鄧艷軍

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

熱緊固螺栓預(yù)設(shè)拉伸值與實(shí)際拉伸值關(guān)系及經(jīng)驗(yàn)值研究

鄧艷軍

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

摘要：螺栓加熱緊固法是普遍應(yīng)用于大直徑螺栓緊固的方法之一。在實(shí)際操作螺栓加熱緊固的過(guò)程中，存在很難通過(guò)控制預(yù)設(shè)拉伸值來(lái)得到所需實(shí)際拉伸值的問(wèn)題，通常需對(duì)螺栓進(jìn)行反復(fù)加熱，以調(diào)整其實(shí)際拉伸值至設(shè)計(jì)拉伸值。螺栓的反復(fù)加熱造成了工期的延誤及人力物力的損失。針對(duì)這一問(wèn)題，以五凌電力近尾洲水電廠（燈泡貫流式機(jī)組）槳葉連接螺栓加熱緊固為例，對(duì)熱緊固螺栓的預(yù)設(shè)拉伸值與實(shí)際拉伸之間的關(guān)系、熱緊固螺栓一次加熱到位經(jīng)驗(yàn)值的計(jì)算方法進(jìn)行研究，為同類(lèi)型熱緊固螺栓提供高效率緊固的方法，以推進(jìn)工期、減少人力物力的損失。

關(guān)鍵詞：螺栓加熱緊固法；預(yù)設(shè)拉伸值；實(shí)際拉伸值；熱緊固螺栓；一次加熱到位經(jīng)驗(yàn)值

0　引言

螺栓加熱緊固法是普遍應(yīng)用于大直徑螺栓緊固的方法之一，其工作原理是對(duì)螺栓進(jìn)行加熱處理，待螺栓加熱伸長(zhǎng)后擰緊螺母，其冷卻過(guò)程將會(huì)發(fā)生因溫度降低引起的螺栓冷收縮現(xiàn)象，由于螺栓與螺母之間相互擠壓，故其螺栓冷卻后不再回復(fù)至原長(zhǎng)度，螺栓處于被拉伸狀態(tài)，產(chǎn)生預(yù)緊力，螺栓被緊固，當(dāng)該預(yù)緊力與設(shè)計(jì)預(yù)緊力差值在允許范圍內(nèi)，該螺栓緊固合格。在加熱緊固過(guò)程中，螺栓實(shí)際拉伸值是檢驗(yàn)螺栓是否緊固合格的直觀依據(jù)，在實(shí)際操作螺栓加熱緊固的過(guò)程中，通常需對(duì)螺栓進(jìn)行反復(fù)加熱，以調(diào)整其實(shí)際拉伸值至設(shè)計(jì)拉伸值，其過(guò)程所需工期長(zhǎng)（近尾洲水電廠槳葉連接螺栓從加熱緊固至完全冷卻需近6 h），對(duì)人力物力損耗較大。文章針對(duì)這一問(wèn)題，以五凌電力近尾洲水電廠（燈泡貫流式機(jī)組）槳葉連接螺栓加熱緊固為例，對(duì)熱緊固螺栓的設(shè)計(jì)拉伸值計(jì)算、拉伸值與玄長(zhǎng)關(guān)系計(jì)算、加熱緊固過(guò)程分析、熱緊固螺栓的預(yù)設(shè)拉伸值與實(shí)際拉伸之間的關(guān)系、熱緊固螺栓一次加熱到位經(jīng)驗(yàn)值的計(jì)算方法進(jìn)行全面詳細(xì)的研究推導(dǎo)，為同類(lèi)型熱緊固螺栓提供高效率緊固的方法，以推進(jìn)工期、減少人力物力的損失。

1　近尾洲水電廠槳葉連接螺栓簡(jiǎn)介及加熱緊固設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)值計(jì)算

1.1近尾洲水電廠槳葉連接螺栓簡(jiǎn)介

近尾洲水電廠水輪發(fā)電機(jī)組為燈泡貫流式機(jī)組，水輪機(jī)型號(hào)：VAMCE KR4/63，水輪機(jī)為卡普蘭結(jié)構(gòu)，直徑為6.3m，每個(gè)轉(zhuǎn)輪上呈90°方向安裝有4片槳葉，每片槳葉使用6顆槳葉連接螺栓將槳葉緊固連接在轉(zhuǎn)輪上，一個(gè)轉(zhuǎn)輪上共有24個(gè)槳葉連接螺栓。槳葉連接螺栓型號(hào)為M90×3，螺紋長(zhǎng)度為85mm，單個(gè)螺栓重量為23.8 kg，材質(zhì)為50CrMo4V,加熱溫度為296℃，預(yù)緊力為1 952 kN。槳葉連接螺栓使用電加熱法進(jìn)行緊固及拆除，中間設(shè)計(jì)有一通孔，用于加熱時(shí)放置電加熱棒，其具體螺栓尺寸見(jiàn)圖1。

