國家電網(wǎng)螺旋增壓更換特高壓間隔棒裝置的研制QC小組成果匯報書

PAGE11目錄6412一．小組介紹 111677二．選題理由 13794三．目標設定 127946五．制定對策 128712六．對策實施 124904七．確認效果 125355八．標準化及推廣 121518九．反省及今后計劃 132020附件:螺旋增壓更換特高壓間隔棒裝置計算書 1

一．小組介紹本QC小組由湖南省十大發(fā)明家之一鄭克全作為組長組建，共有成員8人，負責本次項目的人員具體情況如下表：表1.小組基本概況序號姓名年齡小組分工職稱158提出課題、思路、目標及設計技師240設計、力學分析高工345實施方案設計高級技師444方案審查高工530方案實施技師644方案實施技師731方案實施工程師832方案實施工程師小組榮譽多次獲得省市職工科技創(chuàng)新及QC獎小組風采二．選題理由（一）選題背景隨著社會的發(fā)展和技術的進步，電源與用戶之間的距離越來越遠，為實現(xiàn)更遠距離，更大容量和更高效率的電力輸送，輸電網(wǎng)的電壓等級越來越高，規(guī)模越來越大。由于中國能源資源與負荷中心呈逆向分布的國情，決定了特高壓輸電技術在中國具有廣闊的應用空間。我國的特高壓發(fā)展規(guī)劃為“五縱五橫一環(huán)網(wǎng)”，目前已規(guī)劃的特高壓線路共有14條。表2.我國特高壓輸電線路一覽表序號線路名稱性質備注1晉東南—南陽—荊門1000千伏特高壓交流試驗示范工程交流已投運2淮南—上海1000千伏特高壓交流輸電示范工程交流已投運3向家壩—上?！?00千伏特高壓直流輸電示范工程直流已投運4錦屏—蘇南±800千伏特高壓直流輸電工程直流已投運5哈密南—鄭州±800千伏特高壓直流輸電工程直流已投運6云南—廣東±800千伏直流輸電示范工程直流已投運7浙北—福州1000千伏特高壓交流輸變電工程交流8淮南—南京—上海1000千伏特高壓交流工程交流9錫盟—南京1000千伏特高壓交流工程交流10雅安—武漢1000千伏特高壓交流工程交流11寧夏太陽山—浙江±800千伏特高壓直流工程直流12酒泉—湖南±800千伏特高壓直流工程直流13溪洛渡左岸—浙江金華±800千伏特高壓直流輸電工程直流已投運14淮南-南京-泰州-蘇州-上海-浙北-皖南-淮南長三角特高壓環(huán)網(wǎng)其中已投運的線路長度達一萬多公里，最早投運的晉東南至荊門示范工程已運行6年。線路設備受到外部環(huán)境的影響，經(jīng)常需要對設備部件進行帶電更換、維修，如何在特高壓輸電線路上進行帶電檢修，全國的同行己在研究中。（二）問題的提出及選題的必要性在輸電線路設備中，間隔棒作為防止導線發(fā)生鞭擊，保持分裂子導線距離，并有防震作用的一種保護金具，在線路上起著重要作用。一方面，在特高壓線路架設施工中，間隔棒按不等距安裝，次檔距為30至60米不等，以一條1000千米特高壓輸電線路計算，至少需安裝4～6萬個間隔棒，安裝工作量極大；另一方面，由于特高壓線路電壓等級高，導線截面積大，一般為六分裂或八分裂導線，且檔距較大，震動頻率較高，間隔棒易損壞，造成掉爪、脫落等缺陷，易會引起導線舞動、鞭擊，造成導線損傷等問題，嚴重影響線路的安全運行，造成帶電更換間隔棒的工作任務緊迫而繁重。目前開展特高壓輸電線路架設、檢修作業(yè)時，使用的間隔棒安裝、更換工具中，均為傳統(tǒng)的500kV輸電線路的間隔棒工具，如圖1所示。