输电杆塔紧固件抗振防松试验规程中振幅和频率取值的探讨

余虹云，钱 苗，高义波，钱 科，李文仙

（浙江华电器材检测研究所 国家电力器材产品安全性能质量监督检验中心，杭州 310015）

输电杆塔紧固件抗振防松试验规程中振幅和频率取值的探讨

余虹云，钱 苗，高义波，钱 科，李文仙

（浙江华电器材检测研究所 国家电力器材产品安全性能质量监督检验中心，杭州 310015）

为解决电力行业标准 《输电杆塔紧固件抗振防松试验技术要求》中试验频率和空载振幅的取值问题，选取了3种常规振幅和3种常规频率，对同一批次紧固件进行了横向振动试验研究。研究结果表明，3种频率对紧固件的横向振动试验结果影响不大，而不同空载振幅对紧固件的横向振动试验结果有较大影响。进一步研究了紧固件发生横向振动断裂的试验条件，最终提出一组试验频率、空载振幅的建议值，为编制电力行业标准《输电杆塔紧固件横向振动试验技术要求》提供参考依据。

紧固件；横向振动；频率；振幅

0 引言

到目前为止，用于评价紧固件防松性能的试验方法中，横向振动法是上世纪八十年代以来公认的效果较理想的方法，我国于1989年首次颁发了国家标准GB/T 10431-1989《紧固件横向振动试验方法》，并于2008年修改形成了第二版GB/T 10431-2008《紧固件横向振动试验方法》[1]，这是我国目前各行各业检验紧固件防松性能的唯一标准，主要被广泛用于汽车紧固件、航空紧固件、风电紧固件、铁路紧固件等各类紧固件的防松量化检测。

热浸镀锌紧固件使得输电铁塔构支架之间获得了连接力。随着电力铁塔正朝着高速、大功率的方向发展，对输电杆塔紧固件的松动和防松问题提出了更高的要求[2]，尤其是我国西北电网的大力发展，3 000万kW“疆电外送”能力的形成，各种因大范围存在的强风、沙尘、大温差等极端气象环境造成输电杆塔紧固件松脱问题时有发生，给西北电网安全稳定运行带来了难以想象的困难和挑战。由此，输电杆塔紧固件的防松性能被摆在了重要位置。

研究GB/T 10431-2008，认为该标准没有针对热浸镀锌紧固件的使用环境做出具体要求。例如GB/T 10431-2008中仅给出了试验频率的推荐值和振幅的正弦波形，对振幅没有给出具体要求，缺乏可执行性。因此，专门针对输电杆塔用热浸镀锌紧固件起草了电力行业标准《输电杆塔紧固件抗振防松试验技术要求》，通过研究分析不同试验频率和空载振幅对横向振动试验结果的影响，最终提出输电杆塔紧固件横向振动试验的试验频率和空载振幅，使标准更具可执行性。

1 横向振动松动试验

1.1 试验原理

将被试紧固件安装在试验机上，施加扭矩使之产生夹紧力，在施扭过程中同时读取扭矩和夹紧力值，直至达到预定的扭矩或夹紧力，停止施扭，然后开机。

借助于试验机在被夹紧的上下两块相对运动的金属板之间产生的交变横向位移，使连接受到干扰而松动，导致夹紧力逐渐减小，甚至完全丧失。在试验过程中连续记录夹紧力的瞬时值，根据记录数据的变化对比可以判断紧固件防松性能。在试验过程中，夹紧力减小得越慢，防松性能越好；反之，夹紧力减小得越快，防松性能越差。典型的夹紧力变化曲线如图1所示[3]。

图1 夹紧力变化曲线

1.2 FPL-600低温横向振动试验系统

FPL-600横向振动试验系统由1台三相异步电动机提供动力，采用宽V带无级变速器调速，再经多楔带传动至偏心轮，偏心轮将旋转运动转化为连杆的竖直往复运动，最后由横向力传感器和连接板与试验装置动板连接。系统同时配置高低温试验箱（-40℃～60℃），可开展环境温度试验。

2 试样选取及试验参数的确定

2.1 试样选取

为尽量减少紧固件试样差异对试验结果的影响，使试验结果更具有可比性，采购了同一批次、性能等级、炉号、结构、螺纹规格及长度的热镀锌紧固件。M20-6.8为输电杆塔紧固件常用型号紧固件。

表1 紧固件试样规格型号明细

2.2 试验参数的确定

输电杆塔所用热浸镀锌紧固件的螺栓主要承受剪切应力，螺栓抗剪强度为0.62Rm，min，因此经验得出螺栓承受的紧固轴力值需小于其最小拉断力的62%[4]。为此，也进行了试验验证，对M20-6.8的紧固件扭断时所承受的轴力进行了测试，其平均值约为99.33 kN，约为最小拉断力标称值的67.57%（如表2所示），从而验证了上述经验结论。

