提高间隔棒更换效率机械工具的设计与开发

陈宝平，苏奕辉，杨思元

（广东电网有限责任公司汕头供电局，广东 汕头 515000）

1 提升输电线路间隔棒更换效率的需求场景

1.1 基建线路作业

以100公里的220kV及以上电压等级线路来算，三相分裂导线需安装约4600个间隔棒，工作量巨大。面对如此大量的间隔棒的安装工程，如何快速且轻松的安装间隔棒是一个极为重要的重大问题[1]。

1.2 停电检修更换间隔棒的快速拆卸与安装

每当自然灾害发生时，大量间隔棒在强外力作用下发生损坏。对发生损坏的间隔棒需及时更换。而更换间隔棒作业通常需要停电操作，如面对大量的间隔棒检修及更换作业，给予的停电时间却是捉襟见肘。如何能轻松快速并且顺畅的拆装间隔棒成为困扰检修工人的难题。

1.3 带电作业检修更换间隔棒的快速拆卸与安装

带电作业劳动强度大，风险高，跟需要一种轻便且操作效率高的工具。

1.4 劳动竞赛中拆、装间隔棒考试的时限要求

拆装间隔棒而无论是输电技能竞赛还是实操考试，操作时间都是一项重要的参考量。不止如此，选手或考生在竞赛与考试类紧张度较高的环境里常常会手忙脚乱，操作现有的拆装间隔棒工具会浪费大量时间和体力[2]。

2 现有机械工具分析

2.1 现有机械工具分析

机械组合结构一：杠杆机构+螺旋机构+面接触滑动机构+C形夹持机构；机械组合结构二：杠杆机构+螺旋机构+面接触滑动机构+I形夹持机构；机械组合结构三：杠杆机构+螺旋机构+平面推力轴承滑动机构+I形夹持机构。

2.2 现有机械结构缺点

（1）摩擦阻力：一些工具在收紧过程中，内螺纹螺杆与间隔棒接触靠垫片滑动摩擦，随着接触面挤压力的增大摩擦力增大。

（2）工具尺寸：在输电线路上作业，空间非常狭小，体位不好调整，现有的工具长度和体积都偏大，作业人员操作时需要频繁更换体位，浪费大量体力。

（3）工具重量：减轻高空作业人员的负担，是高空作业工具设计的重要原则，由于厂家对现场不了解，现有的专用工具在设计时，在某些环节上过多的增加了尺寸。

（4）工具可靠性：现有的专用工具经常出现压力平垫圈磨损后摩擦过大无法使用、压舌丝杠脱落、压舌偏移卡住等问题，造成工作终止。

3 方案、对策与实施

3.1 方案

针对“设计与开发提高输电线路间隔棒更换效率的工具”这一课题，我们总结了两个方向性方案，“机械式”与“电动式”，通过优化工具的结构及尺寸规格，增加或更换工具构件等方式完成提高输电线路间隔棒更换效率的工具设计目标。评估比较结论如下。（如表1）

通过对电动式拆装间隔棒工具以及机械式拆装间隔棒工具两种方式对比分析，我们认为机械式拆装间隔棒工具更具优势。为此我们小组采用开发机械式拆装间隔棒工具的方案。

3.2 对策

我们制定了以下对策：

对策一：使伸缩式操作杆快速转动大于5圈/s，措施为夹头头一段收紧不需要压缩夹头橡胶进行，阻力较小，为实现快速转动需把操作杆需固定中点在内螺旋杆中心。

对策二：使转动操作杆时操作杆不滑动，措施为操作杆上装设卡环，与内螺旋螺杆上的定位珠组合定位。

对策三：防止操作杆使用时滑脱，措施为外螺旋丝杆顶端设置防脱装置。

对策四：降低内螺旋拉杆与间隔棒接触处摩擦力，措施为内螺旋拉杆与间隔棒接触处设置滚珠推力轴承。

对策五：防止压舌插入或抽出间隔棒夹头安装孔时翻转卡住，措施为外螺栓丝杆U形端设置弹簧定位珠，配合压舌上的凹槽对压舌进行定位。

对策六：降低工具重量、尺寸，措施为通过应力计算，在满足受力需求情况下改进工具尺寸，减小工具重量。

3.3 实施

3.3.1 设计校验

我们先通过关键尺寸强度校验选择关键尺寸参数。

丝杆外螺纹螺杆的最小内径计算数据分析：丝杆组件选用40Cr合金钢，40Cr合金钢抗拉强度（δk）大于900MPa，屈服点（δq）785MPa。计算得外螺纹螺杆内径最小值：d=4.50mm。根据丝杆标准查表，同时兼顾实际需要的大小，参考M14*2.0的丝杆d外径=14mmd中径=12.63mm。强度达到要求，实际大小达到要求，采用。

丝杆内螺纹螺杆选择的最小内径计算数据分析：丝杆组件选用40Cr合金钢，40Cr合金钢抗拉强度（δk）大于 900MPa，屈服点（δq）785MPa；外螺纹螺杆与内螺纹螺杆螺纹需要0.2mm间隙，内螺纹螺杆内径D内=14+0.2×2=14.4mm；计算得出丝杆内螺纹滑管外径最小值为：d=15.08mm。为了加工方便，选择外径16mm内螺纹滑管。

伸缩式操作杆尺寸选择计算数据分析：通过计算丝杆顶力、螺纹升角、当量摩擦角计算扭矩；得出伸缩式操作杆最小长度：lMin≧19.61cm伸缩式操作杆最大长度：lMax=39.21cm；根据实际需要的大小，选取伸缩式操作杆长度应在40cm≧l≧20cm范围[3,4]。

各个销钉的选择计算数据分析：销钉选用40Cr合金钢，40Cr合金钢抗拉强度（δk）大于900MPa，屈服点（δq）785MPa。因所有销钉受力均小于压舌销钉，所有仅对压舌销钉进行验算。通过销钉承受剪切力，计算销钉直径为d=3.9mm，为了统一便于加工，各销钉参考直径4mm。

新设计的间隔棒更换工具主要结构部件有：①伸缩式操作杆；②内螺纹拉杆；③平面推力轴承；④外螺纹丝杆；⑤转向压舌。

3.3.2 成品优化

虽然成品解决了以往拆卸间隔棒工具的诸多问题，实现预期目标，但是还比较耗费时间，仍存在可改进的因素。故小组成员继续讨论思考解决对策及措施制定了以下对策：加速夹持与释放时间，措施为研究机械专业各种快速夹持机构，使用新的机械结构（杠杆机构+螺旋机构+平面推力轴承机构+夹持机构）。

表1 “机械式”与“电动式”评估比较表

4 效果检查

解决了以往拆卸间隔棒工具摩擦阻力大，操作费力的难题；解决了以往拆卸间隔棒工具长度和体积偏大，致使作业人员操作幅度加大，操作困难的难题；解决了以往拆卸间隔棒工具重量较大，不便携带及操作的问题；解决了以往拆卸间隔棒工具压力平垫圈磨损后摩擦过大无法使用、压舌丝杠脱落等问题；提高了拆卸间隔棒工作效率，工作流程更加连贯顺畅[5]。