提高間隔棒更換效率機械工具的設計與開發

陳寶平，蘇奕輝，楊思元

（廣東電網有限責任公司汕頭供電局，廣東 汕頭 515000）

1 提升輸電線路間隔棒更換效率的需求場景

1.1 基建線路作業

以100公里的220kV及以上電壓等級線路來算，三相分裂導線需安裝約4600個間隔棒，工作量巨大。面對如此大量的間隔棒的安裝工程，如何快速且輕松的安裝間隔棒是一個極為重要的重大問題[1]。

1.2 停電檢修更換間隔棒的快速拆卸與安裝

每當自然災害發生時，大量間隔棒在強外力作用下發生損壞。對發生損壞的間隔棒需及時更換。而更換間隔棒作業通常需要停電操作，如面對大量的間隔棒檢修及更換作業，給予的停電時間卻是捉襟見肘。如何能輕松快速并且順暢的拆裝間隔棒成為困擾檢修工人的難題。

1.3 帶電作業檢修更換間隔棒的快速拆卸與安裝

帶電作業勞動強度大，風險高，跟需要一種輕便且操作效率高的工具。

1.4 勞動競賽中拆、裝間隔棒考試的時限要求

拆裝間隔棒而無論是輸電技能競賽還是實操考試，操作時間都是一項重要的參考量。不止如此，選手或考生在競賽與考試類緊張度較高的環境里常常會手忙腳亂，操作現有的拆裝間隔棒工具會浪費大量時間和體力[2]。

2 現有機械工具分析

2.1 現有機械工具分析

機械組合結構一：杠桿機構+螺旋機構+面接觸滑動機構+C形夾持機構；機械組合結構二：杠桿機構+螺旋機構+面接觸滑動機構+I形夾持機構；機械組合結構三：杠桿機構+螺旋機構+平面推力軸承滑動機構+I形夾持機構。

2.2 現有機械結構缺點

（1）摩擦阻力：一些工具在收緊過程中，內螺紋螺桿與間隔棒接觸靠墊片滑動摩擦，隨著接觸面擠壓力的增大摩擦力增大。

（2）工具尺寸：在輸電線路上作業，空間非常狹小，體位不好調整，現有的工具長度和體積都偏大，作業人員操作時需要頻繁更換體位，浪費大量體力。

（3）工具重量：減輕高空作業人員的負擔，是高空作業工具設計的重要原則，由于廠家對現場不了解，現有的專用工具在設計時，在某些環節上過多的增加了尺寸。

（4）工具可靠性：現有的專用工具經常出現壓力平墊圈磨損后摩擦過大無法使用、壓舌絲杠脫落、壓舌偏移卡住等問題，造成工作終止。

3 方案、對策與實施

3.1 方案

針對“設計與開發提高輸電線路間隔棒更換效率的工具”這一課題，我們總結了兩個方向性方案，“機械式”與“電動式”，通過優化工具的結構及尺寸規格，增加或更換工具構件等方式完成提高輸電線路間隔棒更換效率的工具設計目標。評估比較結論如下。（如表1）

通過對電動式拆裝間隔棒工具以及機械式拆裝間隔棒工具兩種方式對比分析，我們認為機械式拆裝間隔棒工具更具優勢。為此我們小組采用開發機械式拆裝間隔棒工具的方案。

3.2 對策

我們制定了以下對策：

對策一：使伸縮式操作桿快速轉動大于5圈/s，措施為夾頭頭一段收緊不需要壓縮夾頭橡膠進行，阻力較小，為實現快速轉動需把操作桿需固定中點在內螺旋桿中心。

對策二：使轉動操作桿時操作桿不滑動，措施為操作桿上裝設卡環，與內螺旋螺桿上的定位珠組合定位。

對策三：防止操作桿使用時滑脫，措施為外螺旋絲桿頂端設置防脫裝置。

對策四：降低內螺旋拉桿與間隔棒接觸處摩擦力，措施為內螺旋拉桿與間隔棒接觸處設置滾珠推力軸承。

對策五：防止壓舌插入或抽出間隔棒夾頭安裝孔時翻轉卡住，措施為外螺栓絲桿U形端設置彈簧定位珠，配合壓舌上的凹槽對壓舌進行定位。

對策六：降低工具重量、尺寸，措施為通過應力計算，在滿足受力需求情況下改進工具尺寸，減小工具重量。

3.3 實施

3.3.1 設計校驗

我們先通過關鍵尺寸強度校驗選擇關鍵尺寸參數。

絲桿外螺紋螺桿的最小內徑計算數據分析：絲桿組件選用40Cr合金鋼，40Cr合金鋼抗拉強度（δk）大于900MPa，屈服點（δq）785MPa。計算得外螺紋螺桿內徑最小值：d=4.50mm。根據絲桿標準查表，同時兼顧實際需要的大小，參考M14*2.0的絲桿d外徑=14mmd中徑=12.63mm。強度達到要求，實際大小達到要求，采用。

絲桿內螺紋螺桿選擇的最小內徑計算數據分析：絲桿組件選用40Cr合金鋼，40Cr合金鋼抗拉強度（δk）大于 900MPa，屈服點（δq）785MPa；外螺紋螺桿與內螺紋螺桿螺紋需要0.2mm間隙，內螺紋螺桿內徑D內=14+0.2×2=14.4mm；計算得出絲桿內螺紋滑管外徑最小值為：d=15.08mm。為了加工方便，選擇外徑16mm內螺紋滑管。

伸縮式操作桿尺寸選擇計算數據分析：通過計算絲桿頂力、螺紋升角、當量摩擦角計算扭矩；得出伸縮式操作桿最小長度：lMin≧19.61cm伸縮式操作桿最大長度：lMax=39.21cm；根據實際需要的大小，選取伸縮式操作桿長度應在40cm≧l≧20cm范圍[3,4]。

各個銷釘的選擇計算數據分析：銷釘選用40Cr合金鋼，40Cr合金鋼抗拉強度（δk）大于900MPa，屈服點（δq）785MPa。因所有銷釘受力均小于壓舌銷釘，所有僅對壓舌銷釘進行驗算。通過銷釘承受剪切力，計算銷釘直徑為d=3.9mm，為了統一便于加工，各銷釘參考直徑4mm。

新設計的間隔棒更換工具主要結構部件有：①伸縮式操作桿；②內螺紋拉桿；③平面推力軸承；④外螺紋絲桿；⑤轉向壓舌。

3.3.2 成品優化

雖然成品解決了以往拆卸間隔棒工具的諸多問題，實現預期目標，但是還比較耗費時間，仍存在可改進的因素。故小組成員繼續討論思考解決對策及措施制定了以下對策：加速夾持與釋放時間，措施為研究機械專業各種快速夾持機構，使用新的機械結構（杠桿機構+螺旋機構+平面推力軸承機構+夾持機構）。

表1 “機械式”與“電動式”評估比較表

4 效果檢查

解決了以往拆卸間隔棒工具摩擦阻力大，操作費力的難題；解決了以往拆卸間隔棒工具長度和體積偏大，致使作業人員操作幅度加大，操作困難的難題；解決了以往拆卸間隔棒工具重量較大，不便攜帶及操作的問題；解決了以往拆卸間隔棒工具壓力平墊圈磨損后摩擦過大無法使用、壓舌絲杠脫落等問題；提高了拆卸間隔棒工作效率，工作流程更加連貫順暢[5]。