螺栓防松方法在風(fēng)電領(lǐng)域中的應(yīng)用

周 震新疆金風(fēng)科技股份有限公司，新疆烏魯木齊 830000

螺栓防松方法在風(fēng)電領(lǐng)域中的應(yīng)用

周 震新疆金風(fēng)科技股份有限公司，新疆烏魯木齊 830000

近年來由于風(fēng)電行業(yè)迅猛發(fā)展，高強(qiáng)螺栓被大量應(yīng)用于風(fēng)電塔筒聯(lián)接，設(shè)備法蘭聯(lián)接，各種結(jié)構(gòu)件之間的聯(lián)接

以及復(fù)合材料與金屬材料之間的聯(lián)接。本文根據(jù)螺紋副的受力分析，以及螺栓松動(dòng)機(jī)理，介紹高強(qiáng)螺栓防松方法在風(fēng)電領(lǐng)域中的應(yīng)用。指出在風(fēng)電領(lǐng)域中，小規(guī)格高強(qiáng)螺栓應(yīng)使用厭氧型膠粘結(jié)劑、自鎖螺母的防松方式、大規(guī)格高強(qiáng)螺栓采用加大預(yù)緊力并定期檢測的防松方法，防止螺栓在機(jī)組運(yùn)行過程中松動(dòng)。

普通螺栓；防松；螺母；墊片

1 螺紋副的受力分析

普通螺栓上的螺紋通常是指一般用途米制聯(lián)接螺紋，其螺紋副的當(dāng)量摩擦角ρ大于螺紋升角ψ，螺紋具有自鎖特性，為了防止螺母在軸向力作用下自動(dòng)松開，用于聯(lián)接的緊固螺紋必須滿足自鎖條件。

1.1 螺旋副中力的關(guān)系

1.1.1 螺紋副力矩

上式表明，以扭矩T擰緊的螺栓連接，當(dāng)作用在螺母上的松動(dòng)扭矩大于0.95T時(shí)，螺母將發(fā)生松動(dòng)回轉(zhuǎn)（有些文獻(xiàn)資料為T'=0.8T）。

2 螺栓松動(dòng)機(jī)理

2.1 螺紋副旋合螺紋發(fā)生蠕變

根據(jù)國外聯(lián)結(jié)副松弛蠕變試驗(yàn)，螺母緊固后24小時(shí)螺栓預(yù)緊力減少近10%，其后損失速度變緩，螺母容易發(fā)生松動(dòng)。

2.2 支承面壓陷引起的松動(dòng)

由于螺栓頭或螺母支承面的接觸應(yīng)力大，被連接件的表面將有塑性的環(huán)狀壓陷。在使用中，若塑性變形繼續(xù)發(fā)生（稱支承面壓陷），則螺栓的伸長量減小，螺栓中的預(yù)緊力降低， 減小，螺母容易松動(dòng)回轉(zhuǎn)。

2.3 徑向力是螺栓連接松動(dòng)的主要原因

國外一些學(xué)者特別是原西德的G.Junker對螺栓連接分別施加徑向激振力和軸向激振力做了大量的試驗(yàn)，結(jié)果是受軸向力作用的螺栓連接可能松動(dòng)也可能不松動(dòng)，但是受徑向力作用的螺栓連接當(dāng)徑向激振力達(dá)到一定程度時(shí)肯定會(huì)松動(dòng)。螺栓連接預(yù)緊后，螺母將在預(yù)緊力所產(chǎn)生的螺母徑向擴(kuò)張力的作用下處于徑向擴(kuò)張狀態(tài)，當(dāng)外界徑向力傳入并達(dá)到一定程度時(shí)，將破壞螺母徑向擴(kuò)張力的自行平衡，促使螺母徑向竄動(dòng)，進(jìn)而使螺紋旋合處沿螺旋線切線方向的靜摩擦系數(shù)減小或變?yōu)榱悖?dāng)量摩擦角減小或?yàn)榱悖蓜?dòng)扭矩接近于零或?yàn)樨?fù)值，螺母將松動(dòng)回轉(zhuǎn)。

