输电铁塔螺栓紧固特性影响因素试验研究

导读

作者：刘光辉，伍川，吕中宾，杨晓辉，叶中飞(国网河南省电力公司电力科学研究院，郑州)

来源：《现代制造技术》年3月

摘要：为了保障输电铁塔螺栓连接的可靠性，基于试验方法对影响输电铁塔螺栓紧固特性的关键因素进行研究，以典型的输电铁塔用M16和M20规格6．8强度等级螺栓为研究对象，通过开展不同参数条件下螺栓的静态预紧力和振动条件下螺栓松动特性测试，确定影响螺栓静、动态紧固特性的主要因素。首先基于螺栓静态预紧力测试系统，研究了不同扭矩、表面粗糙度、表面镀锌以及润滑等因素对螺栓连接轴向静态预紧力的影响规律，结果表明，施工扭矩与螺栓静态预紧力近似呈线性关系，在相同施工扭矩下，表面镀锌会导致静态预紧力减小，而表面润滑可大幅提升预紧力;进而研究了螺栓连接在振动下的松动特性，基于横向振动试验机，研究振动幅值、频率以及初始预紧力等因素对螺栓松动特性的影响规律，明确不同条件下螺栓松动机制。试验研究结果表明，随着振动幅值增大，螺栓残余预紧力显著下降，但振动频率对螺栓动态特性影响微弱;对螺栓表面进行润滑会造成残余紧固力降低;此外，螺栓的松动概率和数据离散性随初始预紧力的增加而降低，这对预防输电铁塔用螺栓松动有着积极意义。

0引言

随着电网的快速发展，输电线路电压等级不断提高，输电铁塔的种类和数量不断增加。在长期复杂恶劣载荷工况条件下，铁塔产生的故障问题也越来越多。螺栓连接具有可靠性强、施工方便等优势，在输电铁塔的连接结构中得到了广泛应用［1-2］。但在舞动、强阵风等交变载荷作用下，输电铁塔螺栓松动和脱落已经成为引起输电线路故障的重要原因，输电铁塔螺栓连接失效引起倒塔事故如图1所示。

为使螺栓在服役过程中可靠连接，需保证螺栓具有合适的轴向预紧，螺栓预紧主要取决于施工扭矩的大小。

文献［3］采用实验方法对螺栓预紧力进行测试，得到拧紧力矩和螺栓预紧力的关系，并计算得到螺栓扭矩系数，进而对螺栓拧紧过程中的失效原因进行分析和评估。

文献［4］采用应变片测试方法，对螺栓连接结构进行了预紧力实验，并通过与经验公式计算结果比较，验证了预紧力测试方法的合理性，并对拧紧力矩作用下的预紧力及其响应规律进行了分析。

文献［5］基于试验测试方法分析了拧紧速度对螺栓拧紧特性的影响，对不同拧紧速度下螺纹紧固件摩擦系数和转矩-预紧力关系进行了实验测试分析，证明了摩擦系数随着拧紧速度的增大而减小并逐渐趋于稳定。

文献［6］对润滑不充分的螺栓连接紧固扭矩进行了分析及实验验证，证明了在需要严格控制螺栓预紧力的场合，应考虑螺纹润滑状态改变对螺栓预紧力的影响。

文献［7］基于有限元仿真分析方法，对不同力矩、摩擦系数及材料弹性模量参数下的螺栓预紧力进行了计算分析。

螺栓的防松能力是输电铁塔可靠性的重要保障，在螺栓连接静态预紧研究的基础上，国内外学者对长期动态载荷作用下螺栓的防松特性也开展了大量研究。

文献［8］采用实验方法，通过对螺栓施加循环横向剪切载荷研究了螺栓振动下的松弛特性，分析了螺栓预紧力、循环次数等对螺栓松弛特性的影响规律，同时研究表明，预紧力过大可能会导致螺栓连接的疲劳失效。

文献［9］基于精细化三维有限元分析模型对旋转载荷下的螺栓连接松弛过程特性进行了研究，并分析了摩擦系数对螺栓连接松弛特性的影响。

文献［10］利用振动试验台，对输电铁塔常用螺栓连接施加横向交替变化激励，研究螺栓连接振动状态下的松动情况，并提出了螺栓连接的防松措施。

文献［11］通过模拟振动环境，采用试验方法研究了螺栓连接在不同预紧力下的松动情况。

目前国内外针对螺栓的连接特性已有一定的研究基础，但对输电铁塔螺栓连接的静态和动态紧固特性的影响试验研究尚不全面。

本文基于试验测试方法，以输电铁塔常用螺栓为研究对象，对螺栓连接的静态紧固特性和振动下的动态松动特性进行系统试验测试，分析不同因素影响下的螺栓连接紧固特性变化规律，为输电铁塔螺栓连接的可靠性提升提供支撑。1螺栓静态紧固特性试验研究

