输电塔横担螺栓铝合金防松垫片的防松性能研究与改进设计

方子帆 吴祖双 朱 畅 何孔德

(1.三峡大学 水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室,湖北 宜昌 443002;2.三峡大学 机械与动力学院,湖北 宜昌 443002)

螺栓连接是输电塔主要的连接方式之一.通常情况下,架空输电线路容易在风载作用下发生导线的振动.由于长期受到大风等交变荷载的作用,输电塔横担螺栓容易发生松动.横担螺栓是输电塔中常用的连接部件,轴向拉压载荷以及径向剪切载荷是输电塔横担螺栓的主要受力形式,剪切载荷和拉压载荷是引起螺栓松动的关键因素.研究表明,在螺纹连接中,动态的横向载荷比轴向载荷更容易引起其松动.螺栓在发生局部滑动时,可以在相对较低的横向剪切力作用下发生松动[1-7],螺栓接头发生局部滑移时会发生自松[8].在螺栓松动的初始阶段,材料的塑性变形导致预紧力的下降是螺纹紧固件发生松动的重要原因[9-10].在横向循环载荷作用下,螺纹接触面先于承压面进入滑移状态,载荷幅值越大,松动越容易发生[11];剪切载荷下螺栓连接结构松动机理是接触界面间滑移和螺纹表面微动磨损[12].材料松动期内冲击载荷幅值越大,螺纹牙底部材料塑性变形越大,螺栓轴力下降量越大,下降速度越快,螺栓松动越容易发生[13].就防松而言,使用双螺母拧紧法具有明显的抗松特性[14].

根据上述螺栓松动机理,针对拉伸剪切组合载荷作用下螺栓的防松问题,借助有限元分析方法,对防松螺栓进行设计与研究.

1 防松结构研究步骤及评价标准

1.1 研究步骤

结合工程实际和国内外研究现状,本文采用的研究步骤如下:

1)根据工程实际,建立输电塔横担螺栓连接模型;

2)根据输电塔横担螺栓连接的实际受力情况,建立二维力学模型;

3)利用ANSYS对不同的组合防松螺栓进行有限元分析,提取螺母接触面应力、螺栓预紧力和螺母松动角度,根据得到的评价标准提出最优组合防松螺栓;

4)结合理论研究,设计输电塔横担防松螺栓;

5)结合工程实际提出防松螺栓的应用案例.

1.2 评价标准

结合工程实际,提出不同组合防松螺栓防松性能的评价标准为:当预紧力为5～10 kN 时,若预紧力下降百分比为小于9%,或螺栓松动角度小于1.5°,则可判定防松螺栓防松性能良好;当预紧力为10～25 kN 时,若预紧力下降百分比小于6%,或螺栓松动角度小于1.4°,则可判定防松螺栓防松性能良好;当预紧力大于25 kN 时,若预紧力下降百分比小于4%,或螺栓松动角度小于1.3°,则可判定防松螺栓防松性能良好[15].

1.3 模型建立

输电塔的塔身部分固定在地面上,横担部分通过连接螺栓连接在塔身上,建立输电塔横担螺栓连接模型如图1所示.模型由固定连接板、随动连接板、螺栓和螺母组成.固定连接板和随动连接板材料选用Q420钢,材料弹性模量为2.06×105MPa,泊松比为0.28,密度为7.85×10-6kg/mm3;螺栓和螺母材料选用Q345钢,材料弹性模量为2.06×105MPa,泊松比为0.28,密度为7.85×10-6kg/mm3.

图1 输电塔横担螺栓连接模型

根据螺栓螺母规格与材料计算出螺栓预紧力取值范围,在取值范围内取螺栓预紧力大小为11 kN,将螺栓预紧力加到螺栓柱面.拟定螺栓连接模型所受合载荷幅值为15 kN,随动板自重为31 kg.正交分解后将载荷加到随动连接板与螺母接触面和底面上,螺母接触面所受载荷即螺纹联接件所受拉压载荷,正交分解后得到拉压载荷公式为F1=7 500·sin10πt;底面所受载荷即螺纹联接件所受剪切载荷,正交分解后得到剪切公式为F2=6 495·sin10πt+6 805,由公式可得拉压、剪切载荷曲线如图2～3所示.

图2 拉压载荷曲线

图3 剪切载荷曲线

2 不同防松垫圈的对比研究

2.1 使用普通防松垫圈

在Workbench中导入建立的输电塔横担螺栓模型进行有限元仿真,提取该模型的螺母接触面应力曲线、预紧力变化曲线和螺母松动角度曲线,分别如图4～6所示.

图4 螺母接触面应力曲线

图5 预紧力变化曲线

图6 螺母松动角度曲线

从图4～6分析可知,使用普通防松螺栓时,螺母接触面最大应力为190.65 MPa,预紧力下降最大百分比为14.58%,螺母最大松动角度为0.276 41°.

结合提出的防松螺栓防松性能的评价标准可知,在使用普通防松螺栓时,预紧力下降百分比未达到标准值,但螺母松动角度达到标准值.说明:该模型主要由于预紧力的下降导致松动,防松性能主要评价指标为预紧力下降百分比.即使用组合防松螺栓后,若螺母接触面最大应力小于材料许用应力,螺母松动角度小于1.4°,预紧力下降最大百分比小于6%,则预紧力下降百分比越小,防松螺栓防松性能越好.

