特高壓鋼管塔高強(qiáng)度大扭矩螺栓緊固扳手的研制

劉博，王力爭(zhēng)，苗峰顯，方錫忠

(國(guó)家電網(wǎng)公司交流建設(shè)分公司，北京市 100052)

0 引言

“皖電東送”淮南—上海特高壓交流輸電工程是繼1000kV特高壓交流試驗(yàn)工程后的第2條特高壓交流輸變電示范工程，是我國(guó)首條采用鋼管塔同塔雙回路架設(shè)的特高壓線路，其示范意義重大。鋼管塔采用帶勁法蘭螺栓連接，螺栓規(guī)格有6.8級(jí)和8.8級(jí)，螺栓型號(hào)有M16-M56，共計(jì)13種，螺栓扭矩為170～2500 N·m，平均單基鋼管塔含螺栓10000多個(gè)，螺栓規(guī)格之高、扭矩之大、數(shù)量之多在輸變電工程建設(shè)中尚屬首次。對(duì)于鋼管塔法蘭螺栓緊固，需首先解決3個(gè)問(wèn)題:一是大扭矩螺栓的緊固。傳統(tǒng)輸變電建設(shè)中鐵塔螺栓的緊固多使用機(jī)械扭矩扳手，鐵塔螺栓主要承受剪應(yīng)力，最大扭矩值一般在250 N·m以下，人力機(jī)械扭矩扳手均能實(shí)現(xiàn)緊固。但鋼管塔法蘭螺栓主要承受拉應(yīng)力，對(duì)螺栓的緊固扭矩值和緊固精度均有較高的要求，緊固扭矩值過(guò)大，容易造成螺栓拉伸或脆斷。緊固扭矩值過(guò)小，螺栓容易松動(dòng)。在風(fēng)擾動(dòng)的條件下，鐵塔舞動(dòng)幅度增大，也會(huì)造成部分螺栓疲勞脆斷，安全風(fēng)險(xiǎn)較為突出。在本工程中，需將螺栓緊固精度控制在緊固扭矩值±10% 的誤差之內(nèi)。在高空作業(yè)條件下，人力所能承受的最大扭矩約在300 N·m以內(nèi)，而本工程大部分螺栓緊固精度要求均在300 N·m以上，最大扭矩更是達(dá)到2500 N·m，需研制能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和大扭矩螺栓緊固的專用機(jī)具。二是提高螺栓緊固效率。單基鋼管塔每個(gè)法蘭螺栓數(shù)量在十幾個(gè)至幾十個(gè)，整機(jī)塔平均螺栓用量為上萬(wàn)顆，最多達(dá)2萬(wàn)顆以上，傳統(tǒng)的人力緊固效率較低，緊固工作量巨大，需要開發(fā)施工效率高的法蘭螺栓緊固機(jī)具。三是機(jī)具的規(guī)格問(wèn)題。工程共含螺栓型號(hào)13種，但如果僅考慮螺栓數(shù)量，并使用多種型號(hào)的緊固機(jī)具將會(huì)給高空作業(yè)帶來(lái)麻煩。

1 鐵塔螺栓專用扭矩扳手

1.1 扭矩扳手類別

螺栓緊固用的扳手按驅(qū)動(dòng)可以分為機(jī)械扳手、氣動(dòng)扳手、液壓扳手、電動(dòng)扳手。

(1)機(jī)械扳手:操作和攜帶方便，適宜小扭矩螺栓緊固。但扳手的行星齒輪易損壞、耐用性不高;扳手效率低，螺栓型號(hào)越大，緊固效率越低;緊固精度不高，不能實(shí)現(xiàn)設(shè)定扭矩緊固。

(2)氣動(dòng)扳手:扭矩大，易控制，易維修，使用安全;但笨重，不宜用于高空作業(yè)。

(3)液壓扳手:高精度，高效率，勞動(dòng)強(qiáng)度低;但要求螺栓上方及周圍有足夠的空間。

(4)電動(dòng)扳手:易于控制，精度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，效率高;但供電安全可靠性要求高，且易發(fā)熱燒壞電機(jī)。

