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[摘 要]针对一次作业中更换不同型号500kV输电线路绝缘子通常需要携带几套闭式卡具的问题，急需研制一种夹头同步可调通用闭式卡具。本文通过对输入装置、传动装置、同步装置、夹紧装置的研究，创新设计了一套能够实现同步夹紧的输电线路更换绝缘子新型通用闭式卡具，解决了作业中需要带多套卡具以及前后卡具同轴度不高的问题。
[关键词]绝缘子；闭式卡具；通用；同步调整
中图分类号：TU215 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）42-0362-02
0 引言
近年来，随着装机容量、外送电量的逐年增加，贵州电网公司进一步加大了电力外送通道的建设以及城市电网、农村电网的改造力度，电网结构更为复杂。其中，500kV输电线路是电网系统的主干网络，它广泛分布在高山峻岭，直接暴露于风雪雨露等自然环境之中，在长期强电场、拉力作用下工作，同时由于特殊自然条件，每年有一定数量的绝缘子遭受雷击，出现零值及自爆。同一串绝缘子中出现零值后及自爆后，会影响整串绝缘子的电压分布，促进绝缘子劣化零值，当绝缘子串良好片数达不到安全规定时，威胁输电线路安全运行，所以必须定期更换线路出现故障的零值绝缘子，确保输电线路安全稳定运行。
要更换这些雷击及零质、低值、自爆的绝缘子，目前，主要采整串或单片更换的方法进行，其中，单片更换主要采用闭式卡具进行作业。闭式卡具是输电线路检修中更换玻璃或瓷质绝缘子时的一种金属卡具，使用时将闭式卡具卡在待更换绝缘子前后两片绝缘子钢帽上，收紧丝杆将待更换绝缘子上的荷载转移至闭式卡具上，从而进行绝缘子的更换。闭式卡具的使用可使检修人员没必要将整串耐张绝缘子串放置地面，极大地简化了作业流程，同时也节省了大量工具，降低了劳动强度，提高了检修作业效率。
然而，在日常检修作业过程中，由于受到绝缘子型号、尺寸不同的影响，在使用闭式卡具前首先要确认绝缘子钢帽直径尺寸，然后再选择相应的闭式卡具进行操作；另外由于加工工艺影响，绝缘子钢帽并非正圆形状或直径不符合设计要求，在作业过程中一时难以找到与之相匹配的闭式卡具，甚至出现无法匹配的状况，严重影响了检修作业进度，甚至导致无法按时完工。这些不利因素都严重制约闭式卡具在绝缘子更换工作中的使用。
本文结合贵州电网公司输电运行检修分公司闭式卡具的实际使用经验，在现有闭式卡具基础上，提出一种新的改进设计方法，解决了闭式卡具无法与绝缘子钢帽相匹配的问题，并实现了闭式卡具的通用性。
1 常见绝缘子闭式卡具
目前，针对这一问题已有许多新型卡具的设计。李睿[1]等研制了可拆卸式内卡，根据所更换绝缘子型号选择使用的内卡；汪灵[2]等对传统闭式卡具的受力做了详细分析，前卡固定在绝缘子钢帽前沿，受力方向为指向绝缘子铁脚，后卡固定在绝缘子钢帽圆弧面上，受力方向为背向绝缘子铁脚；谭华章[3]等研制了新型“万用卡具”，集前卡、前卡心、推进梢子、后卡和省力丝杠为一体的新型卡具，根据不同规格绝缘子钢帽的围差，设计9套不同的内卡，适用不同厂家和批次绝缘子的更换；张孝祖等将单片卡具设置为由母卡和连接在母卡内孔的子卡及收紧丝杆组成，其中母卡沿内孔的一半采用活动盖板的连接结构，即活动盖板与母卡一端采用铰销连接，另一端采用与母卡螺栓连接，将子卡设置为两个半圆筒分别固定在母卡内孔和活动盖板内孔内，再将母卡的内孔面与子卡的外套面的接触面设置为锥形面，在子卡的顶端设有支撑台阶，在母卡及活动盖板内孔壁上设置有防脱孔和强力吸附磁铁，并在子卡筒体外壁设置有与防脱孔配合对应的防脱销；付斌等采用固定式外壳与可调节螺栓加分片内胆的方式与钢帽进行配合。
