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高壓線引流線夾螺栓預(yù)緊裝置擰緊力分析及控制方法

線束專家 ? 來源:線束專家 ? 2023-01-30 11:27 ? 次閱讀

0 引言

高壓線引流線夾的作用是將高壓線電流引入大地或其他位置,引流線夾的固定方式一般都是采用螺栓固定。螺栓 預(yù)緊力會隨著時間的增加而變小,需要人工進行擰緊。傳統(tǒng) 的人工擰緊方式是維修人員一手持絕緣套筒將螺桿固定,一 手持絕緣扳手?jǐn)Q緊螺帽,并且需要不停地改變夾緊螺帽的位置。如果引流線夾是采用2組螺栓固定,擰緊的時候還會被 另一組螺 栓 妨礙,導(dǎo)致了這種方式的擰 緊效率慢,勞 動 強 度大。

現(xiàn)有技術(shù)對上述問題進行了一定的研究,文 獻[1]設(shè) 計 了一種全自動擰緊裝置,該技術(shù)采用全自動螺栓擰緊機提高 螺栓的擰緊速度,雖然能夠節(jié)省勞動力,但是帶電作業(yè)執(zhí)行 困難,使用不便。文獻[2]設(shè)計了一種四臂機器人攜帶擰緊 裝置對引流線夾進行擰緊,該技術(shù)通過移動機器人雙臂攜帶 螺栓末端的機械手和攜帶螺栓擰緊末端機械手實現(xiàn)預(yù)緊,雖 然提高了一定的效率,解決了安全問題,但是前期的投入過 大,并且節(jié)省的時間不多。

本研究根據(jù)螺栓預(yù)緊力學(xué)原理,設(shè)計一個新型自動預(yù)緊 裝置,在提高螺栓擰緊速度的同時,還 保 證 了 作 業(yè) 人 員 的 安全。

1 預(yù)緊裝置設(shè)計思路

螺栓連接是連接2個物體最常用的連接方式,而螺栓的預(yù)緊是螺栓連接中最重要的部分。預(yù)緊不僅可以提高螺栓 連接的穩(wěn)定性、疲勞強度和防松脫能力,還能增強兩連接件 的緊密性和剛 性[3]。螺栓和連接件產(chǎn)生的沿螺栓軸心方 向 的力被稱作預(yù)緊力,預(yù)緊力也可以理解為擰緊螺栓所需要的 力。預(yù)緊力的大小影響著連接的可靠性,預(yù)緊力過小連接不 穩(wěn)定,預(yù)緊力過大則會導(dǎo)致連接失效。擰 緊 力 矩 的 大 小、螺 栓與連接件之間的摩擦大小和螺栓與螺母之間的摩擦大小 都對預(yù)緊力的大小有一定影響[4]。

結(jié)合傳統(tǒng)的螺栓擰緊方式,本研究設(shè)計出一個螺栓擰緊 裝置來代替人工擰緊,具備以下特點[5]。

(1)擰緊效率高。傳統(tǒng)的人工擰緊效率慢,設(shè) 計 的 擰 緊 裝置應(yīng)該提高擰緊效率,保證帶電作業(yè)的效率。

(2)預(yù)緊力較高。人工擰緊方式只能根據(jù)維修人員的 經(jīng)驗來保證 較 高 的 預(yù) 緊 力,這種方式無法保證預(yù)緊力的大 小,可能會出現(xiàn)預(yù)緊力過高或者過低的情況,從 而 導(dǎo) 致 螺 栓 連接的不可靠,設(shè)計的裝置應(yīng)該能夠保證螺栓具有較高的預(yù) 緊力。

(3)安全性高。帶電作業(yè)的危險性較高,人 工 擰 緊 方 式 存在巨大的安全隱患,設(shè)計出的預(yù)緊裝置安全性要高,保 證 維修人員的安全性。基于以上內(nèi)容,設(shè)計出的新型預(yù)緊裝置如圖1所示。

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注:1為 L形螺柱固定板,2為 螺 帽 擰 緊 板,3為 螺 栓,4為 滑 槽,5為 把手,6為液晶顯示屏,7為調(diào)節(jié)按鈕,8為可拆卸底蓋。

