超(特)高压线路大吨位荷载转移的双轴传动省力丝杠研究

卢辉琨，王祥祥，唐 勇，马 俭

(中国南方电网有限责任公司超高压输电公司百色局，广西 百色 533000)

0 引言

西电东送主干网架将云南、贵州的清洁水电源源不断地向广东大负荷中心输送。为满足电能输送需求，主网架采用了超(特)高压交直流并存的输电形式进行远距离送电。在我国西南地区建设远距离大容量输电线，由于地理环境限制，线路走向需经过大山、深沟、大岭、大河等复杂地形，由此形成了许多大档距、大跨越的超(特)高压输电线档。大档距输电线路在跨越山谷、深沟等特殊地形时，一般档距长度为800 m 以上[1]，因此大档距的杆塔受力较常规档距大，如果是特高压直流线路杆塔的综合受力还会更大。因而，在对大档距绝缘子进行检修时，经常遇到大受力的受损的绝缘子无法安全、快速地进行更换的情况。由此，通过研究一种大吨位荷载转移的双轴传动省力丝杠，为大受力档段线路停电或带电检修时大吨位的荷载转移提供方便，以满足大档距大吨位的绝缘子更换的工作需求[2-3]。

双轴传动省力丝杠的技术开发侧重点是基于500 kV 交流线路、±800 kV 直流线路耐张塔、直线塔绝缘串(片)、导地线张力更换方法及配套工具方面展开技术研究。

1 双轴传动原理

双轴传动省力丝杠(如图1 所示)是在更换绝

图1 双轴传动省力丝杠结构模型

缘子过程中将力进行转移，收紧丝杠将回转运动转换为直线运动常用的传动装置，它由双轴代替传统单轴进行滑动，具有摩擦力小、性能优越的特点。在丝杆和螺母上加工弧行螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺旋滚道，而滚珠则沿滚道滚动，并经两相邻滚道回珠器来回循环运动，活动灵活。该双轴传动丝杆传动效率高，机械效率为92 %～98 %。滚珠丝杆的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动，所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比，滚动丝杆副的驱动力矩为过去的1/3以下，即达到同样运动结果所需的动力小于使用滑动丝杠副的1/3。用滚珠的滚动代替了普通丝杆螺母副的滑动，摩擦力小，使用寿命长。

2 双轴传动主要创新点与应用

双轴传动省力丝杠是基于阿基米德原理，将传统丝杆的操作方向从水平改变成竖直，进行了结构设计优化，重点解决传统工艺轻量化、空间结构、机械传动、功率和扭矩等方面的技术难题。该丝杠采用模块化设计，选择碳素钢等优质的材料，采用有限元仿真获取力学性能参数。重点分析双轴丝杆在加载状态下，主要结构件的应力、应变以及位移，确保150 kN 的额定载荷条件下各主要零部件仍能运行。工具设计紧凑合理，最大单件重量不超过3 kg，实现大吨位张紧装置轻量化，简化作业流程，提高检修工作的劳动强度和效率。相比较单件重量达20 kg 及以上的传统装置(链条葫芦、液压紧线器)，此双轴传动省力丝杠更适合山区交直流输电线耐张塔、直线塔绝缘串(片)的更换作业。同时，基于阿基米德原理开发的双轴传动省力丝杠蜗轮蜗杆，避免了常规机械丝杠单向传动或齿轮滚动摩擦螺纹实现传动状态的局限性；与液压传动装置相比较，易于防止逆转，实现自锁，解决液压传动装置夹紧力保持性差和泄压不平稳而造成设备损坏、人员受伤的关键技术要点，实现粗糙型检修向精细化过度转型。该丝杠蜗杆端头可实现多样化操作模式，如双向棘轮操作杆式、旋转手摇式、电动等模式，具有很好的人机功效特点。

3 传动机械仿真受力分析

3.1 有限元问题描述

3.1.1 有限元法

有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解区域。有限元法作为数值分析方法的一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数，分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数表达。这样，一个问题的有限元分析中，未知场函数或其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量(即自由度)，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。显然，随着单元数目的增加，即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解。

3.1.2 任务描述

双轴传动省力丝杆，两端施加120 kN 的拉力，计算其应力分布。表1 为关键零部件材料特性数据。

表1 关键零部件材料特性

双轴传动省力丝杆规格参数如下：整体长度为594 ～834 mm，行程为240 mm，动力由蜗轮蜗杆带动丝杆旋转提供。如图2 所示。

图2 双轴传动省力丝杠规格

3.2 模型设置与求解

3.2.1 模型等效应力本次只对丝杠和卡板接头进行静力学分析，因此可以将传动的蜗轮蜗杆、轴承及其箱体、螺栓、刻度板等部件省略，只保留需要分析的丝杠、卡板接头和卡环部分。