1.2 扭矩扳手選型

在綜合分析各類扳手優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本著開發(fā)高效率、高精度且適用于特高壓輸變電現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境、力促帶動(dòng)輸變電工程建設(shè)鐵塔螺栓緊固工具革命性變革的基本原則，選擇電動(dòng)扭矩扳手作為本項(xiàng)目研究的重點(diǎn)。

1.2.1 螺栓緊固扭矩值要求

2011年，電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院確定了“皖電東送”淮南—上海特高壓交流輸電示范工程鋼管塔法蘭螺栓緊固扭矩值，除M16按照常規(guī)螺栓緊固扭矩要求定為100 N·m外，其余12種螺栓緊固扭矩值如表1所示。

1.2.2 各型螺栓的空間分布

為對(duì)電動(dòng)扭矩扳手所帶套筒做科學(xué)的劃分，對(duì)“皖電東送”淮南—上海特高壓交流輸電示范工程具有代表性的部分鋼管塔螺栓分布進(jìn)行了分析，如表2所示。M20、M24、M27、M304 種螺栓占91%以上，M33 及以上螺栓占9%左右。法蘭盤中螺栓與螺栓之間的距離以及螺栓與鋼管外徑之間的距離是緊固螺栓的可用操作空間，套筒的大小和壁厚必須滿足該操作空間要求。圖1給出了對(duì)焊法蘭螺栓的基本參數(shù)，需根據(jù)參數(shù)確定電動(dòng)扭矩扳手的操作空間。工程共有法蘭規(guī)格90種，表3給出了部分法蘭螺栓詳細(xì)參數(shù)。

表1 螺栓緊固扭矩值Tab.1 Torque of fastening bolt

表3 法蘭螺栓基本參數(shù)表Tab.3 Parameters of bolts in flanges mm

1.2.3 電動(dòng)扭矩扳手的研究?jī)?nèi)容

根據(jù)鋼管塔法蘭螺栓緊固空間及施工作業(yè)環(huán)境，電動(dòng)扭矩扳手的主要研究方向和解決的問(wèn)題是:根據(jù)螺栓的空間距離，研究專用套筒。套筒壁厚需滿足操作空間要求，套筒材質(zhì)應(yīng)能承受制定扭矩值的受力要求;按照所緊固螺栓的型號(hào)和螺栓在鐵塔中的空間分布特點(diǎn)，對(duì)電動(dòng)扭矩扳手做合理的分類，每一把扳手應(yīng)帶多個(gè)套筒，全部扳手覆蓋所有螺栓;扳手需要高精度，防止風(fēng)擾動(dòng)造成螺栓受力疲勞而拉斷;提高螺栓的緊固效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度;盡量減輕質(zhì)量，適合高空作業(yè);采取措施防高空脫落零部件;根據(jù)實(shí)際需要，開發(fā)一種滿足各類驗(yàn)收所需的直流扭矩扳手。

1.2.4 電動(dòng)扭矩扳手的型號(hào)

根據(jù)不同螺栓研制了2套共6種型號(hào)的電動(dòng)扭矩扳手，扭矩覆蓋范圍為100～2500 N·m;2套電動(dòng)扭矩扳手的基本參數(shù)如表4、5所示。

1.3 交流電動(dòng)扭矩扳手的研制

1.3.1 零件的組成

電動(dòng)扭矩扳手基本構(gòu)件包括顯示板、電源開關(guān)、扶手、電機(jī)及外殼、減速箱、反力臂、輸出方隼、標(biāo)準(zhǔn)套筒等(見(jiàn)圖2)。

1.3.2 電機(jī)選型

扭矩扳手電機(jī)由機(jī)殼、端蓋、轉(zhuǎn)子、定子、電刷組件等組成。散熱采用風(fēng)扇冷卻方式;轉(zhuǎn)子為繞線式，應(yīng)用銀銅合金換向器;端蓋采用高強(qiáng)度航空鈦合金材料;選用高速低噪音軸承;定、轉(zhuǎn)子選用低損耗優(yōu)質(zhì)硅鋼片;繞組用E級(jí)絕緣高強(qiáng)度漆包線;碳刷架與電機(jī)座采用一體式設(shè)計(jì)，碳刷定位牢靠，火花小且穩(wěn)定。配套電機(jī)為單相高速串激電機(jī)，改進(jìn)電機(jī)繞組設(shè)計(jì)，軟化電機(jī)特性曲線，擴(kuò)大電機(jī)扭矩覆蓋范圍，提高電機(jī)扭矩輸出線性度，實(shí)現(xiàn)了小尺寸大功率的要求。

