°～180°傘齒輪傳動(dòng)頭操作桿的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益進(jìn)行分析。

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

使用0°～180°傘齒輪傳動(dòng)頭操作桿進(jìn)行耐張線夾引流板不同朝向的螺栓帶電校緊， 地電位帶電作業(yè)開展消缺作業(yè)， 每次消缺增收電費(fèi)1.08 萬元，相對(duì)比等電位作業(yè)消缺流程， 每次消缺節(jié)省人工費(fèi)及出車費(fèi)0.095 萬元。 以2018年工作量計(jì)算，某供電公司進(jìn)行31 次耐張線夾引流板或防震錘不同朝向的螺栓帶電校緊工作， 每年可節(jié)省的費(fèi)用為：31×1.08+31×0.095=36.4 萬元。

5.2 社會(huì)效益

1）0°～180°傘齒輪傳動(dòng)頭操作桿可實(shí)現(xiàn)地電位對(duì)輸電線路防震錘、 耐張線夾引流板不同朝向的螺栓帶電校緊，避免了線路停電，減少了負(fù)荷損失，為電力供應(yīng)的穩(wěn)定做出貢獻(xiàn)。

2）該工具的投入使用，相對(duì)于等電位作業(yè)縮短作業(yè)時(shí)間，提高工作效率，大大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省勞動(dòng)力，提升現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全系數(shù)。 為人身、電網(wǎng)和設(shè)備的安全提供了保障。

6 結(jié)論

通過現(xiàn)場(chǎng)使用驗(yàn)證，0°～180°傘齒輪傳動(dòng)頭操作桿滿足現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境需要， 實(shí)現(xiàn)了地電位對(duì)輸電線路防震錘、 耐張線夾引流板不同朝向的螺栓帶電校緊工作，簡(jiǎn)化了操作程序，減少了線路停電時(shí)間，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度， 確保了同業(yè)對(duì)標(biāo)供電可靠性相關(guān)指標(biāo)的完成，提高了操作安全性，滿足了人員、設(shè)備的安全要求。