輸電桿塔緊固件抗振防松試驗(yàn)規(guī)程中振幅和頻率取值的探討

余虹云，錢 苗，高義波，錢 科，李文仙

（浙江華電器材檢測研究所 國家電力器材產(chǎn)品安全性能質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，杭州 310015）

輸電桿塔緊固件抗振防松試驗(yàn)規(guī)程中振幅和頻率取值的探討

余虹云，錢 苗，高義波，錢 科，李文仙

（浙江華電器材檢測研究所 國家電力器材產(chǎn)品安全性能質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，杭州 310015）

為解決電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《輸電桿塔緊固件抗振防松試驗(yàn)技術(shù)要求》中試驗(yàn)頻率和空載振幅的取值問題，選取了3種常規(guī)振幅和3種常規(guī)頻率，對同一批次緊固件進(jìn)行了橫向振動(dòng)試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，3種頻率對緊固件的橫向振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果影響不大，而不同空載振幅對緊固件的橫向振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果有較大影響。進(jìn)一步研究了緊固件發(fā)生橫向振動(dòng)斷裂的試驗(yàn)條件，最終提出一組試驗(yàn)頻率、空載振幅的建議值，為編制電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《輸電桿塔緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)要求》提供參考依據(jù)。

緊固件；橫向振動(dòng)；頻率；振幅

0 引言

到目前為止，用于評(píng)價(jià)緊固件防松性能的試驗(yàn)方法中，橫向振動(dòng)法是上世紀(jì)八十年代以來公認(rèn)的效果較理想的方法，我國于1989年首次頒發(fā)了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10431-1989《緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法》，并于2008年修改形成了第二版GB/T 10431-2008《緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法》[1]，這是我國目前各行各業(yè)檢驗(yàn)緊固件防松性能的唯一標(biāo)準(zhǔn)，主要被廣泛用于汽車緊固件、航空緊固件、風(fēng)電緊固件、鐵路緊固件等各類緊固件的防松量化檢測。

熱浸鍍鋅緊固件使得輸電鐵塔構(gòu)支架之間獲得了連接力。隨著電力鐵塔正朝著高速、大功率的方向發(fā)展，對輸電桿塔緊固件的松動(dòng)和防松問題提出了更高的要求[2]，尤其是我國西北電網(wǎng)的大力發(fā)展，3 000萬kW“疆電外送”能力的形成，各種因大范圍存在的強(qiáng)風(fēng)、沙塵、大溫差等極端氣象環(huán)境造成輸電桿塔緊固件松脫問題時(shí)有發(fā)生，給西北電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了難以想象的困難和挑戰(zhàn)。由此，輸電桿塔緊固件的防松性能被擺在了重要位置。

研究GB/T 10431-2008，認(rèn)為該標(biāo)準(zhǔn)沒有針對熱浸鍍鋅緊固件的使用環(huán)境做出具體要求。例如GB/T 10431-2008中僅給出了試驗(yàn)頻率的推薦值和振幅的正弦波形，對振幅沒有給出具體要求，缺乏可執(zhí)行性。因此，專門針對輸電桿塔用熱浸鍍鋅緊固件起草了電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《輸電桿塔緊固件抗振防松試驗(yàn)技術(shù)要求》，通過研究分析不同試驗(yàn)頻率和空載振幅對橫向振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果的影響，最終提出輸電桿塔緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)的試驗(yàn)頻率和空載振幅，使標(biāo)準(zhǔn)更具可執(zhí)行性。

1 橫向振動(dòng)松動(dòng)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

將被試緊固件安裝在試驗(yàn)機(jī)上，施加扭矩使之產(chǎn)生夾緊力，在施扭過程中同時(shí)讀取扭矩和夾緊力值，直至達(dá)到預(yù)定的扭矩或夾緊力，停止施扭，然后開機(jī)。

借助于試驗(yàn)機(jī)在被夾緊的上下兩塊相對運(yùn)動(dòng)的金屬板之間產(chǎn)生的交變橫向位移，使連接受到干擾而松動(dòng)，導(dǎo)致夾緊力逐漸減小，甚至完全喪失。在試驗(yàn)過程中連續(xù)記錄夾緊力的瞬時(shí)值，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)的變化對比可以判斷緊固件防松性能。在試驗(yàn)過程中，夾緊力減小得越慢，防松性能越好；反之，夾緊力減小得越快，防松性能越差。典型的夾緊力變化曲線如圖1所示[3]。

圖1 夾緊力變化曲線

1.2 FPL-600低溫橫向振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)

FPL-600橫向振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)由1臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，采用寬V帶無級(jí)變速器調(diào)速，再經(jīng)多楔帶傳動(dòng)至偏心輪，偏心輪將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為連桿的豎直往復(fù)運(yùn)動(dòng)，最后由橫向力傳感器和連接板與試驗(yàn)裝置動(dòng)板連接。系統(tǒng)同時(shí)配置高低溫試驗(yàn)箱（-40℃～60℃），可開展環(huán)境溫度試驗(yàn)。