圖2 交流電動(dòng)扭矩扳手Fig.2 AC electrical wrench

1.3.3 扭矩控制單元

常規(guī)電動(dòng)扭矩扳手一般是通過(guò)控制電流實(shí)現(xiàn)輸出扭矩控制，受磁場(chǎng)等外部環(huán)境影響，輸出誤差一般較大，最大誤差甚至超過(guò)±30%。本項(xiàng)目所研發(fā)的電動(dòng)扭矩扳手是將電機(jī)電壓、轉(zhuǎn)速、反向電動(dòng)式等影響扭矩的指標(biāo)參數(shù)同時(shí)輸入單片機(jī)，通過(guò)控制單元的運(yùn)算控制輸出扭矩值，大幅度提高了扭矩輸出精度，可確保輸出精度控制在±6%以內(nèi)。

1.3.4 減速機(jī)

減速機(jī)采用多級(jí)行星齒輪，且均采用滲碳或高頻表面熱處理，具有精度高、噪音低、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn);減速機(jī)與電機(jī)連接件采用鋁鈦合金材料，降低整機(jī)質(zhì)量，較進(jìn)口扳手質(zhì)量輕10%左右;減速機(jī)在未啟動(dòng)前可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，便于方隼、套筒與螺母的迅速配合，可提高施工效率。

1.3.5 反力臂

選用航空鋁鈦合金作為反力臂材料，降低反力臂質(zhì)量;反力臂與扳手采用齒輪連接，可360°旋轉(zhuǎn)，便于尋找支撐點(diǎn);反力臂采用橡膠圈固定定位，使用方便，安全可靠。

1.3.6 套筒

針對(duì)高頸法蘭螺栓雙螺母緊固的要求，設(shè)計(jì)了專用套筒，該套筒每次只能緊固1個(gè)螺母，緊固第2個(gè)螺母不受第1個(gè)螺母影響。套筒材質(zhì)選用高強(qiáng)度合金鋼鍛件毛坯錘件，提高套筒強(qiáng)度，降低套筒質(zhì)量，它僅為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的75%;套筒具有自鎖功能，防止高空墜落;套筒外表面做了拋光發(fā)黑處理，可有效抗金屬表面氧化，產(chǎn)品美觀，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境要求。本項(xiàng)目研制的套筒與國(guó)標(biāo)套筒質(zhì)量對(duì)照見(jiàn)表6。

表6 本項(xiàng)目研制的套筒與國(guó)標(biāo)套筒質(zhì)量對(duì)照表Tab.6 Comparison of weight between developed sleeve and national standard sleeve kg

1.3.7 配套電源

配套電源選用適于野外作業(yè)環(huán)境的輕型AC 220 V發(fā)電機(jī)，單臺(tái)發(fā)電機(jī)容量約5.0 kW，單臺(tái)質(zhì)量約75 kg，考慮4套電動(dòng)扭矩扳手同時(shí)使用，可配備2臺(tái)發(fā)電機(jī)，每臺(tái)發(fā)電機(jī)為2套電動(dòng)扭矩扳手供電。發(fā)電機(jī)出線應(yīng)先進(jìn)入施工電源配電箱，加強(qiáng)用電安全管控。電動(dòng)扭矩扳手電源線選用3×25 mm2三芯銅芯電纜，其中2根銅芯線作供電電源線，剩余1根作保護(hù)接地線。在施工作業(yè)點(diǎn)的電纜端頭采用RS系列工業(yè)用防水、防塵連接器與電動(dòng)扭矩扳手連接，防止意外掉電和觸電。施工配電箱內(nèi)需設(shè)置過(guò)載保護(hù)、漏電保護(hù)、欠壓保護(hù)等裝置，對(duì)無(wú)輸出電壓、頻率裝置的發(fā)電機(jī)，應(yīng)在配電箱內(nèi)安裝電源、頻率指示裝置。配電箱、發(fā)電機(jī)外殼必須作接地處理，接地電阻不得大于4 Ω。現(xiàn)場(chǎng)電源線布線如圖3所示。