2 新型通用闭式卡具设计
2.1 前、后卡结构设计
2.1.1 前卡夹紧装置的设计
前卡与绝缘子钢帽凸缘连接，夹紧装置受力方向指向绝缘子铁脚，因此前卡较后卡所需要的强度较高，前卡和后卡相比受力方向相反，夹紧机构与钢帽接触面积通常较小，一般为线接触，如果沿用后卡夹紧装置的设计方法将无法保证夹紧的强度，为此需要对夹片进行改进。
为了保证夹片和钢帽之间为线接触，现将夹片的头部做成钩状结构，这一点与传统的闭式卡具的原理相似。夹片下面连接着带有轴孔的连杆，连杆与后卡的基座铰接，T型夹片可以轴向旋转锁紧，从而达到夹紧绝缘子钢帽的目的。
2.1.2 后卡夹紧装置的设计
传统通用闭式卡具在前期设计时在上外卡、下外卡相应位置制作与内卡凸起部分相对应的受力凹槽，在更换绝缘子过程中，可根据绝缘子型号更换内卡，实现更换任意型号绝缘子的更换作业。这种传统式的夹紧机构虽然可以适应一些型号的绝缘子钢帽但不能实现所夹绝缘子尺寸连续可调，在一次作业中需要携带多种型号的内卡而且更换起来费时费力。针对上述情况，现对前卡的夹紧装置进行改进设计。
后卡与绝缘子钢帽连接，夹紧装置受力方向背向绝缘子铁脚，因此后卡较前卡所需要的强度低。夹紧机构与钢帽接触面积通常较大，有局部的面接触，因此与钢帽接触部分应有弧面接触（图1）。
该夹头结构外表面为弧面，能增大和钢帽的贴合度，夹头整体为T字型，长方体的夹片下面连接着带有轴孔的连杆，连杆与后卡的基座铰接，T型夹片可以轴向旋转锁紧，从而达到夹紧绝缘子钢帽的目的。
夹头的动力来自于配套的顶杆，顶杆是由螺杆和长方体的块组成的，外部由蜗轮蜗杆传递动力使顶杆旋转上升，螺杆顶部与顶块是分离的，顶块可以保持不旋转只上升，与夹片的下表面接觸，接触面为弧面可以增加顶块顶起夹片的顺滑度。
2.2 同步传动夹紧机构设计
2.2.1 整体设计
前后卡具夹头夹紧时的同步性是卡具设计的一个难点，夹片夹紧时良好的同步性能保证前后卡夹紧后的可靠性。传统的闭式通用型卡具前后卡具同步性低，同种规格绝缘子公差范围内的尺寸会有变动，以及卡具磨损后尺寸变化将导致卡具无法卡紧。因此需要设计一种能够同步夹紧的传动装置，来保证前后卡具夹紧的同步性。 2.2.2 钢丝软轴结构设计
钢丝软轴它是由几层弹簧钢丝紧绕在一起而成，而每一层又用若干根钢丝卷绕而成。相邻钢丝层的缠绕方向相反。外层钢丝比内层的要选得粗些。当传递转矩时，相邻两层俐丝中的一层趋于绕紧，另一层趋于旋松，使各层钢丝相互压紧。
钢丝软轴主要用于两个传动零件的轴线不在同一直线上，或工作时彼此要求有相对运动的空间传动。也适合于受连续振动的场合以缓和冲击。它的应用范围是：可移式机械化工具，主轴可调位的机床、混凝土振动器、砂轮机、医疗器械、以及里程表、遥控仪等传动中。
软轴安装简便、结构紧凑、工作适应性较强。适用于高转速、小转矩场合。当转速低、转矩大时，从动端的转速往往不均匀，且扭转刚度也不易保证。软轴传递功率范围一般不超过5.5kW，转速可达20000r/min。软轴通常由钢丝软轴、软管、软轴接头和软管接头等几部分组成。按照用途不同，软轴又分功率型（G型）和控制型（K型）两种。功率型软轴一般有防逆转装置，以保证单向传动。钢丝软轴技术规格如图2所示。
