一種無源松動可視化螺栓的研發

李紅發，董志聰，劉秉軍，王榮鵬，羅應文，聶文翔，胡小慢

(1.廣東電網有限責任公司中山供電局，廣東 中山 528400；2.廣東電網有限責任公司培訓與評價中心，廣東 廣州 510000)

1 研究背景

為確保工程質量符合要求、輸電線路運行可靠，需要定期對輸電鐵塔上的螺栓進行擰緊力矩檢驗。目前主要的檢驗手段依靠人工登桿，利用力矩扳手判斷螺栓的擰緊力矩是否達到緊固標準的要求。由于輸電線路上的螺栓數量眾多，在工程驗收和定期巡檢的時候往往利用力矩扳手對螺栓隨機抽樣檢查，不能及時、全面反映輸電線路每個螺栓的松動情況，在巡檢過程中及時發現螺栓松動或者脫落比較困難。這為輸電線路的安全運行造成一定程度的潛在風險，耗費大量的人力，也增加了驗收、巡檢人員的作業風險。

2 結構介紹

改造螺栓在連接、緊固方面的使用方法與現在使用的螺栓無任何不同，可以直接替代現有的輸電鐵塔螺栓，并且具有適用范圍廣泛、松緊狀態便于辨識的優點。改造螺栓的結構形態(見圖1)，其主要構成部分為螺栓頭、套筒、圓形螺柱、螺母、方形螺柱以及行程彈簧。其中，螺栓頭周圍采用顏色標記，并與套筒的圓孔進行配合，擰緊狀態下螺栓頭表面與套筒上表面持平，說明螺栓已處于擰緊狀態；套筒整體采用正六邊形螺柱結構，適配標準已有的螺栓型號；套筒內的方孔與方形螺柱配合，使其在旋擰螺栓過程中保持套筒和方形螺柱相對固定位置；圓形螺柱和常規螺栓一樣，起到工件連接之間的強度支撐作用；螺母與圓形螺栓配合使用，起緊固作用；行程彈簧套在方形螺柱上，且其半徑與套筒圓孔適配。

1—螺栓頭；2—套筒；3—圓形螺柱；4—螺母；5—方形螺柱；6—行程彈簧。

圖2展示了改造螺栓在初始狀態和擰緊狀態下的套筒和行程彈簧狀態，通過在改造螺栓的螺栓頭側面涂色，可以直觀顯示螺栓是否松動。當螺母擰緊時，螺母通過連接件對螺栓施加下拉力，螺栓頭壓縮行程彈簧，同時帶動套筒向下移動。當螺栓頭頂部和套筒頂部橫截面平齊，說明螺母已擰緊到位，此時觀察者看不到螺栓頭側面的彩色，可直觀判斷螺栓處于緊固狀態。當螺母松動時，螺栓頭對行程彈簧的壓力減小，行程彈簧對套筒施加向下的作用力，使套筒向下位移，導致螺栓頭伸出套筒外部，不與套筒頂部的橫截面平齊。此時觀察者看到螺栓頭側面的彩色，可直觀判斷螺母已松動。觀察者只要觀察螺栓指示片側面的彩色部分是否露出，即可判斷螺栓是否發生松動。

圖2 無源式松動警示螺栓初始狀態及擰緊狀態示意圖

3 結構原理

預緊力是在連接件受到工作載荷之前，為了防止受到載荷后連接件間出現縫隙或者相對滑移而沿螺栓軸線方向預先施加的一個力。對于螺栓而言，為了連接得可靠和緊固，必須保證螺紋具有一定的摩擦力矩，此摩擦力矩是由連接時施加擰緊力矩后，螺紋產生了預緊力而獲得的。因此根據國家標準的要求，不同尺寸的螺栓需要施加不同大小的擰緊力矩。表1為《架空輸電線路運行規程》針對不同型號、不同強度的螺栓所規定的擰緊力矩。

表1 螺栓型金具鋼制熱鍍鋅螺栓擰緊力矩值

表征螺栓力學性能和強度的主要概念是屈服強度、抗拉強度以及屈強比值。屈服強度是金屬從彈性形變轉為進入塑性形變階段的臨界值(一般以2%殘余變形為表征)，抗拉強度是金屬從均勻塑性形變過渡到局部集中塑性形變的臨界值，屈強比值就是二者的比值。以表格第一行M10-4.8級的螺栓為例：M10表示螺栓直徑為10 mm，4.8級表示螺栓的公稱抗拉強度為400 MPa，屈強比值為0.8，則其公稱屈服強度為400×0.8=320 MPa。也就是說標準規定：對于4.8級強度的M10螺栓，施加18～23 N·m的擰緊力矩時，其抗拉強度小于400 MPa，屈服強度小于320 MPa，且應當具有一定程度的裕度[1]。

在進行有限元仿真研究時，為了便于施加載荷，需要將標準規定的擰緊力矩等效換算為對應的預緊力。擰緊力矩與預緊力之間的換算公式如下[2]：

其中，F是預緊力，單位為N；T是擰緊力矩，單位為N·m；k1為扭矩系數，參考機械設計手冊和工程常用值，在研究過程中取值0.3；ld是螺栓的螺紋公稱直徑，單位為mm。

需要注意的是，對于某一尺寸的改造螺栓，在施加標準擰緊力矩(換算為預緊力)的情況下，螺栓頭應和套筒齊平，才能保證裝置準確動作。此時的力學平衡關系為[2]：

上式中，F為施加的預緊力，k為行程彈簧彈性系數，Δl為彈簧形變量，h1為螺栓高度，h2為套筒圓孔深度，l為彈簧初始長度。

4 裝置與應用

該裝置結構十分簡單，造價便宜，適宜全面推廣使用；實現無源松動可視化，在無需電源的情況下，僅靠受力的相對位移實現松動的可視化，裝置可靠，使用壽命長；動作可靠，采用全機械式動作，動作及顯示可靠；適用范圍廣，可適用于螺栓緊固關鍵處。該裝置設計成果如圖3、圖4所示。

圖3 松動時

圖4 緊固時

使用松動狀態可視化裝置后，可解決如下問題。

1)輔助線路驗收，檢查螺栓松緊。每座鐵塔的螺栓數量達上千個，驗收人員無法做到對每個螺栓進行校檢，目前只能利用力矩扳手對部分螺栓進行抽檢，因此不能確保所有螺栓都是緊固的，設備安全存在隱患。采用松動狀態可視化裝置后，直接采用無人機進行觀察即可大范圍驗收。

2)發現運行中的螺栓松動。輸電鐵塔運行后螺栓的工作環境普遍較差，時常受到振動、沖擊、溫差等外界因素的影響，這會導致螺栓夾緊力的下降，進一步使得螺紋間產生相對運動、螺紋連接失效，影響螺栓緊固可靠性，尤其是在引流板線夾等重要連接位置，螺栓松動會給線路運行帶來極大的安全隱患，而目前鐵塔使用的螺栓在松動后又無法實時觀察到，也只能依靠人員登塔查看螺栓松動情況，工作量大且風險系數高。采用松動狀態可視化裝置后，直接采用無人機進行觀察即可發現運行松動缺陷。