圖3 RS系列工業(yè)用防水防塵連接器Fig.3 RS industrial waterproof-dustproof connector

1.4 直流電動(dòng)扭矩扳手的研制

所研發(fā)的直流電動(dòng)扭矩扳手采用單片機(jī)控制技術(shù)，通過(guò)智能操作面板來(lái)設(shè)定控制電機(jī)輸入電流，實(shí)現(xiàn)扭矩值的精確輸出。

1.4.1 電池包

采用了特高容量、小體積、壓縮型動(dòng)力鎳氫電池，電池包內(nèi)裝有自主研發(fā)的溫保裝置及熱敏電阻，使電池工作及充電溫度控制在55℃以內(nèi)，實(shí)踐證明電池壽命較原來(lái)提升2～3倍，是市場(chǎng)同類產(chǎn)品的5～6倍。為確保高空作業(yè)的施工安全，電池安裝包具設(shè)計(jì)有鎖扣和防墜落裝置，有多頭螺紋設(shè)計(jì)的防墜落裝置，保證了作業(yè)安全，操作簡(jiǎn)單、使用方便。

1.4.2 智能集控系統(tǒng)

(1)控制面板。為便于施工現(xiàn)場(chǎng)操作，在電動(dòng)扭矩扳手上設(shè)置扭矩微調(diào)按鍵“++”、“－－”，并在顯示屏上顯示扭矩值。長(zhǎng)按“++”號(hào)鍵1s，顯示屏將進(jìn)入顯示扭矩微調(diào)值界面，然后通過(guò)“++”、“－－”設(shè)定扭矩值。

(2)察看預(yù)緊螺栓顆數(shù)功能。長(zhǎng)按“－－”號(hào)鍵1 s，顯示屏將顯示螺栓緊固個(gè)數(shù)。電動(dòng)扭矩扳手在預(yù)緊每一顆螺栓時(shí)，扳手將自動(dòng)累計(jì)所緊固螺栓的數(shù)量，并記憶上次輸出扭矩值，具有防過(guò)載功能。

(3)低壓報(bào)警。蓄電池電量在使用一段時(shí)間后，電壓會(huì)有所降低。在輸出設(shè)定扭矩值不變的情況下，電壓降低會(huì)造成電流輸出較大，進(jìn)而使得電池嚴(yán)重發(fā)熱而損壞。低壓報(bào)警系統(tǒng)會(huì)在電壓低于設(shè)定值后發(fā)出蜂鳴報(bào)警聲，并在顯示屏上顯示LO字樣，提醒需更換電池。

(4)錯(cuò)誤報(bào)警。當(dāng)預(yù)緊扭矩值與設(shè)置值不符時(shí)，需松開螺栓，重新扭緊1次，此時(shí)將出現(xiàn)錯(cuò)誤報(bào)警，并在顯示屏上出現(xiàn)EET，表示此次操作失敗，控制系統(tǒng)對(duì)本次操作不做記錄。

(5)恒功恒速和無(wú)極調(diào)速功能。直流電動(dòng)扭矩扳手從開機(jī)到過(guò)載保護(hù)自動(dòng)停止，輸出轉(zhuǎn)速始終是5 r/min，確保螺栓受力均勻及操作者的安全，扭矩值可在100～700 N·m任意設(shè)置，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速功能。在扭矩值達(dá)到預(yù)定時(shí)，可自動(dòng)回轉(zhuǎn)，解決了在預(yù)緊螺栓過(guò)程中螺母與套筒之間咬死的問(wèn)題，減少了一些煩瑣的操作程序，加快螺栓的緊固速度，提高了工作效率。

(6)直流電動(dòng)扭矩扳手的結(jié)構(gòu)分解如圖4所示。

圖4 直流電動(dòng)扭矩扳手Fig.4 DC electrical wrench

1.5 電動(dòng)扭矩扳手的特點(diǎn)