圖1間隔棒安裝、更換傳統(tǒng)工具這些工具普遍存在以下幾個問題：1.500kV輸電線路多為四分裂導線，緊湊型線路為六分裂，間隔棒結構和特高壓輸電線路的六至八分裂導線間隔棒有所區(qū)別，受到子導線距離的影響，使用四分裂間隔棒扳手更換六至八分裂導線間隔棒不方便。2.由于特高壓線路鐵塔平均高度比500kV輸電線路高12m以上，塔頭相應大一倍左右，作業(yè)人員到達作業(yè)點體力消耗大，加上導線截面積均在600mm2以上，甚至有超過1000mm2。因此，間隔棒抓手鎖緊銷的受力比500kV線路高得多，使用四分裂間隔棒扳手更換特高壓間隔棒需要更大的力才能將抓手鎖緊銷取出，極大增加了作業(yè)人員的勞動強度。針對上述問題，我們認為，特高壓輸電線路的維護急需一種能夠省力、安全、方便的間隔棒扳手。因此，我們QC小組決定選取研制一種輕便.省力.快速的新型的間隔棒扳手作為我們QC小組的課題，對特高壓電網(wǎng)的建設和維護具有迫切的需求。（三）課題查新QC小組對更換特高壓輸電線路間隔棒的工具進行網(wǎng)上檢索，發(fā)現(xiàn)除了使用傳統(tǒng)工具外尚無其它新型工具。本課題的研究將有效填補國內外市場的空白。三．目標設定我們的成果需要達到以下目標：目標1.省力達50%：根據(jù)測算，使用傳統(tǒng)工具進行帶電更換特高壓間隔棒作業(yè)時，作業(yè)人員至少需要使用300N以上的力，而使用我們QC小組研制的工具進行作業(yè)時，將只需小于150N的力即可，如圖2所示。圖2目標一省力50%目標2.省時50%：使用傳統(tǒng)工具進行帶電更換特高壓間隔棒作業(yè)時，作業(yè)人員需要至少用時40分鐘才能完成，而使用QC小組研制的工具進行作業(yè)時，將只需使用20分鐘，作業(yè)時間減少50%，顯著提高工作效率，如圖3所示。圖3目標二省時50%目標3.工具在使用過程中操作方便、靈活，無卡住現(xiàn)象。四．提出方案并確定最佳方案（一）提出、整理方案根據(jù)設定的目標值，小組成員積極發(fā)揮主觀能動性和創(chuàng)造力，群策群力地提出了多種創(chuàng)新方案，整理后得到以下三種方案：方案一.利用齒輪原理研制工具，節(jié)省時間，提高工效。使用多個齒輪組合，手柄安裝在大齒輪，大小齒輪相互嚙合，小齒輪與間隔棒鎖緊銷連接，通過大齒輪的轉動，帶動小齒輪，從而使得鎖緊銷松開，達到更換間隔棒的目的。方案二.利用杠桿原理來研制工具。通過較長的力臂，可以使用較小的力來改變鎖緊銷的受力，達到更換間隔棒的目的。方案三.利用液壓原理研制工具。通過手柄，將力作用于液壓裝置上，利用大小液壓缸的裝置，使得活塞將扳手的頂柱收緊和放松，以達到更換間隔棒的目的。（二）分析各方案的優(yōu)、缺點經(jīng)過小組成員的充分討論研究，認真分析、研究了各方案的優(yōu)、缺點，形成以下結論：2.1方案一的優(yōu)點與缺點利用齒輪原理研制的工具，能夠快速地更換間隔棒，操作性也較好，但是由于齒輪“省力不省功，省功不省力”的特性，省時但不省力，且此工具本身重量較重，將增加作業(yè)人員的勞動強度，不能達到我們預定的目標值。2.2方案二的優(yōu)點與缺點利用杠桿原理研制的工具，能夠較大程度的省力，減輕作業(yè)人員的勞動強度，但是由于設備尺寸的影響，工具的通用性較低，而且由于受多分裂間隔棒抓手間尺寸大小、間隔距離等差異的影響，將為作業(yè)人員的操作帶來極大不便。