盧輝琨，王祥祥，唐 勇，馬 儉，黃承壯

（中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司百色局，廣西 百色 533000）

0 引言

西電東送南通道分部于我國(guó)西南地區(qū)，西電東送主干網(wǎng)架將云南、貴州的清潔水電源源不斷地向廣東等大負(fù)荷中心輸送。為滿足電能輸送的需求，主干網(wǎng)架采用了超、特高壓交直流并存的形式進(jìn)行遠(yuǎn)距離大容量輸電。在我國(guó)西南地區(qū)建設(shè)遠(yuǎn)距離大容量輸電線路，由于地理環(huán)境的限制，線路無法避開在大山、深溝、大河等復(fù)雜地形中穿梭，因此不得不設(shè)計(jì)、建設(shè)許多大檔距、大跨越的超、特高壓輸電線檔。輸電線路在跨越山谷、深溝等特殊地形時(shí)檔距大，一般為800 m 以上［1］。大檔距輸電線路桿塔的各項(xiàng)受力比常規(guī)檔距輸電線路桿塔大，如果是特高壓直流輸電線路桿塔，其綜合受力還會(huì)更大。當(dāng)前特高壓柔性直流輸電技術(shù)已經(jīng)成熟，并進(jìn)入了新的發(fā)展階段，國(guó)內(nèi)電網(wǎng)企業(yè)也緊跟國(guó)家能源戰(zhàn)略不斷調(diào)整，不斷促進(jìn)新能源消納。由于新能源基地通常處于邊遠(yuǎn)地帶，根據(jù)需要電能輸送可能會(huì)采用特高壓直流輸電方式，此時(shí)其桿塔受力比常規(guī)交直流輸電系統(tǒng)的桿塔有所加大。

在輸電線路的檢修工作中，更換自爆玻璃絕緣子或整串絕緣子最常用的絲杠是常規(guī)單軸傳動(dòng)絲杠。當(dāng)對(duì)大檔距輸電線路絕緣子進(jìn)行檢修時(shí)，常規(guī)單軸傳動(dòng)絲杠的兩端收緊量在使用過程中誤差較大，影響拆裝效率，傳動(dòng)絲杠受力不平衡還會(huì)使工具過載，導(dǎo)致設(shè)備損壞、掉串甚至人員傷亡。本文研究了一種能夠?qū)⒋髧嵨缓奢d轉(zhuǎn)移的雙軸傳動(dòng)絲杠，當(dāng)大受力檔段線路停電或帶電檢修時(shí)，能夠很方便地進(jìn)行大噸位荷載轉(zhuǎn)移，以滿足大檔距大噸位絕緣子更換工作的要求［2-3］，使得輸電線路檢修工作變得更加安全、靈活和高效。

1 雙軸傳動(dòng)原理

本文研制的雙軸傳動(dòng)省力絲杠用雙軸代替?zhèn)鹘y(tǒng)單軸進(jìn)行滑動(dòng)，基于阿基米德原理，將傳統(tǒng)絲杠的操作方向從水平改為豎直，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在輕量化的前提下，其荷載能滿足大噸位荷載轉(zhuǎn)移的需求，具有摩擦力小，性能優(yōu)越的特點(diǎn)。在絲桿和螺母上加工有弧行螺旋槽，當(dāng)兩者套裝在一起時(shí)便形成螺旋滾道，滾珠沿滾道滾動(dòng)，并經(jīng)回珠器在兩相鄰滾道間來回循環(huán)運(yùn)動(dòng)，非常靈活，而且效率高，機(jī)械效率可達(dá)92%～98%。滾珠絲桿的軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所以能得到較高的機(jī)械效率。該雙軸傳動(dòng)省力絲杠的驅(qū)動(dòng)力矩是傳統(tǒng)單軸絲杠的1/3，可用于500 kV 及以上交流線路和±800 kV直流線路的耐張塔、直線塔絕緣串（片）的更換。

2 雙軸傳動(dòng)絲杠結(jié)構(gòu)

