趙建平，張姚斌，王春耀

(1.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊830011；2.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047)

0 前言

螺栓連接由于拆裝方便、工作可靠、便于檢查等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為塔架與地基連接必不可少的零件[1,2]，螺栓聯(lián)結(jié)的可靠性直接關(guān)系到輸電線路的安全．由于螺栓的工作條件惡劣，且在風(fēng)載作用下，導(dǎo)線產(chǎn)生振動(dòng)和舞動(dòng)，使得塔架螺栓承受復(fù)雜載荷的綜合作用，其失效形式多為自身的松脫和疲勞破壞[3?6]．在一般情況下，螺紋件的疲勞損壞壽命遠(yuǎn)比自身的振動(dòng)脫落壽命要長(zhǎng)，也就是說(shuō)在螺栓疲勞損壞之前就已經(jīng)出現(xiàn)了松動(dòng)[7]．

劉岳燕等研究證實(shí)[8]，橫向振動(dòng)載荷比軸向振動(dòng)載荷更容易引起螺栓的松動(dòng)．由螺紋聯(lián)接的基本理論可知，在同等夾緊力下，擰緊螺母所需要的力矩要大于擰松螺母所需要的力矩．所以橫向振動(dòng)產(chǎn)生的橫向力，使螺母沿著螺栓松動(dòng)的方向移動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)導(dǎo)致螺母自動(dòng)脫落[9]．文獻(xiàn)[10,11]研究證實(shí)，橫向振動(dòng)載荷比軸向振動(dòng)載荷更容易引起螺栓的松動(dòng)．Nassar和他的同事研究表明[12]，螺栓松動(dòng)是因?yàn)樵谡駝?dòng)過(guò)程中螺紋發(fā)生了不可逆的塑性變形．Hess等研究表明在螺栓振動(dòng)時(shí)，夾緊力的下降與振幅、振動(dòng)頻率以及接觸螺紋的磨損有關(guān)[13]．基于以上特點(diǎn)，對(duì)螺栓聯(lián)接橫向振動(dòng)工況下的松動(dòng)行為進(jìn)行分析與研究就具有很重要的意義．

近年來(lái)，吐-哈輸電線路上多次出現(xiàn)倒塔現(xiàn)象，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，除了風(fēng)速過(guò)大造成破壞之外，塔架連接處的螺栓工作環(huán)境惡劣和風(fēng)載作用，導(dǎo)致螺栓松動(dòng)、鐵塔剛度降低，進(jìn)而發(fā)生倒塔現(xiàn)象．所以探究橫向振動(dòng)對(duì)螺栓連接松弛的影響十分必要．本文采用緊固件松弛試驗(yàn)機(jī)來(lái)模擬真實(shí)工況，研究螺栓連接橫向振動(dòng)情況下載荷的衰減狀況，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)周期曲線研究夾緊力與振動(dòng)次數(shù)之間的關(guān)系．

1 橫向振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹

緊固件松弛試驗(yàn)機(jī)采用GB/T10431-2008標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)機(jī)主要有電機(jī)、振動(dòng)臺(tái)、夾具、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及主控操作柜等組成．?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)壓力傳感器、速度傳感器、加速度傳感器等進(jìn)行采集．主控操作柜可以對(duì)振動(dòng)頻率、振動(dòng)振幅進(jìn)行控制并記錄振動(dòng)曲線．

螺栓松動(dòng)試驗(yàn)在緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行．圖1為FPL-600型緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置、控制以及結(jié)果的輸出都由試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)完成．圖2為螺栓聯(lián)接橫向振動(dòng)示意圖．螺紋聯(lián)接的左夾板固定且與螺栓頭之間設(shè)有壓力傳感器，左右?jiàn)A板之間為干摩擦狀態(tài)．實(shí)驗(yàn)前先擰緊螺母，其壓力值等于螺栓所受的合力．其值等于夾板所受的壓力值，通過(guò)壓力傳感器測(cè)得．電機(jī)通過(guò)調(diào)整偏心距對(duì)振幅進(jìn)行控制．右?jiàn)A板往復(fù)運(yùn)動(dòng)所受的阻力為螺栓變形的彎曲應(yīng)力與夾板的剪切力．記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，夾緊力的衰減過(guò)程即為螺栓的松動(dòng)過(guò)程．

圖1 FPL-600型緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)平臺(tái)

圖2 試驗(yàn)機(jī)螺栓聯(lián)接示意圖

為了試驗(yàn)結(jié)果的可靠，本次試驗(yàn)選擇相同的試驗(yàn)條件和外部環(huán)境（常溫和常壓）,且聯(lián)接件之間均處于干摩擦狀態(tài)．共選240個(gè)螺栓，分為24組，每組10個(gè)螺栓，進(jìn)行試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)．本次試驗(yàn)的儀器與設(shè)備流程圖如圖3所示．試驗(yàn)?zāi)軌驖M足要求所需的頻率和振幅，橫向振動(dòng)波為正弦形式．