2.3方案三的優(yōu)點與缺點利用液壓系統(tǒng)研制的工具，采用了多級載荷連續(xù)放大特點，省力比非常大，可大幅降低作業(yè)人員的勞動強度，縮短作業(yè)時間，且由于工具尺寸較合適，作業(yè)人員的可操作性強。為此我們列表進行對比：表3.方案的比較項目方案一方案二方案三省力不省力省力省力操作方便性方便不方便方便操作用時用時短用時長用時短勞動強度高低低（三）確定最優(yōu)方案經(jīng)過對三種方案進行綜合分析及比較之后，小組成員統(tǒng)一了意見，一致選取方案三作為研究方案，并制定出本次課題的流程圖，如圖4所示。圖4方案實施流程圖五．制定對策1．方案的具體分析我們對方案三進行了認真的分析，發(fā)現(xiàn)方案三中有幾個技術難點需要解決。1.1結構的設計要滿足實際需求。八分裂導線間隔棒有八個抓手，要進行間隔棒的更換，需要在八個方向對間隔棒抓手進行操作，因此設計的結構要滿足設備的需求，在尺寸和結構方面都要符合設備的實際尺寸，特高壓線路導線間隔棒實物如圖5所示。圖5特高壓線路導線間隔棒1.2要對工具的各受力部位進行力學計算。防止工具損壞引起間隔棒的鎖緊銷彈出，導致作業(yè)人員受到傷害。1.3為了達到預期省力的目標，擬采用多級液壓面壓強連續(xù)縮小的設計思路。1.4對比例的選擇、對制作工具需要的材料、工具成本等方面需綜合考慮。2．詳細對策為了切實完成我們確定的目標，小組制定了具體的實施計劃，實施計劃表見下表4.：表4.方案實施計劃表序號內容措施要求人員時間1方案和對策確定查閱相關資料，小組討論確定方案、對策方便現(xiàn)場使用，安全可靠，控制成本。小組成員2014年6月2設計、制圖根據(jù)設備參數(shù)，設計工具樣式，并繪制CAD圖結構合理、通用性強小組成員2014年6月3選材根據(jù)選材原則選擇合適的材料強度高、機械性能好、輕便小組成員聯(lián)系生產(chǎn)廠家進行2014年7月4力學計算根據(jù)選材及設計圖，進行關鍵部位的力學計算符合安全系數(shù)要求5工具加工根據(jù)設計圖紙加工工具符合圖紙要求6現(xiàn)場操作按設計功能進行操作通過現(xiàn)場操作查找工具在使用過程中的問題小組成員2014年7月至9月7改進對操作過程出現(xiàn)的問題進行改進功能與設計相符小組成員2014年9月至10月8現(xiàn)場操作按設計功能進行操作通過現(xiàn)場操作分析是否達到預期目標小組成員2014年11月9效果檢驗對方案的實施效果進行評估達到預期目標小組成員2014年12月六．對策實施本次QC活動旨在提高特高壓輸電線路檢修工作效率，減少作業(yè)人員勞動強度,提高作業(yè)安全性。根據(jù)實施計劃，完成了以下計劃工作。經(jīng)過小組內部充分論證、討論，認為第一方案的可行性太低，不預實施，下面就第二、三方案具體實施情況進行說明。1.工具的設計及制圖通過查閱資料、規(guī)程規(guī)范、以及線路間隔棒參數(shù)，我們設計出了如圖6所示特高壓間隔棒扳手。整體式液壓間隔棒壓裝器(以下簡稱壓裝器)通過杠桿原理及絲桿和液壓使人操縱力轉換成機械能。通過手柄的上下活動，使液壓軸向力推動油缸內活塞，使得頂柱被頂出，與鉤爪配合將間隔棒抓手的鎖緊銷上的力轉移到壓裝器上，從而取下鎖緊銷，更換間隔棒。圖6整體式液壓間隔棒壓裝器2.