3 各種防松的方法及其在風(fēng)電領(lǐng)域中的應(yīng)用

防松就是為了使螺栓副能更有效的長期工作。常用的防松方法有五種：自由旋轉(zhuǎn)型、有效力矩型、機(jī)械鎖固型、沖點(diǎn)鉚接型、粘接型。

3.1 自由旋轉(zhuǎn)型

防松能力隨著螺紋聯(lián)接副預(yù)緊力的增加而提高。

3.1.1 彈簧墊圈

依靠彈簧墊圈在壓平后產(chǎn)生的彈力及切口尖角嵌入被連接件及緊固件支撐面起防松作用。結(jié)構(gòu)簡單、成本低、使用簡便。但其支承面小，彈力不均，不十分可靠，多用于不甚重要的聯(lián)接。

3.1.2 對頂螺母防松

利用螺母對頂作用使螺栓式中受到附加的拉力和附加的摩擦力。兩個(gè)螺母對頂擰緊后，它們之間產(chǎn)生一個(gè)附加的對頂力，對頂力與預(yù)緊力共同產(chǎn)生較大的螺母徑向擴(kuò)張力，且遠(yuǎn)離外界徑向力，故上螺母不易回轉(zhuǎn)，但須注意的是必須在兩螺母之間產(chǎn)生這個(gè)附加的頂力才能發(fā)揮出它的防松效果。

可以參考如下的使用方法：先用規(guī)定的擰緊力矩的80%擰緊緊固螺母（工作支承面上的螺母稱為緊固螺母），再用100%的擰緊力矩?cái)Q緊鎖緊螺母（非支承面上的螺母稱為鎖緊螺母）。使用時(shí)先將緊固螺母預(yù)緊，然后再將鎖緊螺母預(yù)緊。

對頂螺母防松方法在風(fēng)電領(lǐng)域中多用于個(gè)別低速重載、載荷均勻部分的聯(lián)接。

3.1.3 扣緊螺母

先用六角頭螺母緊固件，然后旋上GB/T805扣緊螺母并用手?jǐn)Q緊，再用扳手?jǐn)Q緊（約60°～90°）。該結(jié)構(gòu)防松效果良好，但不宜用于頻繁裝卸的場合，國內(nèi)外在電力鐵塔上使用效果良好，可達(dá)幾十年不松動(dòng)。

3.1.4 凸邊螺母、凸邊螺栓、蝶形墊圈

螺母、螺栓、墊圈支撐面上的倒齒產(chǎn)生的力矩抵抗T'的減少，有較好的防松作用，多余用小規(guī)格的螺栓副上。

3.1.5 二次擰緊

螺栓連續(xù)工作一段時(shí)間后重新緊固，可減小初始松動(dòng)，有一定的防松性。此種方法在風(fēng)電機(jī)組螺栓聯(lián)接副中有大量的應(yīng)用，風(fēng)電機(jī)組的大規(guī)格高強(qiáng)螺栓首次施工完畢后，在一段時(shí)期內(nèi)會(huì)重新進(jìn)行一次緊固，消除蠕變導(dǎo)致的松動(dòng)。

3.1.6 懸置螺母

采用懸置（受拉）螺母，則螺母錐形懸置段與螺栓桿均為拉伸變形，有助于減少螺母與栓桿的螺距變化差，從而使載荷分布比較均勻，也有很好的防松作用。但是由于懸置螺母加工成本較高，使用不方便，所以在風(fēng)電領(lǐng)域中很少使用。

3.1.7 逆旋向雙螺母

在聯(lián)接時(shí)，使用兩只不同旋向的螺母，工作支承面上的螺母稱為緊固螺母，非支承面上的螺母稱為鎖緊螺母。使用時(shí)先將緊固螺母預(yù)緊，然后再將鎖緊螺母預(yù)緊。

在振動(dòng)、沖擊的情況下，緊固螺母會(huì)發(fā)生松動(dòng)的趨勢，但是，由于緊固螺母的松退方向是鎖緊螺母的擰緊方向，鎖緊螺母的擰緊恰恰阻止了緊固螺母的松退，導(dǎo)致緊固螺母無法松動(dòng)，防松效果很好。