圖1中,1、2的作用是固定和擰緊螺栓,1可以固定螺栓 的螺柱 頭,2固定螺栓的螺帽,2內(nèi)部有動力裝置,擰 緊 的 過 程中會向螺柱探頭一側(cè)運動,為 此 在1底部開設(shè)了滑槽,能 夠讓擰緊螺栓時2能夠運動,同時可以手動調(diào)節(jié)2的位置來 擰緊不同長度的螺栓[6]。該裝置可以同時擰緊2組螺栓,1、 2開設(shè)了2組預(yù)緊空孔,解 決 了2組螺栓距離太近而相互干 擾的問題,同時也提高了擰緊的效率[7]。

為了提高操作的安全性,本設(shè)計的思想是減少維修人員 與螺栓的直接接觸時間,維修人員只需將螺栓放入到裝置的 固定位置,按下按鈕即可完成擰緊任務(wù),同時,裝置的表面材 料采用絕緣橡膠或者絕緣塑料,最大程度地保證維修人員的 安全性[8]。

本研究中的把手內(nèi)部是空心的,目 的 是 放 置 動 力 源,本 設(shè)計采用兼容式充電設(shè)備,比如可充電式鋰電池或者動力源 采用異步電機,型 號 為 YS-60KTYZ(使 用 交 流220V 電 壓) 等,能夠根據(jù)用戶需求進行選擇[9]。螺栓的預(yù)緊力在聯(lián)結(jié)不 同材料的東西時可能需要的預(yù)緊力不同,因此為了該裝置能 夠滿足不同預(yù)緊力的需求,設(shè)置了3種模式:一般預(yù)緊力、較 高預(yù)緊力和最大預(yù)緊力[10]。

擰緊完成后,內(nèi)部的力矩傳感器會將當(dāng)前力矩大小傳送 到比較模塊,比較完成后將結(jié)果顯示在液晶顯示屏上,維 修 人員可以直觀地了解到擰緊的效果,從而進行相應(yīng)的處理。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

2.1 擰緊力評價方法

本研究從高壓線引流線夾螺栓預(yù)緊裝置進行工作時的 擰緊狀態(tài)具有的復(fù)合應(yīng)力σv 以及具有的緊固扭矩和實現(xiàn)的 預(yù)緊力之間的關(guān)系來分析預(yù)緊裝置的特性。當(dāng) 高 壓 線 引 流 線夾螺栓預(yù)緊裝置處于擰緊工作狀態(tài)時,預(yù)緊裝置除了自身 張力輸出應(yīng)力σ,在進行預(yù)緊工作時,還產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力τ, 復(fù)合應(yīng)力σv 與輸出的 應(yīng) 力σ 和 剪 切 應(yīng) 力τ 有 關(guān) 系。其 關(guān) 系 式通過以下公式表示:

5381e142-9fb9-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

通過式(1)~式(3)能夠?qū)?fù)合應(yīng)力σv 與 輸 出 的 應(yīng) 力σ 和剪切應(yīng)力τ 之間的關(guān)系以數(shù)學(xué)表達的形式表達出來。為 了更清楚地表示三者之間的關(guān)系,則 通 過 圖 2 的 曲 線 圖 表示。

538ebc3c-9fb9-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

通過圖2可以看到,高壓線引流線夾螺栓預(yù)緊裝置在工 作過程中,在相同外界環(huán)境以及外部力的作用下,與 高 壓 線 引流線夾螺栓預(yù)緊裝置在單純拉伸時所經(jīng)受的應(yīng)力相比,其 經(jīng)受的拉伸應(yīng) 力 比 較 小。因 此,通過擰緊力評價時,可 以 通 過應(yīng)力大小來衡量。

高壓線引流線夾螺栓預(yù)緊裝置在緊固時,可以分為緊固 扭矩和支承 面 扭 矩,緊固產(chǎn)生的扭矩在材料彈性區(qū)域內(nèi)產(chǎn) 生,此時的緊固扭矩和高壓線引流線夾螺栓預(yù)緊裝置的預(yù)緊 力之間的關(guān)系為直線關(guān)系,通過數(shù)學(xué)表達式可以為:

