一種彈性螺紋分離式防松螺母的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉新斌， 王 純， 吳昊天， 張江華， 段亞男

（國(guó)網(wǎng)荊州供電公司 輸電運(yùn)檢分公司， 湖北 荊州 434000）

0 引言

近年來(lái)輸電線路大風(fēng)、雨雪、覆冰、舞動(dòng)頻繁發(fā)生，造成輸電桿塔破壞的現(xiàn)象越來(lái)越突出， 甚至還造成倒塔事故。電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)來(lái)說(shuō)，輸電桿塔破壞屬于難以直接恢復(fù)的電力事故，由此造成的停電損失及其修護(hù)成本也較高。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘、調(diào)查分析、試驗(yàn)研究及理論分析，發(fā)現(xiàn)除特殊運(yùn)行工況超過(guò)鐵塔設(shè)計(jì)使用條件而引發(fā)的倒塔事故外，受壓區(qū)失穩(wěn)破壞是鐵塔破壞的主要原因之一，螺栓松動(dòng)是引發(fā)失穩(wěn)的主要原因， 導(dǎo)線的舞動(dòng)引起橫擔(dān)螺栓松動(dòng)脫落， 主材在疲勞應(yīng)力作用下形成疲勞破壞并擴(kuò)展最后松脫[1]。 為了避免上述現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)了一種彈性螺紋分離式防松螺母來(lái)預(yù)防螺栓松動(dòng)引起的鐵塔破壞。

1 桿塔螺栓松動(dòng)的原因與傳統(tǒng)處理對(duì)策

1.1 桿塔螺栓松動(dòng)的原因分析

桿塔結(jié)構(gòu)螺栓松動(dòng)受多種因素影響， 外部環(huán)境因素主要包括導(dǎo)線舞動(dòng)、大風(fēng)、鐵路沿線振動(dòng)等，主觀因素包括但不局限于結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)、 材料機(jī)械性能、 安裝工藝等，松動(dòng)機(jī)理模型非常復(fù)雜。 經(jīng)過(guò)對(duì)鐵塔螺栓松動(dòng)原因進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)， 標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)螺紋存在螺紋加工的角度誤差和牙距誤差，導(dǎo)致螺栓和基體內(nèi)螺紋之間的接觸面很小，從而導(dǎo)致基體螺紋的受力不均，降低了螺紋連接的強(qiáng)度。 經(jīng)模擬仿真受力分析研究，普通剛性連接螺母第一、第二和第三螺紋嚙合面承載了70%～80%的負(fù)荷，其余螺紋嚙合面承受的負(fù)荷很少[2]。 剛性螺紋受力情況見(jiàn)圖1 所示。

圖1 剛性螺紋受力分析圖

普通螺紋緊固件在振動(dòng)負(fù)荷條件下， 很容易克服螺紋接觸面上的鎖緊力產(chǎn)生振動(dòng)進(jìn)而松脫。 當(dāng)擰緊力矩較大時(shí)， 壓力集中在第一、 第二螺紋連接處，極易造成螺紋彎曲和剪切變形，使得第二螺紋承受壓力，并產(chǎn)生鎖緊力，以此類(lèi)推，承載負(fù)荷面將受力逐個(gè)傳遞，造成螺紋依次剪切和磨損，導(dǎo)致螺母和螺紋強(qiáng)度大幅度下降，直至失效[3]。

1.1.1 桿塔螺栓松動(dòng)特性研究

結(jié)合相關(guān)橫向振動(dòng)防松性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)， 對(duì)桿塔螺栓現(xiàn)有防松措施防松性能進(jìn)行試驗(yàn)， 通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析、不斷調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)，得出最符合鐵塔螺栓松動(dòng)的模擬試驗(yàn)特征參數(shù)。

1.1.2 彈性螺紋分離式防松螺母研制

提出彈性螺紋分離式防松螺母設(shè)計(jì)思路， 制作相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙及初始樣品， 結(jié)合第一項(xiàng)松動(dòng)特性參數(shù)的研究結(jié)果及防松性能試驗(yàn)， 調(diào)整彈性螺紋分離式防松螺母最佳設(shè)計(jì)參數(shù)，使其在桿塔松動(dòng)特性條件下能提供最佳的防松性能。