3.2 有效力矩型

依靠螺栓或螺母結(jié)構(gòu)上的“有效力矩部分”的摩擦阻抗和聯(lián)結(jié)副預(yù)緊力方面產(chǎn)生的摩擦阻抗防止松動(dòng)。

3.2.1 自鎖螺母

預(yù)緊力產(chǎn)生的螺母徑向擴(kuò)張力與收口漲緊力合成較大的螺母徑向擴(kuò)張力，且遠(yuǎn)離徑向力，它的防松性能很好。該類螺母由于尼龍熔點(diǎn)的限制，一般應(yīng)用于100℃以下的場合。理論與時(shí)間證明，該種螺母經(jīng)擰入、擰出400次以上，其性能基本穩(wěn)定。因此在風(fēng)電領(lǐng)域中主要應(yīng)用于小規(guī)格的部件上。但是由于自鎖螺母上的尼龍容易破壞螺桿上的防腐涂層，所以，要根據(jù)不同的運(yùn)行環(huán)境來選擇自鎖螺母。

3.2.2 縱向開槽的螺母

螺母一端非圓形收口或開縫后徑向收口，擰緊后張開，利用旋合螺紋間的彈性。簡單、可靠且可多次拆卸，可用于較重要的聯(lián)結(jié)。但由于成本較高、尺寸所限，在風(fēng)電領(lǐng)域中應(yīng)用不多。

3.3 機(jī)械鎖固型

藉助緊固件的附件固定緊固件與緊固件之間或緊固件與被連接件之間的相互位置（緊固件的附件如開口銷、止動(dòng)墊圈、金屬絲）。

3.3.1 槽形螺母和開口銷防松

槽形螺母擰緊后，用開口銷穿過螺栓尾部小孔和螺母的槽，也可以用普通螺母擰緊后進(jìn)行配鉆銷孔。

3.3.2 圓螺母和止動(dòng)動(dòng)墊片

使墊圈內(nèi)舌嵌入螺栓（軸）的槽內(nèi)，擰緊螺母后將墊圈外舌之一褶嵌于螺母的一個(gè)槽內(nèi)。

3.3.3 止動(dòng)墊片

螺母擰緊后，將單耳或雙耳止動(dòng)墊圈分別向螺母和被聯(lián)接件的側(cè)面折彎貼緊，實(shí)現(xiàn)防松。如果兩個(gè)螺栓需要雙聯(lián)鎖緊時(shí)，可采用雙聯(lián)止動(dòng)墊片。

3.3.4 串聯(lián)鋼絲防松

用低碳鋼鋼絲穿入各螺釘頭部的孔內(nèi)，將各螺釘串聯(lián)起來，使其相互制動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)需要注意鋼絲穿入的方向。

3.4 沖點(diǎn)鉚接型

螺母擰緊后在螺紋末端沖點(diǎn)破壞螺紋，僅適用于低強(qiáng)度緊固件。

3.5 粘合防松

通常采用厭氧膠粘結(jié)劑涂于螺紋旋合表面，擰緊螺母后粘結(jié)劑能夠自行固化，防松效果良好。廣泛應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組小規(guī)格螺栓副的聯(lián)接。

4 結(jié)論

綜上所述，防松元件的使用可能使預(yù)緊力出現(xiàn)較大損失，而預(yù)緊力的損失有增加了松動(dòng)的可能。所以，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中主要面臨交變重型載荷及高溫、寒冷、鹽霧的復(fù)雜環(huán)境特點(diǎn)，應(yīng)優(yōu)先對小規(guī)格高強(qiáng)螺栓應(yīng)使用厭氧型膠粘結(jié)劑，必要時(shí)選用自鎖螺母的防松方式；對大規(guī)格螺栓采用大預(yù)緊力并定期檢測，必要時(shí)使用雙螺母對頂?shù)姆浪煞绞健?/p>

[1]李維榮.常用緊固件產(chǎn)品手冊[M].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[2]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊聯(lián)接與緊固[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

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1674-6708（2011）50-0132-02