圖1　槳葉連接螺栓圖

1.2螺栓加熱緊固設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)值計(jì)算

1.2.1螺栓設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)值計(jì)算公式

近尾洲水電廠槳葉連接螺栓采用電加熱法使螺栓熱拉伸，并通過(guò)伸長(zhǎng)量控制預(yù)緊力。由于加熱伸長(zhǎng)螺栓的伸長(zhǎng)量只和螺栓的應(yīng)力有關(guān)，故預(yù)緊力0與設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)量△的計(jì)算公式為：

1.2.2螺紋的應(yīng)力截面積計(jì)算公式

1.2.3近尾洲水電廠槳葉連接螺栓M90×3應(yīng)力截面積計(jì)算

1.2.4近尾洲水電廠槳葉連接螺栓設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)值計(jì)算

考慮相關(guān)誤差，可確定近尾洲水電廠槳葉連接螺栓設(shè)計(jì)拉伸值為：△=0.66±0.05mm

2　近尾洲水電廠槳葉連接螺栓拉伸值與外圓弦長(zhǎng)值關(guān)系

為達(dá)到預(yù)期的加熱目的（螺栓實(shí)際拉伸值為設(shè)計(jì)拉伸值），加熱前采用直觀易控制的轉(zhuǎn)角法確定螺栓拉伸值所需的外圓弦長(zhǎng)。外圓弦長(zhǎng)值與螺栓拉伸值△的關(guān)系公式推算如下：

螺栓轉(zhuǎn)角計(jì)算公式：

將角度轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)圓周上的弦長(zhǎng)，公式為：

將公式（6）代入公式（7）得出公式：

弦長(zhǎng)與伸長(zhǎng)值關(guān)系如下表1所示。

表1　伸長(zhǎng)值△與弦長(zhǎng)值對(duì)應(yīng)關(guān)系表（單位mm）

表1　伸長(zhǎng)值△與弦長(zhǎng)值對(duì)應(yīng)關(guān)系表（單位mm）

△L 　S 　　△L 　S 　　△L 　S 　　△L 　S 0.01 　2 　0.26 　47 　0.51 　90 　0.97 　150 0.02 　4 　0.27 　49 　0.73 　122 　0.98 　151 0.03 　6 　0.28 　51 　0.74 　123 　0.99 　151 0.04 　7 　0.29 　53 　0.75 　124 　1 　152 0.05 　9 　0.3 　54 　0.76 　126 　1.01 　153 0.06 　11 　0.31 　56 　0.77 　127 　1.02 　154 0.07 　13 　0.32 　58 　0.78 　128 　1.03 　155 0.08 　15 　0.33 　60 　0.79 　130 　1.04 　156 0.09 　17 　0.34 　61 　0.8 　131 　1.05 　157 0.1 　18 　0.35 　63 　0.81 　132 　1.06 　158 0.11 　20 　0.36 　65 　0.82 　133 　1.07 　158 0.12 　22 　0.37 　66 　0.83 　134 　1.08 　159 0.13 　24 　0.38 　68 　0.84 　136 　1.09 　160 0.14 　26 　0.39 　70 　0.85 　137 　1.1 　161 0.15 　28 　0.4 　72 　0.86 　138 　1.11 　162 0.16 　29 　0.41 　73 　0.87 　139 　1.12 　162 0.17 　31 　0.42 　75 　0.88 　140 　1.13 　163 0.18 　33 　0.43 　77 　0.89 　141 　1.14 　164 0.19 　35 　0.44 　78 　0.9 　142 　1.15 　164 0.2 　37 　0.45 　80 　0.91 　143 　1.16 　165 0.21 　38 　0.46 　82 　0.92 　145 　1.17 　166 0.22 　40 　0.47 　83 　0.93 　146 　1.18 　166 0.23 　42 　0.48 　85 　0.94 　147 　1.19 　167 0.24 　44 　0.49 　86 　0.95 　148 　1.2 　167 0.25 　46 　0.5 　88 　0.96 　149 　1.21 　168

3　近尾洲水電廠槳葉連接螺栓加熱膨脹、緊固、冷卻過(guò)程分析

3.1近尾洲水電廠槳葉連接螺栓加熱前與加熱膨脹

完成后螺栓伸長(zhǎng)量分析

槳葉連接螺栓加熱前與槳葉緊密結(jié)合，加熱過(guò)程中因溫度變化引起螺栓拉伸，其過(guò)程示意圖見(jiàn)下圖2。

3.2螺栓加熱緊固與冷卻至常溫后螺栓伸長(zhǎng)量變化

分析

槳葉連接螺栓加熱后對(duì)其進(jìn)行緊固，緊固后螺栓溫度逐步由高溫（296℃左右）降為常溫（20℃左右），期間因溫度變化引起螺栓長(zhǎng)度的減少，其過(guò)程示意圖如圖3。