工具的選材、力學計算及加工經(jīng)過對多種金屬材料的各項參數(shù)和性能的對比分析，并與廠家討論了材料的加工性能之后，我們選擇了LC4-CS(即超硬鋁合金)和40Cr（即40鉻優(yōu)質合金結構鋼）。經(jīng)過對各主要受力部件計算，結論均安全可靠。隨后我們對設計圖紙上的工具進行了分析討論，通過討論，發(fā)現(xiàn)工具存在以下幾個問題：1）鉤爪的打開需要作業(yè)人員用手取調節(jié)控制鈕進行操作，比較麻煩。2）結構稍顯復雜，重量較重，尺寸不能完全滿足通用要求，省力程度沒達到預想目標。3.工具改進在對設計的間隔棒扳手的分析討論中，發(fā)現(xiàn)了其未能達到我們的預期目的。因此，我們對其進行了改進和簡化設計，重新設計了如圖7所示的工具，即第一代螺旋增壓更換特高壓間隔棒裝置(以下簡稱間隔棒裝置)。我們在整體式液壓間隔棒壓裝器的基礎上，將液壓手柄改為螺旋式，以便于更好的滿足分裂導線間隔棒對空間的要求，同時，我們將鉤爪改為“C”型鉤，可以直接在間隔棒上面操作，不再需要作業(yè)人員進行鉤爪的開合動作。更改了液壓裝置的大小缸位置，同時增加了快速收、放的調節(jié)螺紋套，可以更省力、更快速進行作業(yè)。間隔棒裝置通過螺旋原理及絲桿和液壓使人操縱力轉換成機械能，將絲桿螺旋圓周運動轉換成直線壓強運動。通過螺紋絲桿使軸向力一定的比例放大推動油缸內小活塞，使機械能轉換成可流動狀態(tài)的液壓能。因液體有不可壓縮的特性，通過大小活塞比將載荷進一步放大至技術要求的工作載荷。圖7第一代螺旋增壓更換特高壓間隔棒裝置在對設計圖紙改進之后，我們再次對工具的受力進行了計算（見附件：螺旋液壓增壓更換間隔棒壓裝器計算書）。經(jīng)過計算，操作人力僅為50N即可使輸出軸產(chǎn)生34130N推動力，省力比可達1:682。如圖8所示，作業(yè)人員在六分裂導線上使用第一代間隔棒裝置更換間隔棒。圖8在六分裂導線上使用第一代裝置更換間隔棒七．確認效果1.現(xiàn)場應用情況圖9第一代裝置在六分裂導線現(xiàn)場使用情況經(jīng)過現(xiàn)場應用檢驗（如圖9所示），我們發(fā)現(xiàn)：間隔棒裝置的預設功能均得到實現(xiàn)，明顯的提高了作業(yè)的效率和安全性，大量的節(jié)省了作業(yè)時間，降低了人員的勞動強度，達到了預期目標。2.工具的再次改進在我們對工具改進之后的使用中，發(fā)現(xiàn)液壓手柄改為螺旋式之后，可移動的手柄影響了操作人員的操作，經(jīng)過探討，由于省力比己大大超過預期目標，可采用縮短手柄并利用棘輪原理，我們將手柄進行了再次改進。同時，在快速收、放調節(jié)螺紋套外表增加了兩根受力桿，以便于作業(yè)人員在進行快速的調節(jié)時能夠更好的操作，改進后工具如圖10所示。圖10第二代螺旋增壓更換特高壓間隔棒裝置實物圖3.現(xiàn)場再次應用情況為驗證間隔棒裝置的通用性，我們分別在500kV輸電線路更換四分裂、六分裂導線間隔棒、800kV輸電線路更換六分裂導線間隔棒現(xiàn)場應用（見圖11-13），均能達到預期目標，驗證了QC成果。圖11500kV輸電線路更換四分裂導線間隔棒現(xiàn)場圖12500kV輸電線路更換六分裂導線間隔棒現(xiàn)場圖13800kV輸電線路更換六分裂導線\間隔棒現(xiàn)場4.目標檢驗目標1.省力達50%目標檢驗：根據(jù)現(xiàn)場測算，使用螺旋增壓更換特高壓間隔棒裝置，作業(yè)人員只需約10N的力即可完成作業(yè)，相比傳統(tǒng)工具300N以上的力，省力96%。