2 單因素工作載荷形式對(duì)螺栓松動(dòng)的影響

2.1 預(yù)緊力對(duì)螺栓聯(lián)接松動(dòng)的影響

依據(jù)國(guó)標(biāo)緊固件扭矩-預(yù)緊力規(guī)定，為防止螺栓整體塑性變形，設(shè)置螺栓聯(lián)接預(yù)緊力分別為70kN、60kN、55kN、50kN、45kN，振幅為0.8mm，頻率為12Hz，振動(dòng)次數(shù)為5 000次，分析初始預(yù)緊力對(duì)螺栓聯(lián)接松動(dòng)的影響．通過(guò)試驗(yàn)機(jī)軸向力傳感器記錄每次橫向振動(dòng)螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)的夾緊力，繪制曲線．圖4為初始預(yù)緊力對(duì)螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)松動(dòng)的影響．

圖3 工作流程圖

圖4 預(yù)緊力對(duì)螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)松動(dòng)的影響

分析圖4可得，在預(yù)緊力為55kN時(shí)，殘余預(yù)緊力最大；預(yù)緊力為60kN時(shí)，預(yù)緊力在振動(dòng)次數(shù)大約200次左右以前下降，較預(yù)緊力55kN時(shí)慢，在后期殘余預(yù)緊力下降超過(guò)初始預(yù)緊力為55kN的螺栓聯(lián)接，殘余夾緊力也隨之減少；初始預(yù)緊力為70kN時(shí)，預(yù)緊力下降比較快且在振動(dòng)次數(shù)大約為500次時(shí)出現(xiàn)夾緊力的突然下降．當(dāng)預(yù)緊力小于55 kN時(shí)，隨著預(yù)緊力的增大殘余夾緊力越大；當(dāng)預(yù)緊力大于55 kN時(shí)，隨著預(yù)緊力的增大，殘余夾緊力減?。?/p>

圖5 不同預(yù)緊力情況下螺紋嚙合面的磨損狀況

圖5為振動(dòng)試驗(yàn)后不同預(yù)緊力螺紋嚙合面的磨損50倍形貌圖．分析圖5可知，圖5(a)為初始預(yù)緊力70kN時(shí)的螺紋表面形貌圖．從標(biāo)記部分可以看出，第一圈螺紋被破壞，螺母與螺栓出現(xiàn)軸向移動(dòng)，且螺紋表面磨損比較嚴(yán)重；這是因?yàn)轭A(yù)緊力越大，螺紋嚙合面之間的摩擦力越大，越不容易發(fā)生滑移，但預(yù)緊力過(guò)大會(huì)造成螺紋的損壞，從而使得螺紋的承載能力下降，當(dāng)橫向振動(dòng)次數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)出現(xiàn)夾緊力的突然下降．圖5(b)為初始預(yù)緊力55kN時(shí)的螺紋表面形貌圖．由圖標(biāo)記部分可見(jiàn)，螺紋表面出現(xiàn)不同程度的磨損，沒(méi)有出現(xiàn)螺紋斷裂的現(xiàn)象，說(shuō)明整個(gè)螺紋在受到橫向載荷作用時(shí)起到了抑制運(yùn)動(dòng)的效果，即螺栓的預(yù)緊力減少最少．

綜合上述分析可知:55kN、60kN、50kN為相對(duì)減少較少的三個(gè)預(yù)緊力．

2.2 振幅對(duì)螺栓聯(lián)接松動(dòng)的影響

改變橫向振動(dòng)的振幅，將振幅分別設(shè)置為0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm、1.6 mm、2.0mm，預(yù)緊力為55kN，振動(dòng)頻率為12Hz，振動(dòng)5 000次，分析振幅對(duì)螺栓聯(lián)接松動(dòng)的影響．圖6為不同振幅對(duì)螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)松動(dòng)的影響．

圖6 振幅對(duì)螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)松動(dòng)的影響

通過(guò)分析圖6，從圖中可以看出，在5 000次橫向振動(dòng)次數(shù)下，當(dāng)振幅為0.4mm、0.8mm時(shí)，松動(dòng)曲線下降不大，且在振動(dòng)后期比較平穩(wěn)，近乎與橫坐標(biāo)平行；當(dāng)振幅為1.2mm、1.6mm、2.0mm時(shí)，夾緊力下降較快，且在后期還處于下降趨勢(shì)；總體而言，隨著振幅的增加，殘余預(yù)緊力逐漸減小，即螺栓松動(dòng)的程度增加；且振幅越大，夾緊力下降越快．當(dāng)振幅為1.2mm時(shí)，經(jīng)過(guò)500次振動(dòng)，螺栓的夾緊力下降25.64%，經(jīng)過(guò)400到5 000次螺栓夾緊力的下降率僅為10.05%，即在橫向振動(dòng)情況下，初期預(yù)緊力下降較快．