該雙軸傳動(dòng)省力絲杠的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括箱體、蝸桿、蝸輪、多個(gè)絲桿、安裝座五部分。與傳統(tǒng)單軸絲杠相比，雙軸傳動(dòng)蝸桿可旋轉(zhuǎn)地安裝于本體結(jié)構(gòu)箱體內(nèi)，蝸輪位于箱體內(nèi)部，并與蝸桿相連，蝸輪上設(shè)有輸出部件。多個(gè)絲桿穿過箱體，分列于蝸輪的兩側(cè)，與手搖輸入部件相連，使得絲桿原地旋轉(zhuǎn)。安裝座連接多個(gè)絲桿，并與多個(gè)絲桿相嚙合，使安裝座隨多個(gè)絲桿的旋轉(zhuǎn)直線移動(dòng)。安裝座共有2 個(gè)，分別安裝于絲桿的兩端，并對(duì)稱布置，以便2 個(gè)安裝座在蝸桿的驅(qū)動(dòng)下反向遠(yuǎn)離或靠近，減小雙軸傳動(dòng)絲杠兩端收緊量的誤差，提高拆裝效率，避免出現(xiàn)雙軸傳動(dòng)絲杠受力不平衡導(dǎo)致設(shè)備損壞、掉串甚至人員傷亡等情況。

圖1 雙軸傳動(dòng)省力絲杠結(jié)構(gòu)圖

3 特點(diǎn)及應(yīng)用效果

該雙軸傳動(dòng)省力絲杠采用模塊化設(shè)計(jì)，選用碳素鋼等優(yōu)質(zhì)材料，通過有限元仿真獲取力學(xué)性能參數(shù)，分析絲杠在加載狀態(tài)下主要部件的應(yīng)力、應(yīng)變及位移，確保在150 kN 的額定荷載下各主要部件的強(qiáng)度仍能滿足運(yùn)行要求。該絲杠最大單件重量不超過3 kg，實(shí)現(xiàn)了大噸位張緊裝置輕量化，簡(jiǎn)化了作業(yè)流程，減輕了檢修工作的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。與單件重量達(dá)20 kg 及以上的傳統(tǒng)裝置（鏈條葫蘆、液壓緊線器）相比，該雙軸傳動(dòng)省力絲杠更適合山區(qū)交直流輸電線路耐張塔、直線塔絕緣串（片）的更換作業(yè)。

該雙軸傳動(dòng)省力絲杠采用基于阿基米德原理的蝸輪蝸桿傳動(dòng)方式，突破了常規(guī)絲杠單向傳動(dòng)或齒輪滾動(dòng)摩擦螺紋實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的局限性。與液壓傳動(dòng)裝置相比，其易于防止逆轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖，避免液壓傳動(dòng)裝置夾緊力保持性差、泄壓不平穩(wěn)造成的設(shè)備損壞，

該雙軸傳動(dòng)省力絲杠結(jié)構(gòu)緊湊，空間設(shè)計(jì)合理，具有性能高、體積小、重量輕等特點(diǎn)，提升了檢修效率。蝸桿端頭可實(shí)現(xiàn)多樣化操作模式，例如雙向棘輪操作桿式、旋轉(zhuǎn)手搖式、電動(dòng)式等，便于操作，使用方便。

4 仿真受力分析

4.1 任務(wù)描述

在雙軸傳動(dòng)省力絲杠的兩端施加120 kN 的拉力，計(jì)算其應(yīng)力分布。表1為關(guān)鍵部件材料特性。

表1 關(guān)鍵部件材料特性

雙軸傳動(dòng)省力絲杠規(guī)格如圖2 所示，其整體長(zhǎng)度為594～834 mm，行程為240 mm，動(dòng)力由蝸輪和蝸桿帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)提供。

圖2 雙軸傳動(dòng)省力絲杠規(guī)格

4.2 模型設(shè)置與求解

4.2.1 模型等效應(yīng)力

因?yàn)楸敬沃粚?duì)絲桿和卡板接頭進(jìn)行靜力學(xué)分析，所以可將傳動(dòng)的蝸輪、蝸桿、螺栓、刻度板、軸承及其箱體等部件省略，只保留需要分析的絲桿，卡板接頭和卡環(huán)部分。整體等效應(yīng)力圖如圖3 所示。由圖3 可見，卡板接頭區(qū)域應(yīng)力較大，需要進(jìn)一步分析。

