趙建平，張姚斌，王春耀

(1.國網(wǎng)新疆電力公司電力科學研究院，新疆烏魯木齊830011；2.新疆大學機械工程學院，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，成為塔架與地基連接必不可少的零件[1,2]，螺栓聯(lián)結的可靠性直接關系到輸電線路的安全．由于螺栓的工作條件惡劣，且在風載作用下，導線產(chǎn)生振動和舞動，使得塔架螺栓承受復雜載荷的綜合作用，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比自身的振動脫落壽命要長，也就是說在螺栓疲勞損壞之前就已經(jīng)出現(xiàn)了松動[7]．

劉岳燕等研究證實[8]，橫向振動載荷比軸向振動載荷更容易引起螺栓的松動．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．所以橫向振動產(chǎn)生的橫向力，使螺母沿著螺栓松動的方向移動，長時間的振動導致螺母自動脫落[9]．文獻[10,11]研究證實，橫向振動載荷比軸向振動載荷更容易引起螺栓的松動．Nassar和他的同事研究表明[12]，螺栓松動是因為在振動過程中螺紋發(fā)生了不可逆的塑性變形．Hess等研究表明在螺栓振動時，夾緊力的下降與振幅、振動頻率以及接觸螺紋的磨損有關[13]．基于以上特點，對螺栓聯(lián)接橫向振動工況下的松動行為進行分析與研究就具有很重要的意義．

近年來，吐-哈輸電線路上多次出現(xiàn)倒塔現(xiàn)象，通過分析發(fā)現(xiàn)，除了風速過大造成破壞之外，塔架連接處的螺栓工作環(huán)境惡劣和風載作用，導致螺栓松動、鐵塔剛度降低，進而發(fā)生倒塔現(xiàn)象．所以探究橫向振動對螺栓連接松弛的影響十分必要．本文采用緊固件松弛試驗機來模擬真實工況，研究螺栓連接橫向振動情況下載荷的衰減狀況，并通過實驗周期曲線研究夾緊力與振動次數(shù)之間的關系．

1 橫向振動實驗

1.1 實驗設備介紹

緊固件松弛試驗機采用GB/T10431-2008標準設計，試驗機主要有電機、振動臺、夾具、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及主控操作柜等組成．數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過壓力傳感器、速度傳感器、加速度傳感器等進行采集．主控操作柜可以對振動頻率、振動振幅進行控制并記錄振動曲線．

螺栓松動試驗在緊固件橫向振動試驗機上進行．圖1為FPL-600型緊固件橫向振動試驗機，試驗參數(shù)的設置、控制以及結果的輸出都由試驗機自動完成．圖2為螺栓聯(lián)接橫向振動示意圖．螺紋聯(lián)接的左夾板固定且與螺栓頭之間設有壓力傳感器，左右夾板之間為干摩擦狀態(tài)．實驗前先擰緊螺母，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，通過壓力傳感器測得．電機通過調整偏心距對振幅進行控制．右夾板往復運動所受的阻力為螺栓變形的彎曲應力與夾板的剪切力．記錄實驗數(shù)據(jù)，夾緊力的衰減過程即為螺栓的松動過程．

圖1 FPL-600型緊固件橫向振動試驗機平臺

圖2 試驗機螺栓聯(lián)接示意圖

為了試驗結果的可靠，本次試驗選擇相同的試驗條件和外部環(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個螺栓，分為24組，每組10個螺栓，進行試驗并記錄數(shù)據(jù)．本次試驗的儀器與設備流程圖如圖3所示．試驗能夠滿足要求所需的頻率和振幅，橫向振動波為正弦形式．

2 單因素工作載荷形式對螺栓松動的影響

2.1 預緊力對螺栓聯(lián)接松動的影響

依據(jù)國標緊固件扭矩-預緊力規(guī)定，為防止螺栓整體塑性變形，設置螺栓聯(lián)接預緊力分別為70kN、60kN、55kN、50kN、45kN，振幅為0.8mm，頻率為12Hz，振動次數(shù)為5 000次，分析初始預緊力對螺栓聯(lián)接松動的影響．通過試驗機軸向力傳感器記錄每次橫向振動螺栓聯(lián)接結構的夾緊力，繪制曲線．圖4為初始預緊力對螺栓聯(lián)接結構松動的影響．