输电铁塔螺栓连接件在风载荷作用下会有相对运动趋势，但由于螺栓连接的静态预紧力在连接件接触面产生抵抗摩擦力，使得连接件之间不会出现错动位移。螺栓连接的静态预紧力是连接件可靠性的重要保障，本节将通过开展一系列试验，对影响螺栓拧紧预紧力的影响因素进行研究。

1．1施工扭矩对螺栓静态预紧力影响

本文通过将ZLF-A型轮辐式力传感器(最大量程为kN)与待测螺栓装配在一起，通过传感器输出不同工况扭矩作用下螺栓所受预紧力测试结果，螺栓连接静态预紧力试验测试装置如图2所示。

本节采用M16规格6．8强度等级的螺栓进行试验，根据国家标准规范要求，螺栓标准施工扭矩T=80N·m。为了分析不同施工扭矩下螺栓静态紧固特性，分别对施加0．6T(48N·m)、0．8T(64N·m)、1．0T(80N·m)、1．2T(96N·m)、1．5T(N·m)、1．8T(N·m)及2T(N·m)等不同扭矩工况下的螺栓进行预紧力试验测试，经过分析筛选、剔除异常数据后，最终得到了个有效测试结果。

分别对不同施工扭矩下螺栓测试样本的静态预紧力进行数理统计分析，得到如图3所示的不同扭矩下螺栓预紧力分布情况，并给出了其正态拟合曲线。分析结果表明，不同施工扭矩作用下螺栓预紧力的分布满足正态分布条件，说明试验测试结果的可靠性。

不同施工扭矩下的螺栓预紧力随施加扭矩变化规律如图4所示，由数据结果可知，螺栓预紧力随施工扭矩的增加而增大，且近似呈线性正相关。

1．2表面粗糙度对螺栓静态预紧力影响

本节利用图5所示的白光干涉表面三维形貌测量仪开展对60组M16螺栓表面粗糙度的测量工作，研究了表面粗糙度对螺栓静态预紧力的影响。

将所有60组被测螺栓进行编号，利用白光干涉表面三维形貌测量仪得到各被测螺栓的三维表面轮廓，并通过仪器内部处理系统可得到被测螺栓的表面粗糙度，在被测螺栓表面选取3块不同区域进行测量，并取3个区域的表面粗糙度平均值作为螺栓表面粗糙度Ｒa等效值，螺栓表面粗糙度测试结果如表1所示。

采用与本文第1．1节相同的螺栓静态预紧力测试方法，对所选取的60组被测螺栓施加80N·m的力矩，并进行预紧力测试。螺栓表面粗糙度Ｒa与静态预紧力F的对应关系如图6所示。

试验测试结果表明，螺栓表面粗糙度和静态预紧力的离散性较大，进一步对二者的相关性进行分析，采用皮尔逊相关系数计算方法，螺栓表面粗糙度和静态预紧力的相关系数r可表示为:

式中:Ｒa和F分别为所有螺栓样本的表面粗糙度Ｒa和静态预紧力F的平均值。

基于测试数据进行计算，相关系数r=0．，表明螺栓表面粗糙度和静态预紧力基本无相关性。试验测试结果分析表明，在本文所采用的试验方法和试验精度条件下，螺栓表面粗糙度对螺栓静态预紧力无明显影响。

1．3表面镀锌对螺栓静态预紧力影响

为探究螺栓表面镀锌对其静态预紧力的影响规律，本文选用输电铁塔用M16规格6．8强度等级的螺栓进行研究，采用80N·m施工扭矩，分别设置镀锌和未镀锌两组对比试验，得到镀锌及未镀锌螺栓静态预紧力测试结果，如图7所示。

由图7所示测试数据可知，未镀锌样件螺栓静态预紧力均值为24．2kN，镀锌样件螺栓静态预紧力均值为12．4kN，镀锌后静态预紧力降低幅度达48．8%。从静态预紧力角度分析，螺栓镀锌后会造成静态预紧力下降，但螺栓镀锌措施可显著提高螺栓的防腐蚀性能，对螺栓连接件的运行可靠性有显著提升。