圖2　螺栓加熱前與加熱膨脹完成后伸長(zhǎng)量變化示意圖

圖3　螺栓加熱緊固與冷卻至常溫后螺栓伸長(zhǎng)量變化示意圖

3.3近尾洲水電廠槳葉連接螺栓應(yīng)力與應(yīng)變分析

槳葉連接螺栓由溫度變化（296℃左右變化為20℃左右）引起長(zhǎng)度收縮，由于槳葉連接螺栓外螺紋與槳葉接力器拐臂內(nèi)螺紋相互接觸，故在槳葉連接螺栓內(nèi)部將產(chǎn)生方向與收縮方向相同的拉應(yīng)力1，槳葉連接螺栓外螺紋受到槳葉接力器拐臂內(nèi)螺紋壓應(yīng)力2，如圖4所示。

圖4　槳葉連接螺栓冷卻過(guò)程受力分析

4　熱緊固螺栓預(yù)設(shè)伸長(zhǎng)值與實(shí)際伸長(zhǎng)值關(guān)系研究及一次加熱到位經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算

4.1熱緊固螺栓預(yù)設(shè)伸長(zhǎng)值與實(shí)際伸長(zhǎng)值關(guān)系公式研究

通過(guò)公式（10），可以得知當(dāng)物體內(nèi)兩方向相反應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變相等時(shí)，其內(nèi)應(yīng)力為0，即不再發(fā)生形變，此時(shí)為最終冷卻拉伸狀態(tài)。因此ε1與△3大小相同，即：

將公式（12）（13）代入公式（11）得出

將公式（14）代入公式（9）得出加熱螺栓預(yù)設(shè)伸長(zhǎng)值與實(shí)際伸長(zhǎng)值關(guān)系公式如下：

4.2熱緊固螺栓預(yù)設(shè)伸長(zhǎng)值與實(shí)際伸長(zhǎng)值關(guān)系公式拓展

近尾洲水電廠槳葉轉(zhuǎn)輪裝配圖槳葉部分如圖5所示。在實(shí)際加熱緊固過(guò)程中槳葉與槳葉樞軸結(jié)合面會(huì)存在間隙值X1，槳葉樞軸與槳葉接力器拐臂結(jié)合面存在間隙值X2；當(dāng)X1、X2值少于0.03mm時(shí)，可忽略不計(jì)，應(yīng)視為0。此時(shí)，熱緊固螺栓預(yù)設(shè)伸長(zhǎng)值與實(shí)際伸長(zhǎng)值關(guān)系公式應(yīng)為；

圖5　近尾洲水電廠轉(zhuǎn)輪裝配圖槳葉部分

5　結(jié)論

5.1熱緊固螺栓預(yù)設(shè)伸長(zhǎng)值與實(shí)際伸長(zhǎng)值

熱緊固螺栓預(yù)設(shè)伸長(zhǎng)值與實(shí)際伸長(zhǎng)值關(guān)系公式：

5.2近尾洲水電廠槳葉連接螺栓一次加熱到位經(jīng)驗(yàn)值

由于一次加熱到位要求實(shí)際伸長(zhǎng)量等于設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)量（0.66±0.05mm），選擇△3=0.66mm，則一次加熱到位經(jīng)驗(yàn)值為△1=3△3=0.99mm，對(duì)應(yīng)伸長(zhǎng)值△2與弦長(zhǎng)值對(duì)應(yīng)關(guān)系表，得出預(yù)設(shè)弦長(zhǎng)值為151mm。

5.3熱緊固螺栓一次加熱到位注意事項(xiàng)

（1）螺栓加熱應(yīng)對(duì)稱(chēng)加熱；為防止加熱過(guò)程螺栓咬死現(xiàn)象，應(yīng)合理設(shè)計(jì)螺栓受熱區(qū)域，加熱工具應(yīng)避免直接對(duì)螺紋進(jìn)行加熱，并在加熱前在螺紋上涂抹螺紋防咬死劑；加熱過(guò)程中螺栓加熱溫度不應(yīng)高于螺栓發(fā)生熱處理反應(yīng)的最低溫度，加熱時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短。

（3）該公式可作為螺栓加熱后拉伸值調(diào)整的理論依據(jù)，一般情況下，由于螺栓已有拉伸值，螺栓與螺母間存在相應(yīng)的預(yù)緊力，此時(shí)槳葉與槳葉樞軸結(jié)合面間隙值X1、槳葉樞軸與槳葉接力器拐臂結(jié)合面間隙值X2均小于0.03mm，視為0mm。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁喜慶.材料力學(xué)[M].武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1999.

[2]成大光.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

中圖分類(lèi)號(hào)：TK730.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5387（2015）08-0077-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.023

收稿日期：2015-05-04

作者簡(jiǎn)介：鄧艷軍（1986-），男，助理工程師，從事水電廠機(jī)械設(shè)備檢修工作。