输电塔架联接螺栓横向振动试验研究∗

赵建平，张姚斌，王春耀

(1.国网新疆电力公司电力科学研究院，新疆乌鲁木齐830011；2.新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐830047)

0 前言

螺栓连接由于拆装方便、工作可靠、便于检查等诸多优点，成为塔架与地基连接必不可少的零件[1,2]，螺栓联结的可靠性直接关系到输电线路的安全．由于螺栓的工作条件恶劣，且在风载作用下，导线产生振动和舞动，使得塔架螺栓承受复杂载荷的综合作用，其失效形式多为自身的松脱和疲劳破坏[3−6]．在一般情况下，螺纹件的疲劳损坏寿命远比自身的振动脱落寿命要长，也就是说在螺栓疲劳损坏之前就已经出现了松动[7]．

刘岳燕等研究证实[8]，横向振动载荷比轴向振动载荷更容易引起螺栓的松动．由螺纹联接的基本理论可知，在同等夹紧力下，拧紧螺母所需要的力矩要大于拧松螺母所需要的力矩．所以横向振动产生的横向力，使螺母沿着螺栓松动的方向移动，长时间的振动导致螺母自动脱落[9]．文献[10,11]研究证实，横向振动载荷比轴向振动载荷更容易引起螺栓的松动．Nassar和他的同事研究表明[12]，螺栓松动是因为在振动过程中螺纹发生了不可逆的塑性变形．Hess等研究表明在螺栓振动时，夹紧力的下降与振幅、振动频率以及接触螺纹的磨损有关[13]．基于以上特点，对螺栓联接横向振动工况下的松动行为进行分析与研究就具有很重要的意义．

近年来，吐-哈输电线路上多次出现倒塔现象，通过分析发现，除了风速过大造成破坏之外，塔架连接处的螺栓工作环境恶劣和风载作用，导致螺栓松动、铁塔刚度降低，进而发生倒塔现象．所以探究横向振动对螺栓连接松弛的影响十分必要．本文采用紧固件松弛试验机来模拟真实工况，研究螺栓连接横向振动情况下载荷的衰减状况，并通过实验周期曲线研究夹紧力与振动次数之间的关系．

1 横向振动实验

1.1 实验设备介绍

紧固件松弛试验机采用GB/T10431-2008标准设计，试验机主要有电机、振动台、夹具、数据采集系统以及主控操作柜等组成．数据采集系统通过压力传感器、速度传感器、加速度传感器等进行采集．主控操作柜可以对振动频率、振动振幅进行控制并记录振动曲线．

螺栓松动试验在紧固件横向振动试验机上进行．图1为FPL-600型紧固件横向振动试验机，试验参数的设置、控制以及结果的输出都由试验机自动完成．图2为螺栓联接横向振动示意图．螺纹联接的左夹板固定且与螺栓头之间设有压力传感器，左右夹板之间为干摩擦状态．实验前先拧紧螺母，其压力值等于螺栓所受的合力．其值等于夹板所受的压力值，通过压力传感器测得．电机通过调整偏心距对振幅进行控制．右夹板往复运动所受的阻力为螺栓变形的弯曲应力与夹板的剪切力．记录实验数据，夹紧力的衰减过程即为螺栓的松动过程．

图1 FPL-600型紧固件横向振动试验机平台

图2 试验机螺栓联接示意图

为了试验结果的可靠，本次试验选择相同的试验条件和外部环境（常温和常压）,且联接件之间均处于干摩擦状态．共选240个螺栓，分为24组，每组10个螺栓，进行试验并记录数据．本次试验的仪器与设备流程图如图3所示．试验能够满足要求所需的频率和振幅，横向振动波为正弦形式．

2 单因素工作载荷形式对螺栓松动的影响

2.1 预紧力对螺栓联接松动的影响

依据国标紧固件扭矩-预紧力规定，为防止螺栓整体塑性变形，设置螺栓联接预紧力分别为70kN、60kN、55kN、50kN、45kN，振幅为0.8mm，频率为12Hz，振动次数为5 000次，分析初始预紧力对螺栓联接松动的影响．通过试验机轴向力传感器记录每次横向振动螺栓联接结构的夹紧力，绘制曲线．图4为初始预紧力对螺栓联接结构松动的影响．

图3 工作流程图

图4 预紧力对螺栓联接结构松动的影响

分析图4可得，在预紧力为55kN时，残余预紧力最大；预紧力为60kN时，预紧力在振动次数大约200次左右以前下降，较预紧力55kN时慢，在后期残余预紧力下降超过初始预紧力为55kN的螺栓联接，残余夹紧力也随之减少；初始预紧力为70kN时，预紧力下降比较快且在振动次数大约为500次时出现夹紧力的突然下降．当预紧力小于55 kN时，随着预紧力的增大残余夹紧力越大；当预紧力大于55 kN时，随着预紧力的增大，残余夹紧力减小．

图5 不同预紧力情况下螺纹啮合面的磨损状况

图5为振动试验后不同预紧力螺纹啮合面的磨损50倍形貌图．分析图5可知，图5(a)为初始预紧力70kN时的螺纹表面形貌图．从标记部分可以看出，第一圈螺纹被破坏，螺母与螺栓出现轴向移动，且螺纹表面磨损比较严重；这是因为预紧力越大，螺纹啮合面之间的摩擦力越大，越不容易发生滑移，但预紧力过大会造成螺纹的损坏，从而使得螺纹的承载能力下降，当横向振动次数达到一定数值时出现夹紧力的突然下降．图5(b)为初始预紧力55kN时的螺纹表面形貌图．由图标记部分可见，螺纹表面出现不同程度的磨损，没有出现螺纹断裂的现象，说明整个螺纹在受到横向载荷作用时起到了抑制运动的效果，即螺栓的预紧力减少最少．