1．4表面润滑对螺栓(镀锌)静态预紧力影响

目前，输电线路相关的技术规范还没有对输电铁塔安装过程中连接螺栓是否采用润滑进行明确规定。而现场实际施工过程中对螺栓进行润滑可以改善螺栓表面的摩擦特性，防止螺栓抱紧从而降低施工难度，但在安装时对螺栓进行润滑是否对其静态预紧力产生影响，还需进一步进行研究。

为研究铁塔安装过程中螺栓润滑条件对其静态预紧力的影响规律，项目组选用了机油、黄油和洗洁精3种不同的润滑剂作为试验条件，实施了对M16规格6．8强度等级的输电铁塔紧固螺栓的静态预紧力进行测试，施加拧紧扭矩为80N·m，定量对比了润滑和非润滑条件对螺栓静态预紧力的影响，同时分析不同润滑剂对螺栓静态预紧力的影响规律。

螺栓的润滑试验分两步进行。首先，将所有待测螺栓进行清洗，去除其表面污物、杂质等覆着物，排除干扰因素;然后，在螺纹表面涂抹黄油或使用机油、洗洁精进行浸润。在螺栓的润滑工作完成后，对其进行静态预紧力试验测试。对试验测试数据进行分析可知，对螺栓表面采用润滑处理后，相同拧紧力矩条件下，螺栓静态预紧力有显著提升，黄油润滑对螺栓预紧力影响如图8所示;机油润滑对螺栓预紧力影响如图9所示;洗洁精润滑对螺栓预紧力影响如图10所示。

试验中未采用润滑处理的螺栓静态预紧力均值为12．4kN;螺栓表面涂抹黄油进行润滑，测得静态预紧力均值为26．4kN，比未润滑螺栓静态预紧力提升．9%;采用机油浸润后螺栓静态预紧力测试均值为29．3kN，比未润滑螺栓静态预紧力提升．3%;采用洗洁精对螺栓进行浸润润滑后，测得螺栓静态预紧力均值为21．7kN，比未润滑螺栓静态预紧力提升75．0%，不同润滑方式对螺栓预紧力影响对比如图11所示。

不同润滑方式下螺栓静态预紧力测试分析结果表明，采用润滑方式后螺栓静态预紧力有着明显提升，通过横向对比不同润滑方式下螺栓静态预紧力提升效果可知，采用机油浸润方式对螺栓进行润滑处理，对静态预紧力的提升效果最为显著。

2螺栓松动特性试验研究

本节通过开展不同参数条件下螺栓防松性能测试，确定影响螺栓松动的主要因素。基于横向振动试验机及低温横向振动试验系统，以典型的M20规格6．8强度等级螺栓为研究对象，采用横向振动试验方法，研究振动幅值、振动频率、温度以及初始预紧力等对螺栓松动特性的影响规律，明确不同条件下螺栓松动机制。

现有紧固件联接的横向振动试验条件及方法是对螺栓经过次(或0次)的振动后以螺栓的残余预紧力为衡量指标，这与以衡量螺栓松转(预紧力完全丧失至0)的振动次数或时间略有不同。事实上输电铁塔微风振动或导线舞动引起振动的持续时间一般较长，尤其是导线舞动持续时间可以数小时甚至数十小时，因此当前的横向振动试验方法可用来衡量螺栓防松效果，但与输电铁塔的实际振动还有一定差别。

本文研究所用的振动试验机主要由振动主机、液压系统、微机及电气控制系统组成，螺栓横向振动试验机如图12所示，通过对螺栓连接组件进行横向振动试验对连接性能进行评估。

试验机输出的振动载荷可调，试验系统支持输出包括正弦波、方波、三角波、斜波以及外部输入波形在内的各种载荷，且输出振动频率可根据试验需求进行调节。试验机的载荷调节有负荷、位移及变形等多种控制方式，可开展相同振动次数的剩余预紧力评估，也可开展预紧力完全丧失的持续振动时间评估等试验内容。

根据输电铁塔螺栓连接实际应用工况，制定了相关试验方案参数。试验采用横向振动试验方法研究M20规格6．8强度等级螺栓在振动条件下预紧力的变化规律。螺栓预紧力为20%Fm(Fm为螺栓最小拉断力，对于M20规格6．8强度等级的螺栓，Fm=kN)，振动幅值s=±1mm，振动频率f=12．5Hz，试验温度T温=(20±5)℃(室温)。