1.2.3 桿塔關(guān)鍵防松位置研究

結(jié)合電力設(shè)計(jì)院結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算公式， 以及運(yùn)行維護(hù)部門(mén)運(yùn)維數(shù)據(jù)， 對(duì)不同通用塔型易產(chǎn)生松動(dòng)的節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行研究，例如角鋼包鐵處、導(dǎo)線掛點(diǎn)等位置，形成完整的不同通用塔型關(guān)鍵防松位置文件。

1.2 傳統(tǒng)處理措施存在的弊端

為保證桿塔的安全運(yùn)行， 運(yùn)維人員需定期對(duì)桿塔螺栓進(jìn)行擰緊加固。蒙東地區(qū)大風(fēng)區(qū)較多，在帶來(lái)巨大風(fēng)能資源的同時(shí)， 風(fēng)力造成的鐵塔螺栓松動(dòng)問(wèn)題也為輸電線路桿塔的安全運(yùn)行帶來(lái)的極大的考驗(yàn)。 為保證輸電桿塔的安全運(yùn)行，運(yùn)維人員需定期對(duì)桿塔螺栓進(jìn)行擰緊加固，在一定程度上存在不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理隱患的風(fēng)險(xiǎn)，且人工成本較高[4]。

2 一種彈性螺紋分離式防松螺母的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的

目前電力系統(tǒng)對(duì)于在役線路桿塔結(jié)構(gòu)防松動(dòng)改造一般采用加裝普通螺母或者其他簡(jiǎn)易防松產(chǎn)品， 對(duì)于新建線路則會(huì)在設(shè)計(jì)階段對(duì)關(guān)鍵防松部位直接采用雙螺母設(shè)計(jì)來(lái)防止松動(dòng)， 此類(lèi)桿塔防松解決方法均不同程度地存在防松效果不佳、 施工復(fù)雜、 后期運(yùn)行維護(hù)不方便等問(wèn)題。結(jié)合電力系統(tǒng)現(xiàn)有措施及其特點(diǎn)，結(jié)合電力系統(tǒng)輸電應(yīng)用場(chǎng)景的防松需求特性， 開(kāi)發(fā)基于彈性連接的彈性螺紋分離式防松螺母，并對(duì)其應(yīng)用方法進(jìn)行研究，結(jié)合電力設(shè)計(jì)院結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算原則以及運(yùn)行維護(hù)部門(mén)運(yùn)維統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)常見(jiàn)通用塔型易產(chǎn)生松動(dòng)的節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行研究，同時(shí)形成完整的不同通用塔型關(guān)鍵防松位置研究成果[5]。歸納起來(lái)， 本次設(shè)計(jì)彈性螺紋分離式防松螺母的目的有兩個(gè)：一是解決架空輸電線路桿塔緊固件松動(dòng)問(wèn)題；現(xiàn)有輸電線路桿塔防松方法一般包括雙螺母加固安裝、 安裝防松卡、永久防松和加裝平墊& 彈墊等方式進(jìn)行防松，但是其在電力系統(tǒng)輸電線路應(yīng)用場(chǎng)景下防松性能參差不齊且部分措施有一定的應(yīng)用局限性。 通過(guò)對(duì)輸電線路應(yīng)場(chǎng)景進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)分離式彈性螺紋結(jié)構(gòu)防松螺母，通過(guò)其安裝在桿塔上良好的防松性能來(lái)解決輸電線路桿塔由于導(dǎo)線舞動(dòng)、螺栓自松動(dòng)等原因造成的主體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，有效保障輸電線路的安全運(yùn)行。二是結(jié)合重點(diǎn)防護(hù)的應(yīng)用理念，對(duì)易松動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)防松。 傳統(tǒng)輸電線路桿塔防松加固方案通常采用全塔加裝同樣的防松措施或者僅在桿塔上半部分全部安裝， 對(duì)于安裝位置的選擇具有一定的盲目性， 本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)典型桿塔結(jié)構(gòu)在靜態(tài)載荷及動(dòng)態(tài)載荷下的受力及結(jié)構(gòu)變化情況進(jìn)行分析研究， 結(jié)合輸電運(yùn)維部門(mén)在日常檢修中統(tǒng)計(jì)到的相關(guān)數(shù)據(jù)， 找出通用塔型在自然條件下最容易產(chǎn)生松動(dòng)的節(jié)點(diǎn)部位， 并加裝彈性螺紋分離式防松螺母進(jìn)行重點(diǎn)位置防松， 可提供更具針對(duì)性的防松加固產(chǎn)品和應(yīng)用方案， 有效地保護(hù)輸電線路桿塔的結(jié)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定性。