2 試樣選取及試驗(yàn)參數(shù)的確定

2.1 試樣選取

為盡量減少緊固件試樣差異對試驗(yàn)結(jié)果的影響，使試驗(yàn)結(jié)果更具有可比性，采購了同一批次、性能等級(jí)、爐號(hào)、結(jié)構(gòu)、螺紋規(guī)格及長度的熱鍍鋅緊固件。M20-6.8為輸電桿塔緊固件常用型號(hào)緊固件。

表1 緊固件試樣規(guī)格型號(hào)明細(xì)

2.2 試驗(yàn)參數(shù)的確定

輸電桿塔所用熱浸鍍鋅緊固件的螺栓主要承受剪切應(yīng)力，螺栓抗剪強(qiáng)度為0.62Rm，min，因此經(jīng)驗(yàn)得出螺栓承受的緊固軸力值需小于其最小拉斷力的62%[4]。為此，也進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，對M20-6.8的緊固件扭斷時(shí)所承受的軸力進(jìn)行了測試，其平均值約為99.33 kN，約為最小拉斷力標(biāo)稱值的67.57%（如表2所示），從而驗(yàn)證了上述經(jīng)驗(yàn)結(jié)論。

表2 6.8級(jí)緊固件扭斷夾緊力與標(biāo)稱最小拉斷力的百分比值

以測試緊固件防松性能為目的，將預(yù)緊力設(shè)置為較為安全的最小拉斷力標(biāo)稱值的40%。

試驗(yàn)振動(dòng)次數(shù)為5 000次。

試驗(yàn)在室溫20±5℃范圍中進(jìn)行。

試驗(yàn)頻率選取較常用的5 Hz，10 Hz，12.5 Hz。

空載振幅為正弦波，選取較為常用的±1 mm，±1.5 mm，±2 mm。

試驗(yàn)采用二因素三水平正交試驗(yàn)法，試驗(yàn)表如表3所示。

3 緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)頻率對試驗(yàn)結(jié)果的影響

在3組頻率下開展了M20-6.8緊固件的橫向振動(dòng)試驗(yàn)，共計(jì)90個(gè)試樣。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，首先采用格拉布斯（Grubbs）準(zhǔn)則對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行異常值剔除[5]。

表3 緊固件防松性能規(guī)律研究參數(shù)設(shè)定

表4 三組頻率下緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

經(jīng)過格拉布斯（Grubbs）準(zhǔn)則檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，f=5 Hz和f=10 Hz兩組數(shù)據(jù)中61.1%和36.8%為異常值，在剔除后，再對2組剩余數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值分析，如表5所示，再經(jīng)格拉布斯（Grubbs）準(zhǔn)則檢驗(yàn)后，f=10 Hz一組數(shù)據(jù)中的55.4%為異常值，再次剔除。再對f=10 Hz剩余數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值分析后，無異常值。

表5 剔除異常值后緊固件試驗(yàn)數(shù)據(jù)異常值分析

采用了繪制直方圖的方式對不同頻率下的緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，如圖2所示。

經(jīng)直方圖定性比較，3種頻率試驗(yàn)條件下，5 000次振動(dòng)后，緊固件的剩余緊固軸力與初始預(yù)緊力比值的均值較接近，分布也較相似，沒有呈現(xiàn)明顯的差別，且試驗(yàn)過程都較平穩(wěn)。因此，在試驗(yàn)條件允許情況下，為保證試驗(yàn)效率，建議試驗(yàn)頻率采用12.5 Hz。

3.2 空載振幅對試驗(yàn)結(jié)果的影響

在3組振幅下開展了M20-6.8緊固件的橫向振動(dòng)試驗(yàn)，共計(jì)120個(gè)試樣。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，首先采用格拉布斯（Grubbs）準(zhǔn)則對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行異常值剔除。

經(jīng)過格拉布斯（Grubbs）準(zhǔn)則檢驗(yàn)后，3組數(shù)據(jù)中無異常值需要剔除。此處采用了繪制直方圖的方式對不同振幅下的緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，如圖3所示。

經(jīng)直方圖定性比較，在3組振幅下，5 000次振動(dòng)試驗(yàn)后，對輸電桿塔緊固件的抗振防松性能影響較為明顯。

在s=±1mm試驗(yàn)條件下，5 000次振動(dòng)后緊固件的剩余緊固軸力與初始預(yù)緊力比值最高，呈現(xiàn)以86%為中心的類似正態(tài)分布，且試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性小。

