輸電塔橫擔(dān)螺栓鋁合金防松墊片的防松性能研究與改進(jìn)設(shè)計(jì)

方子帆 吳祖雙 朱 暢 何孔德

(1.三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 宜昌 443002;2.三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

螺栓連接是輸電塔主要的連接方式之一.通常情況下,架空輸電線路容易在風(fēng)載作用下發(fā)生導(dǎo)線的振動(dòng).由于長(zhǎng)期受到大風(fēng)等交變荷載的作用,輸電塔橫擔(dān)螺栓容易發(fā)生松動(dòng).橫擔(dān)螺栓是輸電塔中常用的連接部件,軸向拉壓載荷以及徑向剪切載荷是輸電塔橫擔(dān)螺栓的主要受力形式,剪切載荷和拉壓載荷是引起螺栓松動(dòng)的關(guān)鍵因素.研究表明,在螺紋連接中,動(dòng)態(tài)的橫向載荷比軸向載荷更容易引起其松動(dòng).螺栓在發(fā)生局部滑動(dòng)時(shí),可以在相對(duì)較低的橫向剪切力作用下發(fā)生松動(dòng)[1-7],螺栓接頭發(fā)生局部滑移時(shí)會(huì)發(fā)生自松[8].在螺栓松動(dòng)的初始階段,材料的塑性變形導(dǎo)致預(yù)緊力的下降是螺紋緊固件發(fā)生松動(dòng)的重要原因[9-10].在橫向循環(huán)載荷作用下,螺紋接觸面先于承壓面進(jìn)入滑移狀態(tài),載荷幅值越大,松動(dòng)越容易發(fā)生[11];剪切載荷下螺栓連接結(jié)構(gòu)松動(dòng)機(jī)理是接觸界面間滑移和螺紋表面微動(dòng)磨損[12].材料松動(dòng)期內(nèi)沖擊載荷幅值越大,螺紋牙底部材料塑性變形越大,螺栓軸力下降量越大,下降速度越快,螺栓松動(dòng)越容易發(fā)生[13].就防松而言,使用雙螺母擰緊法具有明顯的抗松特性[14].

根據(jù)上述螺栓松動(dòng)機(jī)理,針對(duì)拉伸剪切組合載荷作用下螺栓的防松問(wèn)題,借助有限元分析方法,對(duì)防松螺栓進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究.

1 防松結(jié)構(gòu)研究步驟及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 研究步驟

結(jié)合工程實(shí)際和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,本文采用的研究步驟如下:

1)根據(jù)工程實(shí)際,建立輸電塔橫擔(dān)螺栓連接模型;

2)根據(jù)輸電塔橫擔(dān)螺栓連接的實(shí)際受力情況,建立二維力學(xué)模型;

3)利用ANSYS對(duì)不同的組合防松螺栓進(jìn)行有限元分析,提取螺母接觸面應(yīng)力、螺栓預(yù)緊力和螺母松動(dòng)角度,根據(jù)得到的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)提出最優(yōu)組合防松螺栓;

4)結(jié)合理論研究,設(shè)計(jì)輸電塔橫擔(dān)防松螺栓;

5)結(jié)合工程實(shí)際提出防松螺栓的應(yīng)用案例.

1.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合工程實(shí)際,提出不同組合防松螺栓防松性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為:當(dāng)預(yù)緊力為5～10 kN 時(shí),若預(yù)緊力下降百分比為小于9%,或螺栓松動(dòng)角度小于1.5°,則可判定防松螺栓防松性能良好;當(dāng)預(yù)緊力為10～25 kN 時(shí),若預(yù)緊力下降百分比小于6%,或螺栓松動(dòng)角度小于1.4°,則可判定防松螺栓防松性能良好;當(dāng)預(yù)緊力大于25 kN 時(shí),若預(yù)緊力下降百分比小于4%,或螺栓松動(dòng)角度小于1.3°,則可判定防松螺栓防松性能良好[15].

1.3 模型建立

輸電塔的塔身部分固定在地面上,橫擔(dān)部分通過(guò)連接螺栓連接在塔身上,建立輸電塔橫擔(dān)螺栓連接模型如圖1所示.模型由固定連接板、隨動(dòng)連接板、螺栓和螺母組成.固定連接板和隨動(dòng)連接板材料選用Q420鋼,材料彈性模量為2.06×105MPa,泊松比為0.28,密度為7.85×10-6kg/mm3;螺栓和螺母材料選用Q345鋼,材料彈性模量為2.06×105MPa,泊松比為0.28,密度為7.85×10-6kg/mm3.