本设计由3根公称直径为8mm的钢丝软轴连接3个蜗杆，在蜗杆两端有六角螺钉头可以用六角扳手扳动，任意选择一个蜗杆上的六角螺钉拧动都可以带动另外2个蜗杆旋转，从而实现了3个夹头夹紧的同步过程。
2.2.3 蜗轮蜗杆传动结构设计
蜗杆传动常用于两轴交错、传动比较大、传递功率不太大或间歇工作的场合。当要求传递较大功率时，为提高传动效率，常取Z1=2～4。此外，由于当γ1较小时传动具有自锁性，故常用在卷扬机等起重机械中，起安全保护作用。它还广泛应用在机床、汽车、仪器、冶金机械及其它机器或设备中，其原因是因为使用轮轴运动可以减少力的消耗，从而大力推广。
一般蜗杆与轴制成一体，称为蜗杆轴。蜗轮的结构型式可分为3种形式，具体如下：
1）整体式：用于铸铁和直径很小的青铜蜗轮。
2）齿圈压配式：轮毂为铸鐵或铸钢，轮缘为青铜。
3）螺栓联接式：轮缘和轮毂采用铰制孔，用螺栓联接，这种结构装拆方便。
软轴旋转带动蜗杆旋转，蜗杆旋转带动涡轮在垂直方向旋转，涡轮孔内有内螺纹与顶杆配合实现螺纹传动。
3 结论
本文由现有绝缘子卡具不能满足一次作业中对多个型号绝缘子进行更换的问题引出设计一种夹头同步可调绝缘子更换方法及装置，从前、后卡夹紧装置设计，同步传动夹紧机构设计，蜗轮蜗杆传动结构设计，钢丝软轴结构设计几个主要方面进行了设计。
参考文献
[1] 李睿，尹维崴，张玉峰等.万能绝缘子卡具研制与应用[J].科技创新与生产力，2015（12）：102-103.
[2] 汪里，岳灵平，方书博等.500kV直流线路棒形悬式瓷绝缘子闭式卡具设计[J].电瓷避雷器，2013（6）：20-23.
[3] 谭华章，梁威，陶少乐.输电线路中新型万用卡具的研制与应用[J].江苏科技信息，2015（36）：55-56.
基金项目：国家自然科学基金（51305232）。
[关键词]绝缘子；闭式卡具；通用；同步调整
中图分类号：TU215 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）42-0362-02
0 引言
近年来，随着装机容量、外送电量的逐年增加，贵州电网公司进一步加大了电力外送通道的建设以及城市电网、农村电网的改造力度，电网结构更为复杂。其中，500kV输电线路是电网系统的主干网络，它广泛分布在高山峻岭，直接暴露于风雪雨露等自然环境之中，在长期强电场、拉力作用下工作，同时由于特殊自然条件，每年有一定数量的绝缘子遭受雷击，出现零值及自爆。同一串绝缘子中出现零值后及自爆后，会影响整串绝缘子的电压分布，促进绝缘子劣化零值，当绝缘子串良好片数达不到安全规定时，威胁输电线路安全运行，所以必须定期更换线路出现故障的零值绝缘子，确保输电线路安全稳定运行。
要更换这些雷击及零质、低值、自爆的绝缘子，目前，主要采整串或单片更换的方法进行，其中，单片更换主要采用闭式卡具进行作业。闭式卡具是输电线路检修中更换玻璃或瓷质绝缘子时的一种金属卡具，使用时将闭式卡具卡在待更换绝缘子前后两片绝缘子钢帽上，收紧丝杆将待更换绝缘子上的荷载转移至闭式卡具上，从而进行绝缘子的更换。闭式卡具的使用可使检修人员没必要将整串耐张绝缘子串放置地面，极大地简化了作业流程，同时也节省了大量工具，降低了劳动强度，提高了检修作业效率。