在s=±1.5 mm試驗(yàn)條件下，5 000次振動(dòng)后緊固件的剩余緊固軸力與初始預(yù)緊力比值較s=±1.5 mm試驗(yàn)條件下略高，即呈現(xiàn)以30%為中心的類似正態(tài)分布，數(shù)據(jù)離散性大。

在s=±2 mm試驗(yàn)條件下，5 000次振動(dòng)后緊固件的剩余緊固軸力與初始預(yù)緊力比值最低，呈現(xiàn)以23%為中心的類似正態(tài)分布，且試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性大。

同一批次熱浸鍍鋅緊固件在相同條件下開展橫向振動(dòng)試驗(yàn)，在排除了試驗(yàn)數(shù)據(jù)異常值后，試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性越大，越能反映同一批次緊固件防松性能的差異，有助于對比較判斷緊固件防松性能好壞。

通過本次試驗(yàn)可得出，緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)振幅在±1.5 mm和±2 mm之間選取。

圖2 不同頻率下緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

表6 三組振幅下緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 不同振幅下緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比圖

3.3 振動(dòng)斷裂試驗(yàn)

在上百組試驗(yàn)中，曾出現(xiàn)過緊固件在振動(dòng)過程中斷裂的現(xiàn)象，為得出緊固件可能發(fā)生振動(dòng)斷裂的試驗(yàn)條件，設(shè)置了4組較苛刻的試驗(yàn)條件：

表7 熱鍍鋅緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

每組試驗(yàn)條件的緊固件試樣50顆，規(guī)格等級(jí) M20×6.8，5 000次橫向振動(dòng)試驗(yàn)后，第（2），（3），（4）組試驗(yàn)結(jié)果均正常，沒有出現(xiàn)振動(dòng)斷裂。但第（1）組試驗(yàn)結(jié)果中，50顆緊固件試樣，其中6顆出現(xiàn)了振動(dòng)斷裂的現(xiàn)象，振斷率高達(dá)10%以上。第（1）組試驗(yàn)如表7所示。

由此說明，當(dāng)試驗(yàn)振幅達(dá)到±2 mm、試驗(yàn)頻率12.5 Hz，可能導(dǎo)致緊固件直接振動(dòng)斷裂，不利于分析比較緊固件的防松性能。

4 結(jié)論

通過研究不同試驗(yàn)頻率和空載振幅對緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果的影響，得出以下結(jié)論：

（1）盡管3種試驗(yàn)頻率對緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果影響不大，若沒有實(shí)際使用頻率要求，仍然建議選擇12.5 Hz作為試驗(yàn)頻率，可以提高試驗(yàn)效率，并與GB/T 10431-2008的推薦值保持一致。

（2）選取12.5 Hz作為橫向振動(dòng)試驗(yàn)頻率前提下，空載振幅建議選取±1.5 mm，利于分析比較緊固件的振動(dòng)防松性能，并且不會(huì)因?yàn)檎穹^大、頻率和預(yù)緊力過高導(dǎo)致緊固件振動(dòng)斷裂。

[1]GB/T 10431-2008緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[2]竇金峰，韓寶林，宋廣偉，等.電力輸配電鐵塔緊固件的松動(dòng)和防松方法[J].應(yīng)用技術(shù)，2010（11）∶173-176.

[3]李維榮.螺紋緊固件防松技術(shù)及試驗(yàn)方法研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2005∶26-28.

[4]GB/T 16823.1-1997螺紋緊固件緊固通則[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

[5]王文周.未知σ，t檢驗(yàn)法剔除異常值最好[J].四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，19（3）∶84-86.

（本文編輯：陸 瑩）

Study on Amplitude and Frequency Value for Anti-vibration and Loose Proof Tests of Fasteners Used in Pole&Tower of Transmission Line

YU Hongyun，QIAN Miao，GAO Yibo，QIAN Ke，LI Wenxian

（National Quality Supervision&Inspection Center of Electrical Equipment Safety Performance，Zhejiang Huadian Equipment Testing Institute，Hangzhou 310015，China）

To discuss the test frequency and non-load amplitude value in the power industry standard of Technical Requirements for Anti-vibration and Loose Proof Tests of Fasteners Used in Pole and Tower of Transmission Line，the paper selects 3 regular amplitudes and 3 regular frequencies to and conducted transverse vibration tests on the same batch of fasteners.The result shows that the three frequencies barely have effects on the transverse vibration test results while the non-load amplitude has significant influences.Furthermore,the article further investigates the test conditions when transverse vibration rupture occurs，and provides a set of test frequency and non-load amplitude value，providing references to compilation of Technical Requirements for Anti-vibration and Loose Proof Tests of Fasteners Used in Pole and Tower of Transmission Line.

fasteners；transverse vibration；frequency；amplitude

TM75

B

1007-1881（2016）11-0067-05

2016-09-20

余虹云（1964），女，教授，從事電力器材檢測技術(shù)研究、開發(fā)及應(yīng)用工作。