圖3 整體等效應(yīng)力圖

4.2.2 局部應(yīng)力和網(wǎng)格細(xì)化計(jì)算

局部放大并將網(wǎng)格細(xì)化后，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由圖4 可見，在卡板接頭處存在應(yīng)力較大的區(qū)域，因此需要將該區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)一步細(xì)分，重新進(jìn)行計(jì)算。網(wǎng)格進(jìn)一步細(xì)分后發(fā)現(xiàn)，在卡板接頭（材料為60Si2Mn）的圓角處，應(yīng)力達(dá)到1445 MPa，超出了所用材料的屈服強(qiáng)度1176 MPa。通過以上分析可知，該雙軸傳動(dòng)省力絲杠在卡板接頭與卡環(huán)配合的圓角處容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，如圖5 所示。初步分析原因可能為軸肩處的圓角與卡環(huán)在孔的位置處的圓角大小一致，當(dāng)絲桿承受拉力時(shí)，處于該位置的單元除了承受拉力外，由于卡環(huán)存在一定程度的變形，卡環(huán)的圓角還會(huì)對(duì)軸肩圓角造成擠壓，因此該圓角在靠近兩根絲桿的左右兩側(cè)發(fā)生較大的應(yīng)力集中［4］。

圖4 網(wǎng)格細(xì)化后應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖5 應(yīng)力集中位置

4.2.3 卡環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于在卡板接頭與卡環(huán)配合的圓角處存在應(yīng)力集中的情況，對(duì)卡環(huán)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將圓角改為倒角，并重新進(jìn)行計(jì)算。將卡環(huán)的圓角改為倒角后，卡環(huán)與卡板接頭處的圓角不發(fā)生接觸，施加荷載后在卡板接頭軸肩的圓角處未發(fā)生應(yīng)力集中［5］，所受的最大應(yīng)力為800 MPa，未超過材料的屈服強(qiáng)度1176 MPa，符合要求。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后絲桿的應(yīng)力情況如圖6 所示。此時(shí)絲桿（材料為40 Cr）所受的最大應(yīng)力為618 MPa，未超過材料的屈服強(qiáng)度785 MPa，符合要求。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后卡環(huán)的應(yīng)力情如圖7 所示，此時(shí)卡環(huán)（材料為3Cr2Mo）所受的最大應(yīng)力為429 MPa，未超過材料的屈服強(qiáng)度705 MPa，符合要求。

圖6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后絲桿的應(yīng)力情況

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后卡環(huán)的應(yīng)力情況

4.3 蝸輪和蝸桿的強(qiáng)度計(jì)算

該雙軸傳動(dòng)省力絲杠通過蝸桿帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使得卡環(huán)和中間的絲桿水平向兩邊移動(dòng)。進(jìn)行檢修作業(yè)時(shí)，在大荷載力的作用下可能會(huì)導(dǎo)致蝸輪和蝸桿失效，為了驗(yàn)證蝸輪和蝸桿的有效承載力，還應(yīng)對(duì)蝸輪和蝸桿進(jìn)行受力分析。

4.3.1 蝸輪和蝸桿的材料及校核分析

蝸輪和蝸桿的材料不僅要具有足夠的強(qiáng)度，還要具有良好的跑合性、減磨性及耐磨性［6］。蝸桿一般用碳鋼或合金鋼制成，該雙軸傳動(dòng)省力絲杠的蝸桿采用45 碳鋼，蝸輪采用40Cr碳鋼。在蝸桿傳動(dòng)過程中，因?yàn)椴牧虾徒Y(jié)構(gòu)的不同，蝸桿螺旋齒的強(qiáng)度通常高于蝸輪齒的強(qiáng)度，所以失效常發(fā)生在蝸輪齒上。對(duì)閉式傳動(dòng)而言，蝸桿的主要失效形式是齒面膠合或點(diǎn)蝕。因?yàn)槲佪嘄X呈傾斜的曲梁弧狀，很少發(fā)生輪齒折斷，所以閉式傳動(dòng)可以按照齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，不必進(jìn)行齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核，只有當(dāng)蝸輪齒數(shù)為80～100 個(gè)時(shí)，才進(jìn)行齒根彎曲強(qiáng)度校核。熱平衡計(jì)算是針對(duì)連續(xù)工作的蝸桿傳動(dòng)而言的，該蝸桿不連續(xù)工作，因此不需要進(jìn)行熱平衡計(jì)算。綜上，對(duì)該蝸輪和蝸桿進(jìn)行校核時(shí)，需要分析齒面接觸疲勞強(qiáng)度。

4.3.2 齒面接觸應(yīng)力計(jì)算

蝸輪和蝸桿的具體參數(shù)分別如表2和表3所示。

表2 蝸輪參數(shù)

表3 蝸桿參數(shù)

齒面接觸應(yīng)力的計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：σH為齒面接觸應(yīng)力；ZE為彈性影響系數(shù)；ZP為接觸系數(shù)，取2.5；T2為蝸輪所受力矩；K為工作情況系數(shù)；a為傳動(dòng)中心距，其值為0.0375 m（按蝸桿傳動(dòng)中心距取值）。