然而，在日常检修作业过程中，由于受到绝缘子型号、尺寸不同的影响，在使用闭式卡具前首先要确认绝缘子钢帽直径尺寸，然后再选择相应的闭式卡具进行操作；另外由于加工工艺影响，绝缘子钢帽并非正圆形状或直径不符合设计要求，在作业过程中一时难以找到与之相匹配的闭式卡具，甚至出现无法匹配的状况，严重影响了检修作业进度，甚至导致无法按时完工。这些不利因素都严重制约闭式卡具在绝缘子更换工作中的使用。
本文结合贵州电网公司输电运行检修分公司闭式卡具的实际使用经验，在现有闭式卡具基础上，提出一种新的改进设计方法，解决了闭式卡具无法与绝缘子钢帽相匹配的问题，并实现了闭式卡具的通用性。
1 常见绝缘子闭式卡具
目前，针对这一问题已有许多新型卡具的设计。李睿[1]等研制了可拆卸式内卡，根据所更换绝缘子型号选择使用的内卡；汪灵[2]等对传统闭式卡具的受力做了详细分析，前卡固定在绝缘子钢帽前沿，受力方向为指向绝缘子铁脚，后卡固定在绝缘子钢帽圆弧面上，受力方向为背向绝缘子铁脚；谭华章[3]等研制了新型“万用卡具”，集前卡、前卡心、推进梢子、后卡和省力丝杠为一体的新型卡具，根据不同规格绝缘子钢帽的围差，设计9套不同的内卡，适用不同厂家和批次绝缘子的更换；张孝祖等将单片卡具设置为由母卡和连接在母卡内孔的子卡及收紧丝杆组成，其中母卡沿内孔的一半采用活动盖板的连接结构，即活动盖板与母卡一端采用铰销连接，另一端采用与母卡螺栓连接，将子卡设置为两个半圆筒分别固定在母卡内孔和活动盖板内孔内，再将母卡的内孔面与子卡的外套面的接触面设置为锥形面，在子卡的顶端设有支撑台阶，在母卡及活动盖板内孔壁上设置有防脱孔和强力吸附磁铁，并在子卡筒体外壁设置有与防脱孔配合对应的防脱销；付斌等采用固定式外壳与可调节螺栓加分片内胆的方式与钢帽进行配合。
2 新型通用闭式卡具设计
2.1 前、后卡结构设计
2.1.1 前卡夹紧装置的设计
前卡与绝缘子钢帽凸缘连接，夹紧装置受力方向指向绝缘子铁脚，因此前卡较后卡所需要的强度较高，前卡和后卡相比受力方向相反，夹紧机构与钢帽接触面积通常较小，一般为线接触，如果沿用后卡夹紧装置的设计方法将无法保证夹紧的强度，为此需要对夹片进行改进。
为了保证夹片和钢帽之间为线接触，现将夹片的头部做成钩状结构，这一点与传统的闭式卡具的原理相似。夹片下面连接着带有轴孔的连杆，连杆与后卡的基座铰接，T型夹片可以轴向旋转锁紧，从而达到夹紧绝缘子钢帽的目的。
2.1.2 后卡夹紧装置的设计
传统通用闭式卡具在前期设计时在上外卡、下外卡相应位置制作与内卡凸起部分相对应的受力凹槽，在更换绝缘子过程中，可根据绝缘子型号更换内卡，实现更换任意型号绝缘子的更换作业。这种传统式的夹紧机构虽然可以适应一些型号的绝缘子钢帽但不能实现所夹绝缘子尺寸连续可调，在一次作业中需要携带多种型号的内卡而且更换起来费时费力。针对上述情况，现对前卡的夹紧装置进行改进设计。
后卡与绝缘子钢帽连接，夹紧装置受力方向背向绝缘子铁脚，因此后卡较前卡所需要的强度低。夹紧机构与钢帽接触面积通常较大，有局部的面接触，因此与钢帽接触部分应有弧面接触（图1）。
该夹头结构外表面为弧面，能增大和钢帽的贴合度，夹头整体为T字型，长方体的夹片下面连接着带有轴孔的连杆，连杆与后卡的基座铰接，T型夹片可以轴向旋转锁紧，从而达到夹紧绝缘子钢帽的目的。