539ea71e-9fb9-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

式中,T 表示高壓線引流線夾螺栓預(yù)緊裝置在緊固時產(chǎn)生的 扭矩(單位為 N·m),Ts 表示高壓線引流線夾螺栓預(yù)緊裝置 在緊固時的螺 紋 扭 矩(單 位 N·m),TW 表示高壓線引流線 夾螺栓預(yù)緊裝置在緊固時其內(nèi)部承受擰緊力的支承面扭矩 (單位為 N·m),F 表示高壓線引流線夾螺栓預(yù)緊裝置在緊 固時產(chǎn)生的預(yù) 緊 力 大 小,d2 表示高壓線引流線夾螺栓預(yù)緊裝置在緊固時內(nèi)徑大小(單 位 為 mm),ρ表示高壓線引流線 夾螺栓預(yù)緊裝置在緊固時螺紋當(dāng)量具有的摩擦角,λ表 示 高 壓線引流線夾螺栓預(yù)緊裝置在緊固時螺紋傾斜度,dm 表 示 高壓線引流線夾螺栓預(yù)緊裝置在實現(xiàn)緊固動作時的螺母支 承面平均直徑(單位為 mm),μn 表示高壓線引流線夾螺栓預(yù) 緊裝置在實現(xiàn)緊固動作時的螺母支承面產(chǎn)生的摩擦系數(shù)。

2.2 擰緊力矩控制設(shè)計

本設(shè)計針對人為判斷不準(zhǔn)確問題,利用力矩傳感器和 AT89C51單片機來 設(shè) 計 一 個 系 統(tǒng),使 得 擰 緊 完 成 后 維 修 人 員可以從液晶顯示屏中直觀地看到預(yù)緊力是否達到要求,同 時可以控制電機的頻率來滿足不同的螺栓。系 統(tǒng) 的 架 構(gòu) 如 圖3所示。

53aae97a-9fb9-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

AT89C51單片機是整個系統(tǒng)的核心,主 要 分 為 微 處 理 器、程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器三部分。系統(tǒng)的功能主要有兩 個,第一個是擰緊完成后將螺栓的預(yù)緊效果輸出到液晶顯示 屏上,這里采用了力矩傳感器來采集擰緊完成時的力矩,采 集完成后,通過I/O 接口將力矩信息傳輸?shù)絾纹瑱C,單 片 機 中的程序存儲器中存儲了計算程序和比較程序,將擰緊完成 時的預(yù)緊力跟螺栓需要的預(yù)緊力進行對比,最后將結(jié)果輸出 道液晶顯示屏上;第二個是控制電機的頻率,YS-60KTYZ型 號的電動機本身是不具備變頻功能的,但是可以通過單片機 來實現(xiàn)變頻,單片機可以控制電源的輸出,從而控制電機的 輸出頻率,通過按鈕調(diào)節(jié)單片機來控制電源實現(xiàn)電機變頻。

在進 行 軟 件 設(shè) 計 時,采 用 軟 件 為 VisualC+軟 件 工 具;在進行初始化時,需要進行初始化的參數(shù)包括預(yù)緊力力矩、 參數(shù) 變 量、參數(shù)數(shù)據(jù)采集卡,預(yù)緊參數(shù)選擇數(shù)據(jù)、參 數(shù) 設(shè) 置、 力矩調(diào) 控、預(yù)緊力測量功能、數(shù) 據(jù) 管 理、氣 缸 控 制 行 程、伺 服 電機動作信息、傳感器執(zhí)行狀態(tài)等。預(yù)緊力輸出控制程序如 圖4所示。