本項(xiàng)目屬于組塔施工機(jī)具創(chuàng)新領(lǐng)域，共申報(bào)2項(xiàng)發(fā)明專利和1項(xiàng)實(shí)用新型專利。

(1)針對(duì)鋼管塔法蘭螺栓特點(diǎn)，研制了專用套筒。套筒的壁厚和大小完全符合帶勁法蘭的要求，套筒內(nèi)部受力均勻。

(2)直流電源扭矩扳手可在無(wú)交流發(fā)電機(jī)的施工環(huán)境下工作，電源不足時(shí)自動(dòng)報(bào)警，在螺栓緊固扭矩值檢查方面具有很大優(yōu)勢(shì)。

(3)緊固到預(yù)定扭矩后可自動(dòng)逆轉(zhuǎn)3°，便于取下套筒。

(4)采用數(shù)碼扭矩顯示器，便于施工操作。

(5)質(zhì)量明顯低于國(guó)外同類產(chǎn)品，約輕10%。

(6)研制中空頭，解決了鋼管塔斜材處螺栓難以緊固的問(wèn)題。

(7)采用無(wú)級(jí)調(diào)速，提升了緊固效率。

(8)軸承采用調(diào)芯設(shè)計(jì)，避免電機(jī)過(guò)熱，大大降低了噪音。

1.6 電動(dòng)扭矩扳手經(jīng)濟(jì)效益分析

在“皖電東送”工程鋼管塔首基試點(diǎn)中，進(jìn)行了電動(dòng)扭矩扳手試用檢驗(yàn)。施工18標(biāo)K47塔(塔型:SZ322－60)，共有螺栓13471個(gè)，分別為6.8級(jí)螺栓10984個(gè)(型號(hào)分別為M16、M20)，8.8級(jí)螺栓2487個(gè)(型號(hào)分別為 M20、M24、M33、M36、M39)。使用SJDB-A400型扳手緊固12499個(gè)，平均螺栓緊固效率為15 s/顆;SJDB-A800型扳手緊固972個(gè)，平均螺栓緊固效率為45 s/顆。總體效果與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果一致，緊固精度和緊固效率符合預(yù)期，具備全面推廣的條件。

在大扭矩螺栓緊固問(wèn)題方面，電動(dòng)扭矩扳手已成為必需工具。1套電動(dòng)扭矩扳手費(fèi)用在20萬(wàn)元左右，技術(shù)日益成熟后，費(fèi)用會(huì)進(jìn)一步降低。

2 電動(dòng)扭矩扳手使用前景展望

所研制的電動(dòng)扭矩扳手解決了大扭矩高強(qiáng)度螺栓緊固難題，緊固范圍為100～2500 N·m。因人力所能緊固的最大扭矩約為250 N·m，在緊固扭矩超過(guò)250 N·m時(shí)，必須采用電動(dòng)扭矩扳手。隨著人力成本的提高和施工機(jī)械化水平的提升，螺栓緊固工作會(huì)逐步淘汰人力機(jī)械扳手，將更多地習(xí)慣于使用電動(dòng)扭矩扳手等施工效率高、緊固精度高的新型機(jī)具。在未來(lái)輸電建設(shè)鐵塔組立施工中電動(dòng)扭矩扳手將具有很好的使用和推廣價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目所研究的高強(qiáng)度電動(dòng)扭矩扳手，解決了“皖電東送”特高壓工程8.8級(jí)高強(qiáng)度螺栓緊固難題，并首次在工程中使用，填補(bǔ)了我國(guó)輸電線路工程建設(shè)電動(dòng)扭矩扳手應(yīng)用的空白，引領(lǐng)了我國(guó)輸變電工程建設(shè)螺栓緊固的發(fā)展方向;提高了螺栓緊固的精度，進(jìn)一步保證了工程質(zhì)量，有效地保證了輸電線路結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期運(yùn)行安全。可以展望，電動(dòng)扭矩扳手的大規(guī)模推廣應(yīng)用，必將推動(dòng)螺栓緊固施工方法的革命性變革。

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