圖1 輸電塔橫擔(dān)螺栓連接模型

根據(jù)螺栓螺母規(guī)格與材料計(jì)算出螺栓預(yù)緊力取值范圍,在取值范圍內(nèi)取螺栓預(yù)緊力大小為11 kN,將螺栓預(yù)緊力加到螺栓柱面.擬定螺栓連接模型所受合載荷幅值為15 kN,隨動(dòng)板自重為31 kg.正交分解后將載荷加到隨動(dòng)連接板與螺母接觸面和底面上,螺母接觸面所受載荷即螺紋聯(lián)接件所受拉壓載荷,正交分解后得到拉壓載荷公式為F1=7 500·sin10πt;底面所受載荷即螺紋聯(lián)接件所受剪切載荷,正交分解后得到剪切公式為F2=6 495·sin10πt+6 805,由公式可得拉壓、剪切載荷曲線如圖2～3所示.

圖2 拉壓載荷曲線

圖3 剪切載荷曲線

2 不同防松墊圈的對(duì)比研究

2.1 使用普通防松墊圈

在Workbench中導(dǎo)入建立的輸電塔橫擔(dān)螺栓模型進(jìn)行有限元仿真,提取該模型的螺母接觸面應(yīng)力曲線、預(yù)緊力變化曲線和螺母松動(dòng)角度曲線,分別如圖4～6所示.

圖4 螺母接觸面應(yīng)力曲線

圖5 預(yù)緊力變化曲線

圖6 螺母松動(dòng)角度曲線

從圖4～6分析可知,使用普通防松螺栓時(shí),螺母接觸面最大應(yīng)力為190.65 MPa,預(yù)緊力下降最大百分比為14.58%,螺母最大松動(dòng)角度為0.276 41°.

結(jié)合提出的防松螺栓防松性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知,在使用普通防松螺栓時(shí),預(yù)緊力下降百分比未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值,但螺母松動(dòng)角度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值.說(shuō)明:該模型主要由于預(yù)緊力的下降導(dǎo)致松動(dòng),防松性能主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為預(yù)緊力下降百分比.即使用組合防松螺栓后,若螺母接觸面最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力,螺母松動(dòng)角度小于1.4°,預(yù)緊力下降最大百分比小于6%,則預(yù)緊力下降百分比越小,防松螺栓防松性能越好.

2.2 使用不同形狀鋁合金墊圈的組合防松螺栓

鋁合金部分性能比鋼結(jié)構(gòu)好[16],提出一種使用不同形狀鋁合金墊圈的組合防松螺栓,通過(guò)改變墊圈的形狀,比較不同形狀鋁合金墊圈防松螺栓的防松性能.帶凹凸面的鋁合金墊圈模型如圖7～8所示.

圖7 單面凹凸墊圈

圖8 雙面凹凸墊圈

分別對(duì)鋁合金單面凹凸墊圈和鋁合金雙面凹凸墊圈的單螺栓連接模型進(jìn)行有限元分析,比較平墊圈、單面凹凸墊圈和雙面凹凸墊圈3種不同形狀墊圈的防松性能.

提取不同形狀鋁合金墊圈仿真模型的螺母接觸面應(yīng)力曲線、預(yù)緊力變化曲線和螺母松動(dòng)角度曲線,如圖9～11所示.

圖9 螺母接觸面應(yīng)力曲線

圖10 預(yù)緊力變化曲線

圖11 螺母松動(dòng)角度曲線

不同形狀鋁合金墊圈的螺母接觸面應(yīng)力、預(yù)緊力下降百分比、螺母松動(dòng)角度對(duì)比分析見(jiàn)表1.

表1 不同形狀鋁合金墊圈的螺母接觸面應(yīng)力、預(yù)緊力下降百分比、螺母松動(dòng)角度對(duì)比分析

由表1分析可知,相比于使用鋁合金平墊圈和鋁合金單面凹凸墊圈,使用鋁合金雙面凹凸墊圈,預(yù)緊力下降百分比最小,降低螺母松動(dòng)趨勢(shì)的效果最好.雙面凹凸面螺母外表面接觸面積最小,接觸面的正應(yīng)力最大,說(shuō)明墊圈外表面的接觸面積越小,防松性能越好.僅使用不同形狀的鋁合金墊圈對(duì)降低螺母松動(dòng)趨勢(shì)雖然有著顯著效果,但是預(yù)緊力下降百分比大于6%,也達(dá)不到預(yù)期要求.故考慮選用自鎖雙螺母和墊圈組合的防松方式,對(duì)防松墊圈進(jìn)行符合工況的設(shè)計(jì)研究.