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在圖4的控制 程 序 中,進行預(yù)緊力設(shè)置之后,再 設(shè) 置 鎖 緊螺母擰緊力矩 T 的最大容許范圍以及摩擦力矩值的容許 范圍。當(dāng)氣缸抬升時,將已經(jīng)設(shè)置好的參數(shù)按照命令程序啟動命令,然后判斷是否已經(jīng)達到了設(shè)定力矩;當(dāng) 實 際 力 矩 與 設(shè)定力矩相差不大時,通 過 人 力 旋 轉(zhuǎn),通過設(shè)定程序進行位 移計算;當(dāng)允許誤差在設(shè)定范圍時,氣 缸 停 止 運 行。當(dāng) 氣 缸 抬升時,采用的是相反的計算程序。用戶通過操作面 板,執(zhí) 行按鈕 動 作,能夠?qū)崿F(xiàn)氣缸的多種動作,比 如 上 升、下 降、停 止、啟動等。

如何判斷預(yù)緊力大小是否合適,假 設(shè) 預(yù) 緊 力 矩 T 介 于 1.321~1.432KTmax,K 為 介 于1~3之 間 的 常 數(shù),Tmax為 動 力源采用異步電機 YS-60KTYZ的最大輸出力矩,當(dāng) 變 速 器 的速比達到最 大 時,則可輸出最大力矩。根 據(jù) 程 序 設(shè) 置,可 以將摩擦力矩設(shè)置 為1.321~1.432PTmax。其 中,P 為 已 知 常數(shù),假設(shè)預(yù)緊力誤差 為δ,則滿足以下關(guān)系式,則 表 示 預(yù) 緊 力為最合適,

53cd67f2-9fb9-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

其中,δ0 為介于0.01~0.04之間的常數(shù),δi 為夾緊部件與預(yù) 緊裝置接觸時的相對位置量,δj 為夾緊部件與預(yù)緊裝置接觸 處總的彈性變形量。

3 試驗結(jié)果與分析

設(shè)計完成后,要對設(shè)計的裝置進行效果驗證和性能驗 證,不僅要保證擰緊裝置能夠完成擰緊任務(wù),還 要 保 證 裝 置 的性能優(yōu)異。要想保證較好的預(yù)緊力,則需要足夠的預(yù)緊力 矩,預(yù)緊力矩的計算公式為:

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式中,Mt 為預(yù)緊力矩,K 為預(yù)緊力系數(shù),P0 為預(yù)緊力,d 為螺 紋公稱直徑,力矩 的 單 位 為 N·m。其 中,K 值 的 確 定 需 要 進行查表,K 值大小如表1所示。

53e62b2a-9fb9-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

預(yù)緊力的計算公式為:

53f2b84a-9fb9-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

式中,P0 為 預(yù) 緊 力,σ0 為 屈 服 強 度 系 數(shù),As 為 公 稱 應(yīng) 力 截 面。As 的大小根據(jù)螺紋的公稱直徑有關(guān),由于螺栓的型號 較多,這里 選 取 8 個 最 常 用 的 螺 栓,具體數(shù)值關(guān)系如表 2 所示。

540175e2-9fb9-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

屈服強度系數(shù)的計算公式為:

540f2f2a-9fb9-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

式中,σ0 為屈服強度系數(shù),σs 為螺栓材料的屈服極限,跟螺栓 的性能等級有關(guān),具體數(shù)值如表3所示。

541b98e6-9fb9-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

根 據(jù) 上 述 內(nèi) 容,可以計算出螺 栓達到較高預(yù)緊力的 力矩。

下面對本設(shè)計的螺栓預(yù)緊裝置進行性能驗證,在實驗室 利用本設(shè)計的預(yù)緊裝置對螺栓進行預(yù)緊,選取的3種螺栓種 類,經(jīng)過式(3)~式(5)計算得到表4數(shù)據(jù)。

54284082-9fb9-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

根據(jù) 表 4 中的數(shù)據(jù)第三種的螺栓需要的力矩最大為 348.16N·m,仍然小于電機輸出經(jīng)過蝸輪蝸桿傳遞得到的 扭矩,所以上述設(shè)計得到的螺栓擰緊裝置足夠擰緊以上3種 螺栓。