3 當(dāng)前預(yù)防線路桿塔及接續(xù)金具螺栓松動(dòng)的對(duì)策

3.1 防松卡

防松卡（見(jiàn)圖2），其防松結(jié)構(gòu)主要包括U 形鋼片、擋片和螺栓螺母組成，防松卡U 形鋼片兩端各有一組六角形花瓣擋片，分別套住螺栓的頭部和螺母的六個(gè)側(cè)壁，在螺栓螺絲側(cè)壁增加了緊固力， 板面蠕動(dòng)和熱脹冷縮的變化施加了一定的預(yù)緊能量，防止螺桿退絲，阻止螺桿和螺母的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，以此來(lái)達(dá)到防松目的。 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但由于其不能提供足夠大的摩擦力和緊固力來(lái)止退，所以防松效果相對(duì)很一般。

圖2 防松卡

3.2 雙螺母防松

雙螺母結(jié)構(gòu) （見(jiàn)圖3），其包括內(nèi)螺母和外螺母，是簡(jiǎn)單地在原有一顆螺母的基礎(chǔ)上加裝一顆外螺母來(lái)增加整個(gè)連接系統(tǒng)的夾緊力，以?shī)A緊力的增加來(lái)增大螺母與連接面之間的摩擦力， 進(jìn)而起到防松的作用。這種方案只需要增加一顆螺母及安裝量， 成本低，施工方便，但是由于其并未解決剛性螺母每圈螺紋受力不均勻的問(wèn)題，且內(nèi)外兩顆螺母之間力的疊加狀態(tài)比較復(fù)雜，所以剛性螺母存在的螺紋受損問(wèn)題依然存在，相應(yīng)的連接強(qiáng)度和防松性能提高程度也十分有限。 雙螺母加固方案見(jiàn)圖4 所示。

圖3 雙螺母防松

圖4 雙螺母加固方案

4 彈性螺紋分離式防松螺母的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 彈性螺紋分離式防松螺母結(jié)構(gòu)特征及技術(shù)參數(shù)研究

基于彈性螺紋、彈性連接的設(shè)計(jì)思路，結(jié)合電力系統(tǒng)螺母基本性能參數(shù)要求， 對(duì)彈性螺紋分離式防松螺母原理結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在使其滿足電力螺母基本性能要求的前提下實(shí)現(xiàn)彈性連接的防松效果。

4.2 彈性螺紋分離式防松螺母性能參數(shù)研究

根據(jù)GB/T 10431-2008 《緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法》或其他通用試驗(yàn)方法，對(duì)彈性螺紋分離式防松螺母性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，使其防松性能達(dá)到最佳效果。

4.3 通用塔型重點(diǎn)防松節(jié)點(diǎn)位置研究

結(jié)合電力設(shè)計(jì)院結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算公式或相關(guān)仿真模型，以及運(yùn)行維護(hù)部門(mén)運(yùn)維數(shù)據(jù)，對(duì)不同通用塔型易產(chǎn)生松動(dòng)的節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行研究，例如角鋼包鐵處、導(dǎo)線掛點(diǎn)等位置，形成完整的不同通用塔型關(guān)鍵防松位置研究成果。

4.4 試點(diǎn)成果驗(yàn)證及效果評(píng)估

結(jié)合防松螺母產(chǎn)品研究及桿塔關(guān)鍵防松位置研究成果，選取松動(dòng)嚴(yán)重區(qū)域的桿塔進(jìn)行試點(diǎn)工程安裝評(píng)估，結(jié)合運(yùn)維部門(mén)對(duì)試點(diǎn)工程桿塔松動(dòng)周期制定運(yùn)行效果評(píng)估時(shí)間， 對(duì)彈性螺紋分離式防松螺母在試點(diǎn)桿塔安裝前后的關(guān)鍵位置螺栓運(yùn)行情況進(jìn)行對(duì)比， 測(cè)量螺栓預(yù)緊力或殘余扭矩，分析項(xiàng)目運(yùn)行成果。

5 結(jié)語(yǔ)

彈性螺紋分離式防松螺母的設(shè)計(jì)可有效解決輸電線路桿塔螺栓松動(dòng)問(wèn)題，大大延長(zhǎng)桿塔螺栓緊固周期，降低運(yùn)維緊固頻次，直接節(jié)約人工成本。在提升客戶對(duì)企業(yè)服務(wù)的滿意度和企業(yè)形象方面展現(xiàn)出較高的社會(huì)效益。