檢驗結論：超額完成目標！目標2.省時50%目標檢驗：根據(jù)現(xiàn)場測試，使用螺旋增壓更換特高壓間隔棒裝置完成作業(yè)，只需15分鐘，而使用傳統(tǒng)工具需要至少用時40分鐘才能完成，省時62.5%。檢驗結論：超額完成目標！目標3.工具在使用過程中操作方便、靈活，無卡住現(xiàn)象。目標檢驗：據(jù)現(xiàn)場測試，工具方便攜帶，操作靈活，作業(yè)過程流暢。檢驗結論：達到目標！5.效益分析1）安全效益：因為作業(yè)時間的減少，減少了作業(yè)人員位于高空的時間，減少了作業(yè)人員的風險。通過大小活塞比將載荷進一步放大至技術要求的工作載荷，大幅度減輕了作業(yè)人員的勞動強度，增加了作業(yè)人員的安全性。2）經(jīng)濟效益：通過在國網(wǎng)技術學院的特高壓線路上現(xiàn)場試用，得到來自全國各地學員和江蘇河南等地特高壓線路運維人員一致好評。同時，該成果在500kV輸電線路上也進行了現(xiàn)場使用，通過比較，該產(chǎn)品在節(jié)省勞動強度方面要比普通扳手高。該成果解決了特高壓線路間隔棒更換難度大和體力消耗大的問題。保障了供電質量，提高了經(jīng)濟效益，該成果具有較高的通用性，在四分裂、六分裂和八分裂導線上均可使用，具有較高的推廣價值。結論：QC活動目標完成！八．標準化及推廣為了鞏固本次活動的成果，我們認真做好了標準化工作：1.將本次活動過程中形成的圖紙、文字材料進行總結歸檔，形成資料。2.將螺旋增壓更換特高壓間隔棒裝置補充到班組帶電作業(yè)生產(chǎn)工具中，做好常態(tài)化管理。3.該成果獲得國家發(fā)明專利（專利號：20140315647.3）和實用新型專利（專利號：ZL201420366940.8），分別如圖13、14所示。4、研制的裝置應用于國網(wǎng)技術學院的特高壓輸電線路帶電作業(yè)教學培訓示范片拍攝，如圖15所示，通過現(xiàn)場試用，用戶單位對工具一致好評，應用證明如圖16所示。圖13國家發(fā)明專利圖14國家實用新型專利圖15國網(wǎng)公司特高壓輸電線路帶電作業(yè)教學培訓示范片圖16國網(wǎng)技術學院特高壓輸電線路帶電作業(yè)教學培訓用戶報告九．反省及今后計劃通過開展本次活動，成功的研制出第二代螺旋增壓更換特高壓間隔棒裝置，有效的解決了特高壓線路間隔棒更換難度大的問題，大大的提高了工作效率，降低了作業(yè)人員的勞動強度，實現(xiàn)了既定目標，具有很好的推廣價值。同時小組成員的創(chuàng)新意識、參與意識得到了進一步的提高；小組成員在實際安全生產(chǎn)中的分析問題、解決問題的能力得到增強；小組成員的QC知識、專業(yè)知識及專業(yè)技能有了長足的進步。根據(jù)目前特高壓輸電線路在國家電網(wǎng)戰(zhàn)略發(fā)展的重要意義，為保證特高壓輸電線路供電可靠性，特高壓輸電線路帶電作業(yè)帶電顯得尤其重要，故QC小組計劃下一步研制更換特高壓絕緣子省力絲桿。附件:螺旋增壓更換特高壓間隔棒裝置計算書1設計原理概述螺旋液壓增壓更換間隔棒壓裝器(以下簡稱壓裝器)通過杠桿原理及絲桿和液壓使人操縱力轉換成機械能，將絲桿圓周運動轉換成直線運動。通過螺紋絲桿使軸向力進一步放大推動油缸內小活塞，使機械能轉換成可流動狀態(tài)的液壓能。