3 防松墊圈設(shè)計(jì)

3.1 螺栓選擇

選擇螺栓材料為Q345鋼、性能等級(jí)為12.9 級(jí)的螺栓,由GB/T 3098.1—2010查得材料屈服極限σs=1 080 MPa,安全系數(shù)s=1.5,故螺栓材料的許用應(yīng)力:

根據(jù)力學(xué)模型可知螺栓總拉力:F1=7 500 N,求得螺栓危險(xiǎn)截面的直徑:

由GB/T 5780—2000選用單線右旋螺紋,公稱(chēng)直徑d=10 mm 的六角頭螺栓.其中,螺栓中徑d1=9.025 8 mm,螺距P=1.5 mm,計(jì)算可得螺栓螺紋升角φ=arctan=3.03°.

3.2 自鎖雙螺母

如圖12所示,自鎖雙螺母選用由一對(duì)凹凸六角螺母組成,公稱(chēng)直徑d3=10 mm,螺紋單線右旋.兩螺母連接處楔形面與基準(zhǔn)面夾角為10°,大于所用螺紋聯(lián)接件的螺紋升角,兩螺母發(fā)生自鎖.凹、凸螺母材料選用Q345鋼,螺母性能等級(jí)均為12級(jí).

圖12 自鎖雙螺母

3.3 鋁合金雙面凹凸墊圈設(shè)計(jì)

根據(jù)理論研究,設(shè)計(jì)出雙面凹凸墊圈如圖13所示.

圖13 鋁合金雙面凹凸墊圈(單位:mm)

墊圈直徑為d4=20 mm,墊圈內(nèi)徑為d5=11 mm.該墊圈兩表面分別帶有4對(duì)凹凸面,每對(duì)凹凸面由5個(gè)平面組成,其中兩個(gè)平面與水平面平行,其他平面與水平面的夾角為45°,凹凸面深度為0.25 mm,墊圈厚度為2.5 mm,墊圈材料選用6061鋁合金.

4 應(yīng)用實(shí)例

將設(shè)計(jì)出的組合防松螺栓應(yīng)用到輸電塔,實(shí)際輸電塔橫擔(dān)與塔身處的螺栓連接模型與所建立的橫擔(dān)螺栓模型相似,如圖14所示.

圖14 輸電塔橫擔(dān)與塔身處螺栓連接模型

根據(jù)實(shí)際工況可知,輸電塔受到的實(shí)際風(fēng)載為10級(jí)風(fēng).根據(jù)鐵塔的實(shí)際高度,將風(fēng)載等效為橫擔(dān)螺栓連接模型處的拉壓和剪切載荷如圖15～16所示.

圖15 拉壓載荷曲線

圖16 剪切載荷曲線

提取該模型螺母接觸面應(yīng)力曲線、預(yù)緊力變化曲線、凸螺母松動(dòng)角度如圖17～19所示.

圖17 螺母接觸面應(yīng)力曲線

圖18 預(yù)緊力變化曲線

圖19 凸螺母松動(dòng)角度

由圖17～19分析可知,實(shí)際風(fēng)載作用下,使用組合防松螺栓的輸電塔橫擔(dān)與塔身處連接螺栓預(yù)緊力下降百分比為1.95%,凸螺母松動(dòng)角度為0.325 2°,達(dá)到防松標(biāo)準(zhǔn).說(shuō)明該防松結(jié)構(gòu)防松性能顯著,適用于輸電塔橫擔(dān)與塔身處連接螺栓的防松.

5 結(jié)論

對(duì)拉壓剪切組合載荷作用下輸電塔橫擔(dān)螺栓連接結(jié)構(gòu)的防松機(jī)理和防松螺栓進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究,得到了以下結(jié)論:

1)根據(jù)螺栓受拉壓載荷的實(shí)際工況,通過(guò)對(duì)螺栓受載進(jìn)行有限元分析,表明單一墊圈防松效果不佳,提出一種使用雙面凹凸鋁合金墊圈和自鎖雙螺母組合的防松方案,結(jié)果表明防松效果大幅增強(qiáng),能滿(mǎn)足工況要求.

2)基于螺栓實(shí)際工況和相關(guān)設(shè)計(jì)理論,設(shè)計(jì)出一種鋁合金雙面凹凸防松墊圈,對(duì)其幾何形狀和相關(guān)幾何參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并結(jié)合自鎖雙螺母,組合為一種新的防松方案,仿真結(jié)果表明防松效果顯著提升.

3)將設(shè)計(jì)出的組合防松螺栓應(yīng)用到輸電塔,通過(guò)仿真結(jié)果研究表明,防松結(jié)構(gòu)防松性能顯著,所設(shè)計(jì)的組合防松方案具有較大的實(shí)用性.