圖7 不同振幅情況下螺紋嚙合面的磨損形貌圖

圖7為振動(dòng)試驗(yàn)后不同振幅的螺紋嚙合面的磨損200倍形貌圖．從圖7(a)振幅0.4mm時(shí)的螺紋表面磨損形貌圖可以看出，螺紋表面磨損較輕．從圖7(b)振幅1.2mm時(shí)螺紋表面磨損形貌圖可以看出，螺紋表面有不同程度的擦傷，且磨損較為嚴(yán)重，出現(xiàn)剝層、粘接現(xiàn)象．從圖7(c)振幅為2.0mm時(shí)螺紋表面磨損形貌圖，對(duì)比局部標(biāo)記可知，螺紋表面磨損嚴(yán)重，出現(xiàn)明顯的劃痕，剝層、粘接現(xiàn)象較為嚴(yán)重且磨損不均勻．這是因?yàn)樵诼菟?lián)接初期，由于較大的預(yù)緊力和螺紋接觸面的不均勻，實(shí)際接觸面積很小，造成集中應(yīng)力過(guò)大，再加上局部滑移，產(chǎn)生瞬間的溫度過(guò)高，造成局部區(qū)域焊死，從而造成表面鍍層的脫落；由此可知，在橫向振動(dòng)前期，螺栓聯(lián)接受到變載荷作用下發(fā)生塑性變形，夾緊力極速下降．經(jīng)過(guò)循環(huán)加載，逐漸進(jìn)入穩(wěn)定階段；且在相同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，隨著振幅的不斷增大，螺紋牙的塑性變形越大，且接觸面之間的滑移變大，更加加劇了磨損，從而進(jìn)一步促使夾緊力減?。?/p>

綜上所述，0.4mm、0.8mm、1.2mm為預(yù)緊力相對(duì)減少較少的三個(gè)振幅．

2.3 振動(dòng)頻率對(duì)螺栓聯(lián)接松動(dòng)的影響

設(shè)置螺栓聯(lián)接的頻率分別為4Hz、6Hz、8Hz、10Hz、12Hz，預(yù)緊力為55kN，振幅為0.8mm,振動(dòng)次數(shù)為5 000次，分析振動(dòng)頻率對(duì)螺栓聯(lián)接松動(dòng)的影響．圖8為不同頻率對(duì)螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)松動(dòng)的影響．

圖8 頻率對(duì)螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)松動(dòng)的影響

從圖8可以看出，在振動(dòng)頻率為12Hz時(shí)，夾緊力下降比較小，且明顯好于其它頻率．當(dāng)頻率為10Hz、8 Hz、6Hz時(shí)，夾緊力下降曲線相差不大；振動(dòng)頻率為12Hz時(shí)，夾緊力下降明顯小于其它頻率．隨著振動(dòng)頻率的增大，殘余預(yù)緊力越大．

圖9 不同頻率情況下螺紋嚙合面的磨損形貌圖

圖9為振動(dòng)試驗(yàn)后不同頻率的螺紋嚙合面磨損形貌圖．從圖9標(biāo)記部分可以看出，a、b、c圖振動(dòng)頻率分別為12Hz、8Hz、4Hz時(shí)的螺紋表面形貌圖，螺紋接觸面磨損均出現(xiàn)不同的劃痕和剝層現(xiàn)象，隨著振動(dòng)頻率的減小，磨損更為嚴(yán)重．這是因?yàn)闄M向振動(dòng)時(shí)螺栓彎曲，表面接觸磨損比較嚴(yán)重，表面顆粒的快速脫落，不僅可以消除接觸表面形成的裂紋，還可以大大降低裂紋的形成．在其它相同試驗(yàn)參數(shù)下，低頻狀態(tài)，造成螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)接觸面接觸較長(zhǎng)的時(shí)間，使得接觸面磨損更為嚴(yán)重．

綜上所述，12Hz、10Hz、8Hz為預(yù)緊力相對(duì)減少較少的三個(gè)振動(dòng)頻率．

3 結(jié)論

由以上試驗(yàn)和分析可知：本文采用實(shí)驗(yàn)的方法研究了預(yù)緊力、振幅對(duì)夾緊力的影響．進(jìn)一步討論了螺栓發(fā)生松動(dòng)的原因．主要得出以下幾點(diǎn)原因：

（1）橫向振動(dòng)時(shí)，隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，夾緊力不斷減少，且在前期減少比較快，后期比較緩慢．且振幅越大夾緊力衰減的越快；隨著振動(dòng)頻率的增大，殘余預(yù)緊力越大．

（2）總體來(lái)看，預(yù)緊力越大，夾緊力衰減越小，但預(yù)緊力過(guò)大會(huì)使螺紋損壞，不利于螺栓防松．

（3）在橫向振動(dòng)下螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)夾緊力下降主要是由于在振動(dòng)初期的塑性變形和穩(wěn)定階段接觸面的磨損．

（4）由于螺紋的接觸不均勻，導(dǎo)致螺紋接觸面的損傷程度也不同，主要表現(xiàn)為接觸面的劃傷、剝層和粘接．進(jìn)一步表明接觸面的磨損是螺栓松動(dòng)的主要原因．

（5）在工程實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)在螺栓表面噴鍍高摩擦系數(shù)的金屬來(lái)提高螺栓嚙合處耐磨性，且在螺栓連接時(shí)采用防措施增加其使用壽命．

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