2.2 使用不同形状铝合金垫圈的组合防松螺栓

铝合金部分性能比钢结构好[16],提出一种使用不同形状铝合金垫圈的组合防松螺栓,通过改变垫圈的形状,比较不同形状铝合金垫圈防松螺栓的防松性能.带凹凸面的铝合金垫圈模型如图7～8所示.

图7 单面凹凸垫圈

图8 双面凹凸垫圈

分别对铝合金单面凹凸垫圈和铝合金双面凹凸垫圈的单螺栓连接模型进行有限元分析,比较平垫圈、单面凹凸垫圈和双面凹凸垫圈3种不同形状垫圈的防松性能.

提取不同形状铝合金垫圈仿真模型的螺母接触面应力曲线、预紧力变化曲线和螺母松动角度曲线,如图9～11所示.

图9 螺母接触面应力曲线

图10 预紧力变化曲线

图11 螺母松动角度曲线

不同形状铝合金垫圈的螺母接触面应力、预紧力下降百分比、螺母松动角度对比分析见表1.

表1 不同形状铝合金垫圈的螺母接触面应力、预紧力下降百分比、螺母松动角度对比分析

由表1分析可知,相比于使用铝合金平垫圈和铝合金单面凹凸垫圈,使用铝合金双面凹凸垫圈,预紧力下降百分比最小,降低螺母松动趋势的效果最好.双面凹凸面螺母外表面接触面积最小,接触面的正应力最大,说明垫圈外表面的接触面积越小,防松性能越好.仅使用不同形状的铝合金垫圈对降低螺母松动趋势虽然有着显著效果,但是预紧力下降百分比大于6%,也达不到预期要求.故考虑选用自锁双螺母和垫圈组合的防松方式,对防松垫圈进行符合工况的设计研究.

3 防松垫圈设计

3.1 螺栓选择

选择螺栓材料为Q345钢、性能等级为12.9 级的螺栓,由GB/T 3098.1—2010查得材料屈服极限σs=1 080 MPa,安全系数s=1.5,故螺栓材料的许用应力:

根据力学模型可知螺栓总拉力:F1=7 500 N,求得螺栓危险截面的直径:

由GB/T 5780—2000选用单线右旋螺纹,公称直径d=10 mm 的六角头螺栓.其中,螺栓中径d1=9.025 8 mm,螺距P=1.5 mm,计算可得螺栓螺纹升角φ=arctan=3.03°.

3.2 自锁双螺母

如图12所示,自锁双螺母选用由一对凹凸六角螺母组成,公称直径d3=10 mm,螺纹单线右旋.两螺母连接处楔形面与基准面夹角为10°,大于所用螺纹联接件的螺纹升角,两螺母发生自锁.凹、凸螺母材料选用Q345钢,螺母性能等级均为12级.

图12 自锁双螺母

3.3 铝合金双面凹凸垫圈设计

根据理论研究,设计出双面凹凸垫圈如图13所示.

图13 铝合金双面凹凸垫圈(单位:mm)

垫圈直径为d4=20 mm,垫圈内径为d5=11 mm.该垫圈两表面分别带有4对凹凸面,每对凹凸面由5个平面组成,其中两个平面与水平面平行,其他平面与水平面的夹角为45°,凹凸面深度为0.25 mm,垫圈厚度为2.5 mm,垫圈材料选用6061铝合金.

4 应用实例

将设计出的组合防松螺栓应用到输电塔,实际输电塔横担与塔身处的螺栓连接模型与所建立的横担螺栓模型相似,如图14所示.

图14 输电塔横担与塔身处螺栓连接模型

根据实际工况可知,输电塔受到的实际风载为10级风.根据铁塔的实际高度,将风载等效为横担螺栓连接模型处的拉压和剪切载荷如图15～16所示.

图15 拉压载荷曲线

图16 剪切载荷曲线

提取该模型螺母接触面应力曲线、预紧力变化曲线、凸螺母松动角度如图17～19所示.

图17 螺母接触面应力曲线

图18 预紧力变化曲线

图19 凸螺母松动角度

由图17～19分析可知,实际风载作用下,使用组合防松螺栓的输电塔横担与塔身处连接螺栓预紧力下降百分比为1.95%,凸螺母松动角度为0.325 2°,达到防松标准.说明该防松结构防松性能显著,适用于输电塔横担与塔身处连接螺栓的防松.

5 结论

对拉压剪切组合载荷作用下输电塔横担螺栓连接结构的防松机理和防松螺栓进行了设计与研究,得到了以下结论:

1)根据螺栓受拉压载荷的实际工况,通过对螺栓受载进行有限元分析,表明单一垫圈防松效果不佳,提出一种使用双面凹凸铝合金垫圈和自锁双螺母组合的防松方案,结果表明防松效果大幅增强,能满足工况要求.

2)基于螺栓实际工况和相关设计理论,设计出一种铝合金双面凹凸防松垫圈,对其几何形状和相关几何参数进行了设计,并结合自锁双螺母,组合为一种新的防松方案,仿真结果表明防松效果显著提升.

3)将设计出的组合防松螺栓应用到输电塔,通过仿真结果研究表明,防松结构防松性能显著,所设计的组合防松方案具有较大的实用性.