综合上述分析可知:55kN、60kN、50kN为相对减少较少的三个预紧力．

2.2 振幅对螺栓联接松动的影响

改变横向振动的振幅，将振幅分别设置为0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm、1.6 mm、2.0mm，预紧力为55kN，振动频率为12Hz，振动5 000次，分析振幅对螺栓联接松动的影响．图6为不同振幅对螺栓联接结构松动的影响．

图6 振幅对螺栓联接结构松动的影响

通过分析图6，从图中可以看出，在5 000次横向振动次数下，当振幅为0.4mm、0.8mm时，松动曲线下降不大，且在振动后期比较平稳，近乎与横坐标平行；当振幅为1.2mm、1.6mm、2.0mm时，夹紧力下降较快，且在后期还处于下降趋势；总体而言，随着振幅的增加，残余预紧力逐渐减小，即螺栓松动的程度增加；且振幅越大，夹紧力下降越快．当振幅为1.2mm时，经过500次振动，螺栓的夹紧力下降25.64%，经过400到5 000次螺栓夹紧力的下降率仅为10.05%，即在横向振动情况下，初期预紧力下降较快．

图7 不同振幅情况下螺纹啮合面的磨损形貌图

图7为振动试验后不同振幅的螺纹啮合面的磨损200倍形貌图．从图7(a)振幅0.4mm时的螺纹表面磨损形貌图可以看出，螺纹表面磨损较轻．从图7(b)振幅1.2mm时螺纹表面磨损形貌图可以看出，螺纹表面有不同程度的擦伤，且磨损较为严重，出现剥层、粘接现象．从图7(c)振幅为2.0mm时螺纹表面磨损形貌图，对比局部标记可知，螺纹表面磨损严重，出现明显的划痕，剥层、粘接现象较为严重且磨损不均匀．这是因为在螺栓联接初期，由于较大的预紧力和螺纹接触面的不均匀，实际接触面积很小，造成集中应力过大，再加上局部滑移，产生瞬间的温度过高，造成局部区域焊死，从而造成表面镀层的脱落；由此可知，在横向振动前期，螺栓联接受到变载荷作用下发生塑性变形，夹紧力极速下降．经过循环加载，逐渐进入稳定阶段；且在相同的实验参数下，随着振幅的不断增大，螺纹牙的塑性变形越大，且接触面之间的滑移变大，更加加剧了磨损，从而进一步促使夹紧力减小．

综上所述，0.4mm、0.8mm、1.2mm为预紧力相对减少较少的三个振幅．

2.3 振动频率对螺栓联接松动的影响

设置螺栓联接的频率分别为4Hz、6Hz、8Hz、10Hz、12Hz，预紧力为55kN，振幅为0.8mm,振动次数为5 000次，分析振动频率对螺栓联接松动的影响．图8为不同频率对螺栓联接结构松动的影响．

图8 频率对螺栓联接结构松动的影响

从图8可以看出，在振动频率为12Hz时，夹紧力下降比较小，且明显好于其它频率．当频率为10Hz、8 Hz、6Hz时，夹紧力下降曲线相差不大；振动频率为12Hz时，夹紧力下降明显小于其它频率．随着振动频率的增大，残余预紧力越大．

图9 不同频率情况下螺纹啮合面的磨损形貌图

图9为振动试验后不同频率的螺纹啮合面磨损形貌图．从图9标记部分可以看出，a、b、c图振动频率分别为12Hz、8Hz、4Hz时的螺纹表面形貌图，螺纹接触面磨损均出现不同的划痕和剥层现象，随着振动频率的减小，磨损更为严重．这是因为横向振动时螺栓弯曲，表面接触磨损比较严重，表面颗粒的快速脱落，不仅可以消除接触表面形成的裂纹，还可以大大降低裂纹的形成．在其它相同试验参数下，低频状态，造成螺栓联接结构接触面接触较长的时间，使得接触面磨损更为严重．

综上所述，12Hz、10Hz、8Hz为预紧力相对减少较少的三个振动频率．

3 结论

由以上试验和分析可知：本文采用实验的方法研究了预紧力、振幅对夹紧力的影响．进一步讨论了螺栓发生松动的原因．主要得出以下几点原因：

（1）横向振动时，随着振动次数的增加，夹紧力不断减少，且在前期减少比较快，后期比较缓慢．且振幅越大夹紧力衰减的越快；随着振动频率的增大，残余预紧力越大．

（2）总体来看，预紧力越大，夹紧力衰减越小，但预紧力过大会使螺纹损坏，不利于螺栓防松．

（3）在横向振动下螺栓联接结构夹紧力下降主要是由于在振动初期的塑性变形和稳定阶段接触面的磨损．

（4）由于螺纹的接触不均匀，导致螺纹接触面的损伤程度也不同，主要表现为接触面的划伤、剥层和粘接．进一步表明接触面的磨损是螺栓松动的主要原因．

（5）在工程实际应用中，可以通过在螺栓表面喷镀高摩擦系数的金属来提高螺栓啮合处耐磨性，且在螺栓连接时采用防措施增加其使用寿命．

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