1）計(jì)算工作情況系數(shù)K。K的計(jì)算公式如式（2）所示。

式中：K1為使用系數(shù)，對(duì)于均勻平穩(wěn)沖擊，K1可取1；K2為齒向荷載分布系數(shù)，當(dāng)蝸桿在平穩(wěn)狀態(tài)下工作時(shí)，由于工作表面的良好磨合，荷載分布不均勻現(xiàn)象得到緩解，K2可取1；K3為動(dòng)載系數(shù)，當(dāng)蝸輪圓周速度小于等于3 m/s 時(shí)，K3的取值范圍為1.0～1.1，計(jì)算時(shí)取最大值1.1。將K1、K2和K3的值代入式（2），可得K為1.1。

2）計(jì)算蝸桿傳動(dòng)效率。理論上蝸桿傳動(dòng)效率達(dá)到95%～97%才算合格，在本次校核計(jì)算中取97%，傳動(dòng)效率η的計(jì)算公式如式（3）所示。

式中：p為摩擦角，取值為3°；γ為蝸輪導(dǎo)程角，其值為4.57°。將p和γ的值代入式（3），可得η為0.58。

3）計(jì)算蝸輪所受力矩T2。先計(jì)算蝸桿所受力矩T1，其計(jì)算公式如式（4）所示。

式中：Fa為蝸輪承受的軸向力；d1為蝸桿的公稱直徑，其值為0.015 m。

當(dāng)在卡板接頭上施加120 kN 的額定荷載時(shí)，兩側(cè)與蝸桿連接的蝸輪所承受的荷載為蝸輪的軸向力Fa，即60 kN。將Fa和d1的值代入式（4），可得蝸桿所受力矩為450 N·m。

蝸輪所受力矩T2的計(jì)算公式如式（5）所示。

式中：i為倍率，取25。將T1、i和η的值代入式（5）可得蝸輪所受力矩為6525 N·m。

4）確定彈性影響系數(shù)ZE。選用40Cr 碳鋼蝸輪和45碳鋼蝸桿相互配合，由參考文獻(xiàn)［7］可知，彈性影響系數(shù)ZE為189.8。

5）確定許用接觸應(yīng)力［σH］。該雙軸傳動(dòng)省力絲杠蝸輪材料的抗拉強(qiáng)度σB為810 MPa，而當(dāng)蝸輪材料的抗拉強(qiáng)度σB≥300 MPa 時(shí)，蝸桿傳動(dòng)的承載能力主要取決于齒面膠合強(qiáng)度。但目前尚無完善的膠合強(qiáng)度計(jì)算公式，故計(jì)算接觸強(qiáng)度，這是一種條件性計(jì)算。在查蝸輪齒面的許用接觸應(yīng)力時(shí)，要考慮相對(duì)滑動(dòng)速度的大小。膠合不屬于疲勞失效，［σH］的值與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)無關(guān)，因此可直接從參考文獻(xiàn)［8］查到許用接觸應(yīng)力值。設(shè)滑動(dòng)速度為1 m/s，根據(jù)參考文獻(xiàn)［8］可知材料的許用接觸應(yīng)力［σH］為117 MPa。

將K、ZE、ZP、T2、a的值代入式（1），計(jì)算得到齒面接觸應(yīng)力為5.5 MPa，小于材料的許用接觸應(yīng)力117 MPa，齒面接觸強(qiáng)度符合要求。

5 結(jié)語

本文研發(fā)的雙軸傳動(dòng)省力絲杠已在南方電網(wǎng)得到廣泛推廣應(yīng)用，近一年來利用該絲杠開展超、特高壓帶電檢修126 次，多送電量60 000 MW·h，新增電量銷售3600 萬元，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益4200 萬元，相當(dāng)于減少煤炭（標(biāo)準(zhǔn)煤）使用量44 280 t，減少排放二氧化碳35 890 t、粉塵10 730 t、二氧化硫1080 t、氮氧化物540 t，對(duì)減排和環(huán)保意義重大。雙軸傳動(dòng)省力絲杠的開發(fā)與應(yīng)用，提升了特高壓線路運(yùn)行維護(hù)水平，保障了線路安全、可靠運(yùn)行。為了規(guī)范該工具的使用、保管、保養(yǎng)，后續(xù)還將編制作業(yè)指導(dǎo)書，進(jìn)一步規(guī)范作業(yè)流程，加強(qiáng)對(duì)該工具使用的培訓(xùn)，提高線路檢修人員的操作技能。