錢 苗，余虹云，王 梁，李國勇，俞敏波

（浙江省電力公司-國家電網(wǎng)公司電力器材安全性能檢測技術(shù)實驗室，杭州 310015）

0 引言

螺栓連接副是一種緊固連接的機械零件，通常包括螺栓、螺母和墊片（以下簡稱螺栓），用途極為廣泛，在各種設(shè)備、車輛、橋梁、結(jié)構(gòu)等處都可以看到，品種規(guī)格繁多，性能用途各異，如表面經(jīng)磷化處理的高強度螺栓被用于鋼結(jié)構(gòu)建筑，耐高溫螺栓被用于汽輪機。而生產(chǎn)成本低廉的熱鍍鋅螺栓，即表面采用熱浸鍍鋅工藝制造的螺栓，則因其優(yōu)異的戶外耐腐蝕性能而成為輸電線路桿塔和變電站構(gòu)架聯(lián)接的首選零件[1]，迄今尚無其它螺栓能替代其位置。

扭矩系數(shù)是螺栓連接副在緊固狀態(tài)時扭矩與軸力的關(guān)系比值，是緊固的必要和關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)目前實施的標準，表面磷化的鋼結(jié)構(gòu)用螺栓的扭矩系數(shù)為0.110～0.150[2]。然而，熱鍍鋅螺栓的熱浸鍍鋅工藝會造成表面粗糙、厚度不均勻等現(xiàn)象，進而導致其扭矩系數(shù)離散度較大。熱鍍鋅螺栓扭矩系數(shù)的分布規(guī)律研究在相關(guān)標準和文獻中很少述及，給日常施工帶來了不便和隨意性，螺栓安裝時緊固過松或過緊都可能埋下安全隱患。隨著國內(nèi)電網(wǎng)電壓等級的提升，對輸電線路桿塔和變電站構(gòu)架的安全可靠性提出了更高要求，大規(guī)格、高強度熱鍍鋅螺栓因其扭矩系數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究不足，其應(yīng)用受到阻礙。如國內(nèi)某超高壓輸電線路，僅運行數(shù)年，桿塔上的熱鍍鋅螺栓就出現(xiàn)了批量松動，不得不調(diào)用大量人力再次上塔擰緊螺栓，以消除螺栓松動帶來的不安全因素。由此可見，研究、測試熱鍍鋅螺栓的扭矩系數(shù)，對消除熱鍍鋅螺栓安裝的隨意性及減少可能存在的安全隱患十分重要。

本文針對熱鍍鋅螺栓扭矩系數(shù)離散的特點，采用“合理選樣、批量試驗、統(tǒng)計分析”三位一體的基礎(chǔ)性研究模式，對熱鍍鋅螺栓扭矩系數(shù)的分布規(guī)律進行探索。

1 試樣篩選

在全國范圍內(nèi)購置了由5家大、中規(guī)模且有資質(zhì)的企業(yè)生產(chǎn)的熱鍍鋅螺栓共2 000余套，規(guī)格型號為 M16—M36，性能等級為 4.8，6.8，8.8和10.9。在實施熱鍍鋅螺栓扭矩系數(shù)試驗前，為保證每套試樣符合GB/T 3098.1-2010《螺栓機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》規(guī)定的要求[3]，在每批相同規(guī)格等級的試樣中選取2套先進行外觀標識檢查，沒有問題再進行螺栓楔負載、螺母保證載荷性能考核，若試驗結(jié)果符合要求，則認為該批次螺栓性能等級合格，然后進行扭矩系數(shù)試驗。

2 測試原理和測試系統(tǒng)

2.1 測試原理

螺栓安裝方式如圖1所示，此方式采用固定螺栓頭，給螺母施加扭矩T，在扭矩T的作用下螺栓獲得軸向緊固軸力F，同時被連接件獲得壓緊力F。根據(jù)螺栓在彈性范圍內(nèi)的公式可計算得到扭矩系數(shù)K：

式中：d為螺栓的公稱直徑。

圖1 緊固安裝方式示意

2.2 測試系統(tǒng)

自主研制的螺栓軸力-扭矩關(guān)系測試系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)搭載伺服電機和扭矩傳感器，軸力傳感器置于螺栓與螺母連接處，等效于圖1所示的被連接件，用于測試緊固軸力，采用計算機控制，同步讀取軸力與扭矩的關(guān)系值，再利用公式（1）計算扭矩系數(shù)。