为了明确螺栓预紧力随振动次数的变化规律，在上文已确定的试验参数下，对4个螺栓样件进行次的横向振动试验测试，不同螺栓样件预紧力随振动次数变化规律如图13所示。

试验结果表明，3种振动频率试验条件下，螺栓的残余预紧力均超过初始预紧力的80%，螺栓的残余预紧力与初始预紧力比值的均值较接近，分布也较相似，没有呈现明显的差别。在试验设定频率变化范围内，紧固件预紧力的变化较小或者说并不明显，同时也说明在常规振动频率下，频率不是主要影响输电塔用热镀锌螺栓松动的主要因素。

2．3初始预紧力对螺栓松动特性影响

根据试验方案，本节首先采用横向振动试验方法研究M20规格6．8强度等级螺栓在不同初始预紧力下的松动特性。设定螺栓初始预紧力分别为10%×Fm、20%Fm、30%Fm、40%Fm和50%Fm。振动幅值s=±1mm，振动频率f=12．5Hz，试验温度T温=(20±5)℃(室温)，不同初始预紧力下螺栓残余预紧力与初始预紧力之比如图18所示;不同初始预紧力下螺栓残余预紧力与初始预紧力均值之比如图19所示。

试验结果表明，在测试范围内预紧力越大，输电塔用螺栓残余预紧力越大，当预紧力大于30%Fm时，残余预紧力均大于初始安装预紧力的75%，具有很好的防松性能。当螺栓预紧力为40%Fm和50%×Fm时，螺栓残余预紧力最高，为初始安装预紧力的85%以上。相反，当预紧力为10%Fm和20%Fm时，残余预紧力均值分别为初始安装预紧力的43．6%和53．2%。

因此，预紧力越大，螺栓松动的概率越小，数据离散性越小，这对预防输电铁塔用螺栓松动有重要意义。但预紧力不是越大越好，前期螺栓扭断试验表明，螺栓扭断破坏力约为最小拉断力标称值的55%以上，但不排除性能差异较大的热镀锌螺栓在最小拉断力的50%状态下发生断裂的可能。

2．4润滑对螺栓松动特性影响

根据设定的试验方案，本节采用横向振动试验方法研究M20规格6．8强度等级的螺栓在无润滑和黄油润滑条件下的变化规律。螺栓预紧力为40%Fm和50%Fm，振动幅值s=±1mm，振动频率f=12．5Hz，试验温度T温=(20±5)℃(室温)，振动次数为次。由图20所示的不同润滑方式下螺栓残余预紧力与初始预紧力均值之比可知，M20规格6．8强度等级的螺栓在无润滑的条件下，在给定的测试条件下，40%Fm和50%Fm工况下螺栓残余预紧力分别为初始安装预紧力的85．9%和87．1%。

在润滑条件下，在40%Fm和50%Fm初始预紧力时，螺栓残余预紧力为初始安装预紧力的70．3%和72．7%，低于同等条件下无润滑螺栓的85．9%和87．1%。由此说明，螺栓润滑会降低螺栓的防松性能，导致其残余预紧力降低。

3结语

本文采用试验测试方法，系统地研究了输电铁塔螺栓连接的静态和动态紧固特性，分析了施工扭矩、表面粗糙度、表面润滑及表面镀锌等因素对螺栓静态预紧力的影响规律，并研究了螺栓在不同振幅、频率、初始预紧以及润滑条件下的松动规律，本文研究可为输电线路运行安全提供重要技术和数据支撑。基于本文研究结果，主要结论如下。

1)不同因素影响下的螺栓静态预紧力测试结果表明，施工扭矩与螺栓静态预紧力近似呈线性关系;在相同施工扭矩下，表面镀锌会导致螺栓静态预紧力减小，而表面润滑可大幅提升螺栓静态预紧力。

2)不同因素影响下的螺栓振动松动特性测试结果表明，随着振动幅值的增大，螺栓残余预紧力显著下降，而振动频率对螺栓动态特性影响微弱;对螺栓表面进行润滑会造成残余预紧力降低。此外，螺栓松动概率和数据离散性随初始预紧力增加而降低。

3)不同工况因素对螺栓的静态紧固特性和动态紧固特性影响规律有一定差异，在具体施工方案制定过程中，需根据实际服役环境特征进行综合考虑，保证输电铁塔螺栓连接的可靠性。

本

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