圖3 工作流程圖

圖4 預緊力對螺栓聯(lián)接結構松動的影響

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

圖5 不同預緊力情況下螺紋嚙合面的磨損狀況

圖5為振動試驗后不同預緊力螺紋嚙合面的磨損50倍形貌圖．分析圖5可知，圖5(a)為初始預緊力70kN時的螺紋表面形貌圖．從標記部分可以看出，第一圈螺紋被破壞，螺母與螺栓出現(xiàn)軸向移動，且螺紋表面磨損比較嚴重；這是因為預緊力越大，螺紋嚙合面之間的摩擦力越大，越不容易發(fā)生滑移，但預緊力過大會造成螺紋的損壞，從而使得螺紋的承載能力下降，當橫向振動次數(shù)達到一定數(shù)值時出現(xiàn)夾緊力的突然下降．圖5(b)為初始預緊力55kN時的螺紋表面形貌圖．由圖標記部分可見，螺紋表面出現(xiàn)不同程度的磨損，沒有出現(xiàn)螺紋斷裂的現(xiàn)象，說明整個螺紋在受到橫向載荷作用時起到了抑制運動的效果，即螺栓的預緊力減少最少．

綜合上述分析可知:55kN、60kN、50kN為相對減少較少的三個預緊力．

2.2 振幅對螺栓聯(lián)接松動的影響

改變橫向振動的振幅，將振幅分別設置為0.4 mm、0.8 mm、1.2 mm、1.6 mm、2.0mm，預緊力為55kN，振動頻率為12Hz，振動5 000次，分析振幅對螺栓聯(lián)接松動的影響．圖6為不同振幅對螺栓聯(lián)接結構松動的影響．

圖6 振幅對螺栓聯(lián)接結構松動的影響

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

圖7 不同振幅情況下螺紋嚙合面的磨損形貌圖

圖7為振動試驗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，且磨損較為嚴重，出現(xiàn)剝層、粘接現(xiàn)象．從圖7(c)振幅為2.0mm時螺紋表面磨損形貌圖，對比局部標記可知，螺紋表面磨損嚴重，出現(xiàn)明顯的劃痕，剝層、粘接現(xiàn)象較為嚴重且磨損不均勻．這是因為在螺栓聯(lián)接初期，由于較大的預緊力和螺紋接觸面的不均勻，實際接觸面積很小，造成集中應力過大，再加上局部滑移，產(chǎn)生瞬間的溫度過高，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)過循環(huán)加載，逐漸進入穩(wěn)定階段；且在相同的實驗參數(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，從而進一步促使夾緊力減?。?/p>

綜上所述，0.4mm、0.8mm、1.2mm為預緊力相對減少較少的三個振幅．

2.3 振動頻率對螺栓聯(lián)接松動的影響

設置螺栓聯(lián)接的頻率分別為4Hz、6Hz、8Hz、10Hz、12Hz，預緊力為55kN，振幅為0.8mm,振動次數(shù)為5 000次，分析振動頻率對螺栓聯(lián)接松動的影響．圖8為不同頻率對螺栓聯(lián)接結構松動的影響．

圖8 頻率對螺栓聯(lián)接結構松動的影響

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

圖9 不同頻率情況下螺紋嚙合面的磨損形貌圖

圖9為振動試驗后不同頻率的螺紋嚙合面磨損形貌圖．從圖9標記部分可以看出，a、b、c圖振動頻率分別為12Hz、8Hz、4Hz時的螺紋表面形貌圖，螺紋接觸面磨損均出現(xiàn)不同的劃痕和剝層現(xiàn)象，隨著振動頻率的減小，磨損更為嚴重．這是因為橫向振動時螺栓彎曲，表面接觸磨損比較嚴重，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．在其它相同試驗參數(shù)下，低頻狀態(tài)，造成螺栓聯(lián)接結構接觸面接觸較長的時間，使得接觸面磨損更為嚴重．

綜上所述，12Hz、10Hz、8Hz為預緊力相對減少較少的三個振動頻率．

3 結論

由以上試驗和分析可知：本文采用實驗的方法研究了預緊力、振幅對夾緊力的影響．進一步討論了螺栓發(fā)生松動的原因．主要得出以下幾點原因：

（1）橫向振動時，隨著振動次數(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；隨著振動頻率的增大，殘余預緊力越大．

（2）總體來看，預緊力越大，夾緊力衰減越小，但預緊力過大會使螺紋損壞，不利于螺栓防松．

（3）在橫向振動下螺栓聯(lián)接結構夾緊力下降主要是由于在振動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．進一步表明接觸面的磨損是螺栓松動的主要原因．

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

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