输电线路用热镀锌螺栓扭矩系数的测定和分析

钱 苗，余虹云，王 梁，李国勇，俞敏波

（浙江省电力公司-国家电网公司电力器材安全性能检测技术实验室，杭州 310015）

0 引言

螺栓连接副是一种紧固连接的机械零件，通常包括螺栓、螺母和垫片（以下简称螺栓），用途极为广泛，在各种设备、车辆、桥梁、结构等处都可以看到，品种规格繁多，性能用途各异，如表面经磷化处理的高强度螺栓被用于钢结构建筑，耐高温螺栓被用于汽轮机。而生产成本低廉的热镀锌螺栓，即表面采用热浸镀锌工艺制造的螺栓，则因其优异的户外耐腐蚀性能而成为输电线路杆塔和变电站构架联接的首选零件[1]，迄今尚无其它螺栓能替代其位置。

扭矩系数是螺栓连接副在紧固状态时扭矩与轴力的关系比值，是紧固的必要和关键参数。根据目前实施的标准，表面磷化的钢结构用螺栓的扭矩系数为0.110～0.150[2]。然而，热镀锌螺栓的热浸镀锌工艺会造成表面粗糙、厚度不均匀等现象，进而导致其扭矩系数离散度较大。热镀锌螺栓扭矩系数的分布规律研究在相关标准和文献中很少述及，给日常施工带来了不便和随意性，螺栓安装时紧固过松或过紧都可能埋下安全隐患。随着国内电网电压等级的提升，对输电线路杆塔和变电站构架的安全可靠性提出了更高要求，大规格、高强度热镀锌螺栓因其扭矩系数等基础数据研究不足，其应用受到阻碍。如国内某超高压输电线路，仅运行数年，杆塔上的热镀锌螺栓就出现了批量松动，不得不调用大量人力再次上塔拧紧螺栓，以消除螺栓松动带来的不安全因素。由此可见，研究、测试热镀锌螺栓的扭矩系数，对消除热镀锌螺栓安装的随意性及减少可能存在的安全隐患十分重要。

本文针对热镀锌螺栓扭矩系数离散的特点，采用“合理选样、批量试验、统计分析”三位一体的基础性研究模式，对热镀锌螺栓扭矩系数的分布规律进行探索。

1 试样筛选

在全国范围内购置了由5家大、中规模且有资质的企业生产的热镀锌螺栓共2 000余套，规格型号为 M16—M36，性能等级为 4.8，6.8，8.8和10.9。在实施热镀锌螺栓扭矩系数试验前，为保证每套试样符合GB/T 3098.1-2010《螺栓机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》规定的要求[3]，在每批相同规格等级的试样中选取2套先进行外观标识检查，没有问题再进行螺栓楔负载、螺母保证载荷性能考核，若试验结果符合要求，则认为该批次螺栓性能等级合格，然后进行扭矩系数试验。

2 测试原理和测试系统

2.1 测试原理

螺栓安装方式如图1所示，此方式采用固定螺栓头，给螺母施加扭矩T，在扭矩T的作用下螺栓获得轴向紧固轴力F，同时被连接件获得压紧力F。根据螺栓在弹性范围内的公式可计算得到扭矩系数K：

式中：d为螺栓的公称直径。

图1 紧固安装方式示意

2.2 测试系统

自主研制的螺栓轴力-扭矩关系测试系统如图2所示。该系统搭载伺服电机和扭矩传感器，轴力传感器置于螺栓与螺母连接处，等效于图1所示的被连接件，用于测试紧固轴力，采用计算机控制，同步读取轴力与扭矩的关系值，再利用公式（1）计算扭矩系数。

图2 螺栓轴力-扭矩关系测定试验系统

3 试验基本条件

每套螺栓试样仅试验1次，并保证在试验室环境内静置2 h以上。采用GB/T 16823.3-1997《螺纹螺栓拧紧试验方法》中给出的A类试验方法，即使用标准垫片的试验方法。标准垫片采用磨削加工方式，保证其表面粗糙度达到Ra0.8[4]的要求。试验基本条件见表1。

表1 试验基本条件

4 试验结果的统计分析

4.1 回归分析

通过试验得到的曲线由扭矩传感器和轴力传感器同步采集的扭矩、轴力数据点组合而成，因此首先要对所有数据曲线进行线性拟合，采用最小二乘法的回归分析。如图3所示，选用Excel中添加趋势线的方法完成曲线的线性回归分析，试验中采集到的是数据对，通过线性拟合，得到拟合曲线y=19.32x，则扭矩系数k=19.32/d=0.54，曲线相关系数R为0.9997，表明该螺栓的紧固扭矩-紧固轴力具有很好的正相关性。此模型的线性特征非常明显，说明拟合直线能以99.97%的涵盖率解释、覆盖实测数据，可以作为该螺栓的扭矩系数曲线。图4给出的曲线相关系数R为0.9838，表明该螺栓的紧固扭矩-紧固轴力线性相关度较之前的弱。

图3 某热镀锌螺栓的扭矩-轴力关系相关性强

图4 某热镀锌螺栓的扭矩-轴力关系相关性较弱

4.2 直方图和正态分布分析

经回归分析，剔除线性相关较弱的曲线后，得到线性相关系数R≥0.99的螺栓共1 563套。扭矩系数统计如表2所示。根据表中的统计量，计算直方图区间、柱数、组距，绘制热镀锌螺栓扭矩系数直方图，如图5所示。从直方图的频数可以看出，频数分布为中间频数多、两侧频数逐渐减少且基本对称，从统计学可以认为，该分布服从或近似服从正态分布。根据直方图频数分布情况，绘制热镀锌螺栓扭矩系数的正态分布，如图6所示。从图6分析得到：试验得到的扭矩系数在0.19～0.83，约70%的扭矩系数集中在0.4～0.6，约95%的扭矩系数集中在0.3～0.7。

5 结论

（1）通过试验，分析统计了1 563套热镀锌螺栓的扭矩系数，虽然离散性很大，但分布有规律可循且非常接近正态分布，以0.51为中间值且呈左右基本对称。

表2 1 563套热镀锌螺栓的扭矩系数统计

图5 热镀锌螺栓扭矩系数

图6 热镀锌螺栓扭矩系数正态分布

（2）根据对1 563套热镀锌螺栓扭矩系数的分布规律统计，有约70%的热镀锌螺栓扭矩系数落在0.4～0.6区间，有约95%的热镀锌螺栓扭矩系数落在0.3～0.7区间。

[1]余虹云，俞成彪，李瑞，等.电力线路器材应用与检测[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2]GB/T 1231-2002钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件[S].北京：中国标准出版社，2002.

[3]GB/T 3098.1-2010螺栓机械性能 螺栓、螺钉和螺柱[S].北京：中国标准出版社，2010.

[4]GB/T 16823.3-1997螺纹螺栓拧紧试验方法[S].北京：中国标准出版社，1997.