夹头的动力来自于配套的顶杆，顶杆是由螺杆和长方体的块组成的，外部由蜗轮蜗杆传递动力使顶杆旋转上升，螺杆顶部与顶块是分离的，顶块可以保持不旋转只上升，与夹片的下表面接觸，接触面为弧面可以增加顶块顶起夹片的顺滑度。
2.2 同步传动夹紧机构设计
2.2.1 整体设计
前后卡具夹头夹紧时的同步性是卡具设计的一个难点，夹片夹紧时良好的同步性能保证前后卡夹紧后的可靠性。传统的闭式通用型卡具前后卡具同步性低，同种规格绝缘子公差范围内的尺寸会有变动，以及卡具磨损后尺寸变化将导致卡具无法卡紧。因此需要设计一种能够同步夹紧的传动装置，来保证前后卡具夹紧的同步性。 2.2.2 钢丝软轴结构设计
钢丝软轴它是由几层弹簧钢丝紧绕在一起而成，而每一层又用若干根钢丝卷绕而成。相邻钢丝层的缠绕方向相反。外层钢丝比内层的要选得粗些。当传递转矩时，相邻两层俐丝中的一层趋于绕紧，另一层趋于旋松，使各层钢丝相互压紧。
钢丝软轴主要用于两个传动零件的轴线不在同一直线上，或工作时彼此要求有相对运动的空间传动。也适合于受连续振动的场合以缓和冲击。它的应用范围是：可移式机械化工具，主轴可调位的机床、混凝土振动器、砂轮机、医疗器械、以及里程表、遥控仪等传动中。
软轴安装简便、结构紧凑、工作适应性较强。适用于高转速、小转矩场合。当转速低、转矩大时，从动端的转速往往不均匀，且扭转刚度也不易保证。软轴传递功率范围一般不超过5.5kW，转速可达20000r/min。软轴通常由钢丝软轴、软管、软轴接头和软管接头等几部分组成。按照用途不同，软轴又分功率型（G型）和控制型（K型）两种。功率型软轴一般有防逆转装置，以保证单向传动。钢丝软轴技术规格如图2所示。
本设计由3根公称直径为8mm的钢丝软轴连接3个蜗杆，在蜗杆两端有六角螺钉头可以用六角扳手扳动，任意选择一个蜗杆上的六角螺钉拧动都可以带动另外2个蜗杆旋转，从而实现了3个夹头夹紧的同步过程。
2.2.3 蜗轮蜗杆传动结构设计
蜗杆传动常用于两轴交错、传动比较大、传递功率不太大或间歇工作的场合。当要求传递较大功率时，为提高传动效率，常取Z1=2～4。此外，由于当γ1较小时传动具有自锁性，故常用在卷扬机等起重机械中，起安全保护作用。它还广泛应用在机床、汽车、仪器、冶金机械及其它机器或设备中，其原因是因为使用轮轴运动可以减少力的消耗，从而大力推广。
一般蜗杆与轴制成一体，称为蜗杆轴。蜗轮的结构型式可分为3种形式，具体如下：
1）整体式：用于铸铁和直径很小的青铜蜗轮。
2）齿圈压配式：轮毂为铸鐵或铸钢，轮缘为青铜。
3）螺栓联接式：轮缘和轮毂采用铰制孔，用螺栓联接，这种结构装拆方便。
软轴旋转带动蜗杆旋转，蜗杆旋转带动涡轮在垂直方向旋转，涡轮孔内有内螺纹与顶杆配合实现螺纹传动。
3 结论
本文由现有绝缘子卡具不能满足一次作业中对多个型号绝缘子进行更换的问题引出设计一种夹头同步可调绝缘子更换方法及装置，从前、后卡夹紧装置设计，同步传动夹紧机构设计，蜗轮蜗杆传动结构设计，钢丝软轴结构设计几个主要方面进行了设计。
参考文献
[1] 李睿，尹维崴，张玉峰等.万能绝缘子卡具研制与应用[J].科技创新与生产力，2015（12）：102-103.
[2] 汪里，岳灵平，方书博等.500kV直流线路棒形悬式瓷绝缘子闭式卡具设计[J].电瓷避雷器，2013（6）：20-23.
[3] 谭华章，梁威，陶少乐.输电线路中新型万用卡具的研制与应用[J].江苏科技信息，2015（36）：55-56.
基金项目：国家自然科学基金（51305232）。