輸電線路用熱鍍鋅螺栓扭矩系數(shù)的測(cè)定和分析

錢 苗，余虹云，王 梁，李國(guó)勇，俞敏波

（浙江省電力公司-國(guó)家電網(wǎng)公司電力器材安全性能檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310015）

0 引言

螺栓連接副是一種緊固連接的機(jī)械零件，通常包括螺栓、螺母和墊片（以下簡(jiǎn)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(qiáng)度螺栓被用于鋼結(jié)構(gòu)建筑，耐高溫螺栓被用于汽輪機(jī)。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(shí)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(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)，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(huì)造成表面粗糙、厚度不均勻等現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)中很少述及，給日常施工帶來了不便和隨意性，螺栓安裝時(shí)緊固過松或過緊都可能埋下安全隱患。隨著國(guó)內(nèi)電網(wǎng)電壓等級(jí)的提升，對(duì)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(qiáng)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(guó)內(nèi)某超高壓輸電線路，僅運(yùn)行數(shù)年，桿塔上的熱鍍鋅螺栓就出現(xiàn)了批量松動(dòng)，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(dòng)帶來的不安全因素。由此可見，研究、測(cè)試熱鍍鋅螺栓的扭矩系數(shù)，對(duì)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(duì)熱鍍鋅螺栓扭矩系數(shù)離散的特點(diǎn)，采用“合理選樣、批量試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)分析”三位一體的基礎(chǔ)性研究模式，對(duì)熱鍍鋅螺栓扭矩系數(shù)的分布規(guī)律進(jìn)行探索。

1 試樣篩選

在全國(guó)范圍內(nèi)購(gòu)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(hào)為 M16—M36，性能等級(jí)為 4.8，6.8，8.8和10.9。在實(shí)施熱鍍鋅螺栓扭矩系數(shù)試驗(yàn)前，為保證每套試樣符合GB/T 3098.1-2010《螺栓機(jī)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(jí)的試樣中選取2套先進(jìn)行外觀標(biāo)識(shí)檢查，沒有問題再進(jìn)行螺栓楔負(fù)載、螺母保證載荷性能考核，若試驗(yàn)結(jié)果符合要求，則認(rèn)為該批次螺栓性能等級(jí)合格，然后進(jìn)行扭矩系數(shù)試驗(yàn)。

2 測(cè)試原理和測(cè)試系統(tǒng)

2.1 測(cè)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(shí)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(jì)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(cè)試系統(tǒng)

自主研制的螺栓軸力-扭矩關(guān)系測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)搭載伺服電機(jī)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(cè)試緊固軸力，采用計(jì)算機(jī)控制，同步讀取軸力與扭矩的關(guān)系值，再利用公式（1）計(jì)算扭矩系數(shù)。

圖2 螺栓軸力-扭矩關(guān)系測(cè)定試驗(yàn)系統(tǒng)

3 試驗(yàn)基本條件

每套螺栓試樣僅試驗(yàn)1次，并保證在試驗(yàn)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(yàn)方法》中給出的A類試驗(yàn)方法，即使用標(biāo)準(zhǔn)墊片的試驗(yàn)方法。標(biāo)準(zhǔn)墊片采用磨削加工方式，保證其表面粗糙度達(dá)到Ra0.8[4]的要求。試驗(yàn)基本條件見表1。

表1 試驗(yàn)基本條件

4 試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析

4.1 回歸分析

通過試驗(yàn)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(diǎn)組合而成，因此首先要對(duì)所有數(shù)據(jù)曲線進(jìn)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(shì)線的方法完成曲線的線性回歸分析，試驗(yàn)中采集到的是數(shù)據(jù)對(duì)，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(shí)測(cè)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(qiáng)

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(jì)如表2所示。根據(jù)表中的統(tǒng)計(jì)量，計(jì)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(duì)稱，從統(tǒng)計(jì)學(xué)可以認(rèn)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(yàn)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(yàn)，分析統(tǒng)計(jì)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(duì)稱。

表2 1 563套熱鍍鋅螺栓的扭矩系數(shù)統(tǒng)計(jì)

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(duì)1 563套熱鍍鋅螺栓扭矩系數(shù)的分布規(guī)律統(tǒng)計(jì)，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(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

[2]GB/T 1231-2002鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[3]GB/T 3098.1-2010螺栓機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[4]GB/T 16823.3-1997螺紋螺栓擰緊試驗(yàn)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.