采用本設(shè)計的擰緊裝置對上述3種螺栓進行擰緊操作, 每種擰緊5次,對擰緊時間、擰緊完成時的力矩、預(yù)緊力大小 進行記錄,對 C型號螺栓的數(shù)據(jù)進行整理得到表5數(shù)據(jù)。

5437e884-9fb9-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

根據(jù)表5可以看出,5次試驗的結(jié)果都能保證螺栓具有 較高的預(yù)緊 力,并且擰緊的時間比人工擰緊的時間要少得 多。下面對以上3種螺栓的實際預(yù)緊力跟理論預(yù)緊力進行 誤差計算,得到圖5的誤差對比圖。

5447814a-9fb9-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

從圖5可以看出,試驗的誤差方位在0.5%~2%之 間, 能夠達到螺栓的較高預(yù)緊力效果。

下面對3種螺栓進行人工擰緊,每 種 擰 緊5次,記 錄 擰 緊時間,整理得到表6數(shù)據(jù)。

545533bc-9fb9-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

從表6數(shù)據(jù)可以看出,擰緊3種螺栓的時間都在10s以 上,比采用本設(shè)計的預(yù)緊裝置需要的時間多得多,原 因 是 要 不停地改變夾緊螺帽的位置,從而浪費了大量時間。

綜上所述,本設(shè)計的螺栓預(yù)緊裝置能夠保證螺栓具有較 高的預(yù)緊力,同時相比人工擰緊節(jié)省了大量時間。

4 總結(jié)

本設(shè)計針對帶電作業(yè)中的引流線夾預(yù)警困難,設(shè)計出了 一個新型的預(yù)緊裝置,通過試驗證明了該預(yù)緊裝置的性能。本研究的預(yù)緊裝置能夠保證螺栓具有較高的預(yù)緊力,從而減 少了后續(xù)的維修,提高引流線夾螺栓的擰緊效率,還 能 夠 使 得帶電作業(yè)人員直接接觸螺栓的時間較少。試驗結(jié)果表明, 本設(shè)計的預(yù)緊裝置性能優(yōu)異,但是實驗室的試驗數(shù)據(jù)不多, 還需要繼續(xù)進行大量的試驗,根據(jù)試驗結(jié)果對其進行相應(yīng)的 改進和完善。

審核編輯 :李倩

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    新能源汽車的高壓線束設(shè)計采用雙軌制設(shè)計,由于動力電池輸出電壓為高壓,超出人體安全電壓,因此車身不能作為高壓線束整車搭鐵點,在高壓線束系統(tǒng)上,直流高壓
    發(fā)表于 04-18 10:47 ?1385次閱讀
    新能源汽車<b class='flag-5'>高壓線</b>束設(shè)計方案分享

    汽車高壓線束如何應(yīng)對電磁干擾

    汽車高壓線束分布于整車環(huán)境,是汽車內(nèi)部電磁干擾的主要來源,而其本身也時常受到電磁的抗干擾。所以汽車高壓線束如何應(yīng)對電磁干擾尤為重要。
    發(fā)表于 04-02 09:57 ?1073次閱讀
    汽車<b class='flag-5'>高壓線</b>束如何應(yīng)對電磁干擾

    “夜晚守護神”:高壓線防外破警示燈,照亮安全之路!

    高壓線防外破警示燈DX-JSS100-JSD是一種安裝在高壓線導(dǎo)線上的警示裝置,具備良好的燈光警示效果。裝置由高亮度LED燈光源、微控制器、
    的頭像 發(fā)表于 03-22 09:47 ?1032次閱讀

    螺栓預(yù)緊在線監(jiān)測系統(tǒng)解決方案及實用案例

    國科GKLS1300系列螺栓預(yù)緊在線監(jiān)測系統(tǒng),是通過對重要螺栓的松動、斷裂等進行在線智能監(jiān)測,并對故障進行診斷分析、報警及儲存,以便于工作
    的頭像 發(fā)表于 03-14 15:37 ?927次閱讀
    <b class='flag-5'>螺栓</b><b class='flag-5'>預(yù)緊</b><b class='flag-5'>力</b>在線監(jiān)測系統(tǒng)解決方案及實用案例
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