圖2 螺栓軸力-扭矩關(guān)系測定試驗系統(tǒng)

3 試驗基本條件

每套螺栓試樣僅試驗1次，并保證在試驗室環(huán)境內(nèi)靜置2 h以上。采用GB/T 16823.3-1997《螺紋螺栓擰緊試驗方法》中給出的A類試驗方法，即使用標準墊片的試驗方法。標準墊片采用磨削加工方式，保證其表面粗糙度達到Ra0.8[4]的要求。試驗基本條件見表1。

表1 試驗基本條件

4 試驗結(jié)果的統(tǒng)計分析

4.1 回歸分析

通過試驗得到的曲線由扭矩傳感器和軸力傳感器同步采集的扭矩、軸力數(shù)據(jù)點組合而成，因此首先要對所有數(shù)據(jù)曲線進行線性擬合，采用最小二乘法的回歸分析。如圖3所示，選用Excel中添加趨勢線的方法完成曲線的線性回歸分析，試驗中采集到的是數(shù)據(jù)對，通過線性擬合，得到擬合曲線y=19.32x，則扭矩系數(shù)k=19.32/d=0.54，曲線相關(guān)系數(shù)R為0.9997，表明該螺栓的緊固扭矩-緊固軸力具有很好的正相關(guān)性。此模型的線性特征非常明顯，說明擬合直線能以99.97%的涵蓋率解釋、覆蓋實測數(shù)據(jù)，可以作為該螺栓的扭矩系數(shù)曲線。圖4給出的曲線相關(guān)系數(shù)R為0.9838，表明該螺栓的緊固扭矩-緊固軸力線性相關(guān)度較之前的弱。

圖3 某熱鍍鋅螺栓的扭矩-軸力關(guān)系相關(guān)性強

圖4 某熱鍍鋅螺栓的扭矩-軸力關(guān)系相關(guān)性較弱

4.2 直方圖和正態(tài)分布分析

經(jīng)回歸分析，剔除線性相關(guān)較弱的曲線后，得到線性相關(guān)系數(shù)R≥0.99的螺栓共1 563套。扭矩系數(shù)統(tǒng)計如表2所示。根據(jù)表中的統(tǒng)計量，計算直方圖區(qū)間、柱數(shù)、組距，繪制熱鍍鋅螺栓扭矩系數(shù)直方圖，如圖5所示。從直方圖的頻數(shù)可以看出，頻數(shù)分布為中間頻數(shù)多、兩側(cè)頻數(shù)逐漸減少且基本對稱，從統(tǒng)計學可以認為，該分布服從或近似服從正態(tài)分布。根據(jù)直方圖頻數(shù)分布情況，繪制熱鍍鋅螺栓扭矩系數(shù)的正態(tài)分布，如圖6所示。從圖6分析得到：試驗得到的扭矩系數(shù)在0.19～0.83，約70%的扭矩系數(shù)集中在0.4～0.6，約95%的扭矩系數(shù)集中在0.3～0.7。

5 結(jié)論

（1）通過試驗，分析統(tǒng)計了1 563套熱鍍鋅螺栓的扭矩系數(shù)，雖然離散性很大，但分布有規(guī)律可循且非常接近正態(tài)分布，以0.51為中間值且呈左右基本對稱。

表2 1 563套熱鍍鋅螺栓的扭矩系數(shù)統(tǒng)計

圖5 熱鍍鋅螺栓扭矩系數(shù)

圖6 熱鍍鋅螺栓扭矩系數(shù)正態(tài)分布

（2）根據(jù)對1 563套熱鍍鋅螺栓扭矩系數(shù)的分布規(guī)律統(tǒng)計，有約70%的熱鍍鋅螺栓扭矩系數(shù)落在0.4～0.6區(qū)間，有約95%的熱鍍鋅螺栓扭矩系數(shù)落在0.3～0.7區(qū)間。

[1]余虹云，俞成彪，李瑞，等.電力線路器材應(yīng)用與檢測[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2]GB/T 1231-2002鋼結(jié)構(gòu)用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件[S].北京：中國標準出版社，2002.

[3]GB/T 3098.1-2010螺栓機械性能 螺栓、螺釘和螺柱[S].北京：中國標準出版社，2010.

[4]GB/T 16823.3-1997螺紋螺栓擰緊試驗方法[S].北京：中國標準出版社，1997.