一種無源松動(dòng)可視化螺栓的研發(fā)

李紅發(fā)，董志聰，劉秉軍，王榮鵬，羅應(yīng)文，聶文翔，胡小慢

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東 中山 528400；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司培訓(xùn)與評(píng)價(jià)中心，廣東 廣州 510000)

1 研究背景

為確保工程質(zhì)量符合要求、輸電線路運(yùn)行可靠，需要定期對(duì)輸電鐵塔上的螺栓進(jìn)行擰緊力矩檢驗(yàn)。目前主要的檢驗(yàn)手段依靠人工登桿，利用力矩扳手判斷螺栓的擰緊力矩是否達(dá)到緊固標(biāo)準(zhǔn)的要求。由于輸電線路上的螺栓數(shù)量眾多，在工程驗(yàn)收和定期巡檢的時(shí)候往往利用力矩扳手對(duì)螺栓隨機(jī)抽樣檢查，不能及時(shí)、全面反映輸電線路每個(gè)螺栓的松動(dòng)情況，在巡檢過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)螺栓松動(dòng)或者脫落比較困難。這為輸電線路的安全運(yùn)行造成一定程度的潛在風(fēng)險(xiǎn)，耗費(fèi)大量的人力，也增加了驗(yàn)收、巡檢人員的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

2 結(jié)構(gòu)介紹

改造螺栓在連接、緊固方面的使用方法與現(xiàn)在使用的螺栓無任何不同，可以直接替代現(xiàn)有的輸電鐵塔螺栓，并且具有適用范圍廣泛、松緊狀態(tài)便于辨識(shí)的優(yōu)點(diǎn)。改造螺栓的結(jié)構(gòu)形態(tài)(見圖1)，其主要構(gòu)成部分為螺栓頭、套筒、圓形螺柱、螺母、方形螺柱以及行程彈簧。其中，螺栓頭周圍采用顏色標(biāo)記，并與套筒的圓孔進(jìn)行配合，擰緊狀態(tài)下螺栓頭表面與套筒上表面持平，說明螺栓已處于擰緊狀態(tài)；套筒整體采用正六邊形螺柱結(jié)構(gòu)，適配標(biāo)準(zhǔn)已有的螺栓型號(hào)；套筒內(nèi)的方孔與方形螺柱配合，使其在旋擰螺栓過程中保持套筒和方形螺柱相對(duì)固定位置；圓形螺柱和常規(guī)螺栓一樣，起到工件連接之間的強(qiáng)度支撐作用；螺母與圓形螺栓配合使用，起緊固作用；行程彈簧套在方形螺柱上，且其半徑與套筒圓孔適配。

1—螺栓頭；2—套筒；3—圓形螺柱；4—螺母；5—方形螺柱；6—行程彈簧。

圖2展示了改造螺栓在初始狀態(tài)和擰緊狀態(tài)下的套筒和行程彈簧狀態(tài)，通過在改造螺栓的螺栓頭側(cè)面涂色，可以直觀顯示螺栓是否松動(dòng)。當(dāng)螺母擰緊時(shí)，螺母通過連接件對(duì)螺栓施加下拉力，螺栓頭壓縮行程彈簧，同時(shí)帶動(dòng)套筒向下移動(dòng)。當(dāng)螺栓頭頂部和套筒頂部橫截面平齊，說明螺母已擰緊到位，此時(shí)觀察者看不到螺栓頭側(cè)面的彩色，可直觀判斷螺栓處于緊固狀態(tài)。當(dāng)螺母松動(dòng)時(shí)，螺栓頭對(duì)行程彈簧的壓力減小，行程彈簧對(duì)套筒施加向下的作用力，使套筒向下位移，導(dǎo)致螺栓頭伸出套筒外部，不與套筒頂部的橫截面平齊。此時(shí)觀察者看到螺栓頭側(cè)面的彩色，可直觀判斷螺母已松動(dòng)。觀察者只要觀察螺栓指示片側(cè)面的彩色部分是否露出，即可判斷螺栓是否發(fā)生松動(dòng)。

圖2 無源式松動(dòng)警示螺栓初始狀態(tài)及擰緊狀態(tài)示意圖

3 結(jié)構(gòu)原理

預(yù)緊力是在連接件受到工作載荷之前，為了防止受到載荷后連接件間出現(xiàn)縫隙或者相對(duì)滑移而沿螺栓軸線方向預(yù)先施加的一個(gè)力。對(duì)于螺栓而言，為了連接得可靠和緊固，必須保證螺紋具有一定的摩擦力矩，此摩擦力矩是由連接時(shí)施加擰緊力矩后，螺紋產(chǎn)生了預(yù)緊力而獲得的。因此根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，不同尺寸的螺栓需要施加不同大小的擰緊力矩。表1為《架空輸電線路運(yùn)行規(guī)程》針對(duì)不同型號(hào)、不同強(qiáng)度的螺栓所規(guī)定的擰緊力矩。