3.2.2 局部应力和网格细化计算

当局部放大后，网格细化计算结果显示，在卡板接头处存在应力较大的区域，因此需要在该区域增加网格划分密度，重新进行计算。细化网格后发现确实存在应力较大的位置，为卡板接头(材料为60Si2Mn)的圆角处，达到了1 445 MPa，超出了所用材料的屈服强度(1 176 MPa)。通过以上分析可得，此双轴传动省力丝杆在卡板接头与卡环配合的圆角处容易产生较大的应力集中。初步分析可能原因为轴肩处的圆角和卡环在孔的位置的圆角大小均为2 mm，在拉杆承受拉力时[4]，该位置的单元不仅承受了拉力，还由于卡环存在一定程度的变形，卡环的圆角对轴肩圆角该位置造成挤压，导致该圆角只在靠近两根丝杆的左右两侧较大的应力集中。

3.2.3 卡环结构修改

由于在卡板接头圆角处存在应力集中的情况，于是将卡环的结构稍作修改，将2 mm 圆角修改为倒角，并重新进行计算。将卡环的圆角改为倒角后，与卡板接头的圆角不发生接触，施加载荷后未在卡板接头轴肩的圆角处发生应力集中[5]，所受应力最大处为800 MPa，未超出材料屈服强度(1 176 MPa)，符合要求。丝杠(材料为40Cr)所受应力最大处为618 MPa，未超出材料屈服强度(785 MPa)，符合要求。卡环(材料为3Cr2Mo)所受应力最大处为429 MPa，未超出材料屈服强度(705 MPa)，符合要求。

3.3 蜗轮蜗杆的强度计算

3.3.1 蜗轮蜗杆的材料及校核分析

蜗轮蜗杆的材料不仅要具有足够的强度，更重要的是应具有良好的跑合性、减磨性及耐磨性。蜗杆一般用碳钢或者合金钢制成，在本机构中蜗杆采用45 碳钢，调质处理HB220-280，蜗轮采用40Cr 碳钢，调质处理 HB220-280。在蜗杆传动中，由于材料和结构上的原因，蜗杆螺旋齿部分的强度通常高于蜗轮轮齿的强度，失效常发生在蜗轮轮齿上。而对于闭式传动，蜗杆的主要失效形式是齿面胶合或点蚀。蜗轮轮齿呈倾斜的弧状曲梁，很少发生轮齿折断。因此一般闭式传动可以按照齿面接触疲劳强度进行设计校核，无须进行齿根弯曲疲劳强度校核，只是当蜗轮齿数z2>80 时，才进行弯曲强度校核。热平衡计算是针对连续工作的蜗杆传动而言的，该装配体蜗杆传动不是频繁连续工作，因此蜗杆传动的热平衡计算可忽略。综上，对于此蜗轮蜗杆校核需要计算齿面接触疲劳强度。

3.3.2 蜗杆传动的齿面接触计算根据校核公式：

式(1)中，ZE为弹性影响系数，ZP为接触系数，K为工作情况系数，T为蜗杆输入转矩，a为最小中心距，[σH]为许用接触应力。

1) 计算工作情况系数K。

式(2)中，KA为使用系数，看作均匀平稳冲击，取KA=1；Kβ为齿向载荷分布系数，当蜗杆传动在平稳状态下工作时，载荷分布不均匀现象将由于工作表面的良好磨合而得到改善，此时可取Kβ=1；当载荷变化较大或者有冲击振动时，可取KV为动载系数，KV=1，由此可得：

2) 计算蜗杆传动总效率η。

式(3)中，η为蜗杆传动总效率，γ为导程角，ρv为当量摩擦角。

3) 确定蜗轮输入转矩T2。

式(4)～(5)中，T1为蜗杆输入转矩，Fa2为蜗轮轴向力，d1为蜗杆的公称直径，T2为蜗轮输入转矩，i为传动比，η为蜗杆传动总效率。当卡板接头上加上120 kN 额定载荷时，两侧与蜗杆连接的蜗轮所受的负载为Fa2=60 kN。蜗杆所受到的力矩T1=Fa2d1/2=450 Nm。根据蜗杆与蜗轮之间的受力关系可知，蜗轮所受力矩T2=T1iη=6 525 Nm。

4) 确定弹性影响系数ZE。因选择用的是40Cr碳钢蜗轮和45 碳钢蜗杆相配合，故根据查相关资料得知弹性影响系数ZE为189.8。

5) 确定许用接触应力[σH]。计算说明： 由于该机构蜗轮抗拉强度σB≥980 MPa，而当蜗轮材料为灰铸铁或高强度青铜(抗拉强度σB≥300 MPa)时，蜗杆传动的承载能力主要取决于齿面胶合强度。但因目前尚无完善的胶合强度计算公式，故采用接触强度计算公式。接触强度计算是一种条件性计算，在查取蜗轮齿面的许用接触应力时，要考虑相对滑动速度的大小。由于胶合不属于疲劳失效，许用接触应力[σH]的值与应力循环次数N无关，因而可直接从表中查出许用接触应力值。设滑动速度为1 m/s，则由式(1)计算蜗杆传动的齿面接触强度σH=10.169 8 MPa ＜[σH]，符合要求。

4 结束语

双轴传动省力丝杠已在中国南方电网有限责任公司系统内广泛推广应用，近一年内该工具开展超( 特) 高压带电检修126 次，多送电量共新增电量销售3 600 万元，创造社会经济效益4 200 万元。双轴传动省力丝杠的开发与应用，较大程度提升了线路运维单位对特高压检修技术的管理水平，保障了输电线路设备的安全可靠运行。