表2 6.8级紧固件扭断夹紧力与标称最小拉断力的百分比值

以测试紧固件防松性能为目的，将预紧力设置为较为安全的最小拉断力标称值的40%。

试验振动次数为5 000次。

试验在室温20±5℃范围中进行。

试验频率选取较常用的5 Hz，10 Hz，12.5 Hz。

空载振幅为正弦波，选取较为常用的±1 mm，±1.5 mm，±2 mm。

试验采用二因素三水平正交试验法，试验表如表3所示。

3 紧固件横向振动试验

3.1 试验频率对试验结果的影响

在3组频率下开展了M20-6.8紧固件的横向振动试验，共计90个试样。试验结果如表4所示，首先采用格拉布斯（Grubbs）准则对试验结果进行异常值剔除[5]。

表3 紧固件防松性能规律研究参数设定

表4 三组频率下紧固件横向振动试验数据

经过格拉布斯（Grubbs）准则检验后发现，f=5 Hz和f=10 Hz两组数据中61.1%和36.8%为异常值，在剔除后，再对2组剩余数据进行异常值分析，如表5所示，再经格拉布斯（Grubbs）准则检验后，f=10 Hz一组数据中的55.4%为异常值，再次剔除。再对f=10 Hz剩余数据进行异常值分析后，无异常值。

表5 剔除异常值后紧固件试验数据异常值分析

采用了绘制直方图的方式对不同频率下的紧固件横向振动试验数据进行了比较，如图2所示。

经直方图定性比较，3种频率试验条件下，5 000次振动后，紧固件的剩余紧固轴力与初始预紧力比值的均值较接近，分布也较相似，没有呈现明显的差别，且试验过程都较平稳。因此，在试验条件允许情况下，为保证试验效率，建议试验频率采用12.5 Hz。

3.2 空载振幅对试验结果的影响

在3组振幅下开展了M20-6.8紧固件的横向振动试验，共计120个试样。试验结果如表6所示，首先采用格拉布斯（Grubbs）准则对试验结果进行异常值剔除。

经过格拉布斯（Grubbs）准则检验后，3组数据中无异常值需要剔除。此处采用了绘制直方图的方式对不同振幅下的紧固件横向振动试验数据进行了比较，如图3所示。

经直方图定性比较，在3组振幅下，5 000次振动试验后，对输电杆塔紧固件的抗振防松性能影响较为明显。

在s=±1mm试验条件下，5 000次振动后紧固件的剩余紧固轴力与初始预紧力比值最高，呈现以86%为中心的类似正态分布，且试验数据离散性小。

在s=±1.5 mm试验条件下，5 000次振动后紧固件的剩余紧固轴力与初始预紧力比值较s=±1.5 mm试验条件下略高，即呈现以30%为中心的类似正态分布，数据离散性大。

在s=±2 mm试验条件下，5 000次振动后紧固件的剩余紧固轴力与初始预紧力比值最低，呈现以23%为中心的类似正态分布，且试验数据离散性大。

同一批次热浸镀锌紧固件在相同条件下开展横向振动试验，在排除了试验数据异常值后，试验数据离散性越大，越能反映同一批次紧固件防松性能的差异，有助于对比较判断紧固件防松性能好坏。

通过本次试验可得出，紧固件横向振动试验振幅在±1.5 mm和±2 mm之间选取。

图2 不同频率下紧固件横向振动试验数据对比

表6 三组振幅下紧固件横向振动试验数据

图3 不同振幅下紧固件横向振动试验数据对比图

3.3 振动断裂试验

在上百组试验中，曾出现过紧固件在振动过程中断裂的现象，为得出紧固件可能发生振动断裂的试验条件，设置了4组较苛刻的试验条件：

表7 热镀锌紧固件横向振动试验数据

每组试验条件的紧固件试样50颗，规格等级 M20×6.8，5 000次横向振动试验后，第（2），（3），（4）组试验结果均正常，没有出现振动断裂。但第（1）组试验结果中，50颗紧固件试样，其中6颗出现了振动断裂的现象，振断率高达10%以上。第（1）组试验如表7所示。

由此说明，当试验振幅达到±2 mm、试验频率12.5 Hz，可能导致紧固件直接振动断裂，不利于分析比较紧固件的防松性能。

4 结论

通过研究不同试验频率和空载振幅对紧固件横向振动试验结果的影响，得出以下结论：

（1）尽管3种试验频率对紧固件横向振动试验结果影响不大，若没有实际使用频率要求，仍然建议选择12.5 Hz作为试验频率，可以提高试验效率，并与GB/T 10431-2008的推荐值保持一致。

（2）选取12.5 Hz作为横向振动试验频率前提下，空载振幅建议选取±1.5 mm，利于分析比较紧固件的振动防松性能，并且不会因为振幅过大、频率和预紧力过高导致紧固件振动断裂。

[1]GB/T 10431-2008紧固件横向振动试验方法[S].北京：中国标准出版社，2008.

[2]窦金峰，韩宝林，宋广伟，等.电力输配电铁塔紧固件的松动和防松方法[J].应用技术，2010（11）∶173-176.

[3]李维荣.螺纹紧固件防松技术及试验方法研究[D].合肥：合肥工业大学，2005∶26-28.

[4]GB/T 16823.1-1997螺纹紧固件紧固通则[S].北京：中国标准出版社，1997.

[5]王文周.未知σ，t检验法剔除异常值最好[J].四川工业学院学报，2000，19（3）∶84-86.

（本文编辑：陆 莹）

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，从事电力器材检测技术研究、开发及应用工作。