表1 螺栓型金具鋼制熱鍍鋅螺栓擰緊力矩值

表征螺栓力學(xué)性能和強(qiáng)度的主要概念是屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及屈強(qiáng)比值。屈服強(qiáng)度是金屬從彈性形變轉(zhuǎn)為進(jìn)入塑性形變階段的臨界值(一般以2%殘余變形為表征)，抗拉強(qiáng)度是金屬從均勻塑性形變過渡到局部集中塑性形變的臨界值，屈強(qiáng)比值就是二者的比值。以表格第一行M10-4.8級(jí)的螺栓為例：M10表示螺栓直徑為10 mm，4.8級(jí)表示螺栓的公稱抗拉強(qiáng)度為400 MPa，屈強(qiáng)比值為0.8，則其公稱屈服強(qiáng)度為400×0.8=320 MPa。也就是說標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：對(duì)于4.8級(jí)強(qiáng)度的M10螺栓，施加18～23 N·m的擰緊力矩時(shí)，其抗拉強(qiáng)度小于400 MPa，屈服強(qiáng)度小于320 MPa，且應(yīng)當(dāng)具有一定程度的裕度[1]。

在進(jìn)行有限元仿真研究時(shí)，為了便于施加載荷，需要將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的擰緊力矩等效換算為對(duì)應(yīng)的預(yù)緊力。擰緊力矩與預(yù)緊力之間的換算公式如下[2]：

其中，F(xiàn)是預(yù)緊力，單位為N；T是擰緊力矩，單位為N·m；k1為扭矩系數(shù)，參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)和工程常用值，在研究過程中取值0.3；ld是螺栓的螺紋公稱直徑，單位為mm。

需要注意的是，對(duì)于某一尺寸的改造螺栓，在施加標(biāo)準(zhǔn)擰緊力矩(換算為預(yù)緊力)的情況下，螺栓頭應(yīng)和套筒齊平，才能保證裝置準(zhǔn)確動(dòng)作。此時(shí)的力學(xué)平衡關(guān)系為[2]：

上式中，F(xiàn)為施加的預(yù)緊力，k為行程彈簧彈性系數(shù)，Δl為彈簧形變量，h1為螺栓高度，h2為套筒圓孔深度，l為彈簧初始長度。

4 裝置與應(yīng)用

該裝置結(jié)構(gòu)十分簡單，造價(jià)便宜，適宜全面推廣使用；實(shí)現(xiàn)無源松動(dòng)可視化，在無需電源的情況下，僅靠受力的相對(duì)位移實(shí)現(xiàn)松動(dòng)的可視化，裝置可靠，使用壽命長；動(dòng)作可靠，采用全機(jī)械式動(dòng)作，動(dòng)作及顯示可靠；適用范圍廣，可適用于螺栓緊固關(guān)鍵處。該裝置設(shè)計(jì)成果如圖3、圖4所示。

圖3 松動(dòng)時(shí)

圖4 緊固時(shí)

使用松動(dòng)狀態(tài)可視化裝置后，可解決如下問題。

1)輔助線路驗(yàn)收，檢查螺栓松緊。每座鐵塔的螺栓數(shù)量達(dá)上千個(gè)，驗(yàn)收人員無法做到對(duì)每個(gè)螺栓進(jìn)行校檢，目前只能利用力矩扳手對(duì)部分螺栓進(jìn)行抽檢，因此不能確保所有螺栓都是緊固的，設(shè)備安全存在隱患。采用松動(dòng)狀態(tài)可視化裝置后，直接采用無人機(jī)進(jìn)行觀察即可大范圍驗(yàn)收。

2)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中的螺栓松動(dòng)。輸電鐵塔運(yùn)行后螺栓的工作環(huán)境普遍較差，時(shí)常受到振動(dòng)、沖擊、溫差等外界因素的影響，這會(huì)導(dǎo)致螺栓夾緊力的下降，進(jìn)一步使得螺紋間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)、螺紋連接失效，影響螺栓緊固可靠性，尤其是在引流板線夾等重要連接位置，螺栓松動(dòng)會(huì)給線路運(yùn)行帶來極大的安全隱患，而目前鐵塔使用的螺栓在松動(dòng)后又無法實(shí)時(shí)觀察到，也只能依靠人員登塔查看螺栓松動(dòng)情況，工作量大且風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高。采用松動(dòng)狀態(tài)可視化裝置后，直接采用無人機(jī)進(jìn)行觀察即可發(fā)現(xiàn)運(yùn)行松動(dòng)缺陷。