因液體有不可壓縮的特性，根據(jù)帕斯卡原理(在密閉容器內流體施加壓力，壓力會向四周傳遞)通過大小活塞比將載荷進一步放大至技術要求的工作載荷。本壓裝器額定載荷30KN，適用于八分裂、六分裂及四分裂間隔棒的安裝，更換橡膠阻尼墊之功用。2計算書采用技術參數(shù)遵照下述標準：DL/T463-2006帶電作業(yè)用絕緣子卡具DL/T966-2005送電線路帶電作業(yè)技術導則GB/T18037-2000帶電作業(yè)用工具基本技術要求與設計導則GB/T3880-1997鋁合金軋制板材GB/T3190-1996變形鋁及鋁合金化學成份GB/T3077-199740Cr合金結構鋼GB/3452.1-1992液壓氣動用“O”型橡膠密封卷GB/7631.2-2003礦物型液壓油分類標準GB/11118.1-94液壓油產(chǎn)品標準3文字說明及許用應力計算3.1文字說明LC4-CS(新牌號：7A04-T6) 超硬鋁合金T6=CS淬火狀態(tài)，人工時效40Cr 40鉻優(yōu)質合金結構鋼40-含碳量0.37%-0.44%[σb]、[σw]、[σJ]許用拉伸、彎曲、擠壓應力(MPa)[τg]、[τm] 許用剪切、扭轉應力σb、σw、σJ、σs 拉伸、彎曲、擠壓、屈服應力τg、τm剪切、扭轉應力M、Wz 彎曲力矩、彎曲模量，單位Nmm、mm3P表示各種載荷的總代號，單位：N或KN3.240Cr的許用應力，用于計算卡具受力的主要螺栓、螺套、油缸、絲桿等[σb]=σb/n=900/3=300MPa 許用拉伸應力，σb值取自GB3077-1999[σw]=1.0[σb]=300MPa 許用彎曲應力[τg]=0.7[σb]=210MPa 許用剪切應力[σJ]=1.5[σb]=450MPa 許用擠壓應力[τm]=0.5[σb]=150MPa 許用扭轉應力3.3LC4-CS(7A04-T6)的許用應力，用以計算“C”型夾的主要受力部件[σb]=σb/3=490/3=163.3MPa 許用拉伸應力，σb值取自GB3880-1997[σw]=1.0[σb]=163.3MPa許用彎曲應力[τg]=0.7[σb]=114.3MPa許用剪切應力[σJ]=1.5[σb]=245MPa 許用擠壓應力[τm]=0.5[σb]=81.6MPa 許用扭轉應力4設計產(chǎn)品技術條件4.1要求設計工作載荷：30KN手柄操作力(單手操作)：50N鋼與鋼摩擦系數(shù)設定：0.14.2工作有效行程：30mm4.3安全系數(shù)：根據(jù)DL/T463-2003標準n=3倍4.4載荷絲桿形式設定：M2.0×2.5絲桿4.5液壓油缸大小活塞：1:2.684.6主要材料選擇：40Cr合金結構鋼(GB/T3077-1999)牌號抗拉強度MPa屈服點MPa伸長率σs收縮率%退火或高溫回火供應狀態(tài)硬度HB≤40Cr900±1007859%45%207530KN壓裝器各部件應力計算5.1已知：扳手擰緊力：Fo=50N，摩擦系數(shù)=0.1，扳手長度L=340mm絲桿螺矩：m=2.5mm，中徑=18.38mm，螺紋：M20×2.5彈簧全壓縮載荷為：300N解：Fo·Ls=F×d/2，所以：F=2·Fo·Ls/d將Fo=50N·Ls=340mmd=18.38mm代入上式F=2×50×340/18.38=1850N將F=1850NL=2.5mmd=18.38mmu=0.1代入式(1)得