拉压剪切组合载荷作用下输电塔顶防松螺栓的设计与研究.pdf

2023Dec.JOURNALOF MACHINEDESIGN2023年1 2 月No.12Vol.40第40 卷第1 2 期机计设械拉压剪切组合载荷作用下输电塔顶防松螺栓的设计与研究*方子帆1-2，朱畅，张栋”，方燕华3，何孔德1 2，杨蔚华1.2（1.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;3.佛山电力设计院有限公司，广东佛山528000)摘要：在架空输电线路中，输电塔塔顶螺栓在风载作用下容易发生松动，输电塔塔顶螺栓连接结构的主要受力形式为轴向拉压载荷及横向剪切载荷。针对这一现象，文中提出了一种使用铝合金双面凹凸垫圈和当量摩擦角大于螺纹升角的自锁双螺母的组合防松螺栓。对3种不同组合的防松螺栓即分别为使用不同平垫圈材料、不同垫圈形状和不同材料凹凸螺母的自锁双螺母的组合防松螺栓进行仿真研究，分析3种不同组合防松螺栓的防松性能，提出组合载荷作用下输电塔塔顶螺栓的防松性能规律，设计出最优组合防松螺栓，并应用到输电塔。结果表明：在1 0 级风作用下，使用铝合金两面凹凸垫圈和当量摩擦角大于螺纹升角的自锁双螺母组合防松螺栓有着最佳的防松效果关键词：输电塔塔顶螺栓；组合载荷；自锁双螺母；组合防松螺栓；应用实例中图分类号：TH131.3文献标识码：A文章编号：1 0 0 1-2 354(2 0 2 3)1 2-0 1 0 4-1 0Design and research of anti-loosening bolt at top of transmission towerwith combined loads of tension,compression and shearFANG Zifan-2,ZHU Chang”,ZHANG Dong,FANG Yanhua,HE Kongde-2,YANG Weihua1,2(1.Hubei Key Laboratory of Design and Maintenance of Hydropower Machinery Equipment,Yichang 443002;2.College of Mechanical and Material Engineering,China Three Gorges University,Yichang 443002;3.Foshan Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Foshan 528000)Abstract:As for the overhead transmission lines,the bolts at the top of the transmission tower are prone to loosening withthe wind load,the axial tension-compression loads and the transverse shear loads are the main forces exerted on the bolt connec-tion structure at the top of the transmission tower.In this article,an anti-loosening bolt is developed,which combines the alumi-num-alloy double-sided concave-convex washers and the self-locking double nut with the equivalent friction angle greater than thethread lift angle.The simulation is carried out on three combined groups of anti-loosening bolts,namely,self-locking double nutswith different flat washer materials,different washer shapes,and different material concave-convex nuts;the anti-loosening per-formance of three combinations of the anti-loose bolts is analyzed respectively,and the law of anti-loosening performance for thebolts at the top of the transmission tower with the combined loads is identified.Efforts are made to design the optimal combinationof the anti-loosening bolts,and apply them to the transmission tower.The results show that when there is grade-10 wind,the an-ti-loosening bolt which combines the aluminum-alloy double-sided concave-convex washers and the self-locking double nut with theequivalent friction angle greater than the thread lift angle ensures the best anti-loosening effect.Key words:bolt at top of transmission tower;combined load;self-locking double nut;combined anti-loosening bolt;appli-cation example*收稿日期：2 0 2 1-1 2-2 4;修订日期：2 0 2 3-0 6-2 7105方子帆，卡剪均组月下输电塔顶防松螺栓的设计与研究2023年1 2 月螺栓连接是架空输电线路的主要连接方式之一，输电塔由于长期受到风载的作用，塔顶螺栓容易发生松动。轴向拉压载荷及径向剪切载荷是输电塔塔顶螺栓的主要受力形式，同时也是引起输电塔塔顶螺栓松动的关键因素针对这一问题，国内外的研究人员通过试验及有限元方法进行研究，例如，德国学者Junker经过大量试验验证后提出在螺纹连接中，动态的横向载荷比轴向载荷更容易引起其松动，认为螺栓和目标联接体之间发生接触面滑动是造成螺栓松动的原因，造成这种滑动的主要原因是外部载荷激励和螺纹啮合面之间摩擦的共同作用的结果。文献2-6 通过一种能够预测4种不同的松动过程的有限元模型，提出局部滑动引起的松动过程比完全滑动引起的松动会在更低的剪切力下发生，即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。德国学者Dinger等7 采用有限元方法研究了实际紧固件与构件接口连接的预紧力产生和自松过程，并进行了试验验证，提出螺栓接头发生局部滑移时会发生自松。日本学者Izumi等8 通过有限元方法，对比分析弹簧垫圈和双螺母拧紧法对螺栓松动的影响，提出使用双螺母紧法有着明显的抗松特性。文献9-1 0 通过试验研究,提出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。国内学者胡阳等 通过接触有限元建模的方法，提出在横向循环载荷作用下，螺纹接触面先于承压面进人滑移状态，载荷幅值越大，松动越容易发生。刘传波等1 2 对影响螺纹连接防松性能的因素进行了横向振动试验，提出在预紧力满足被连接件不滑动且小于屈服轴力时，提高初始预紧力可有效提升螺纹连接的防松性能。王崴等1 3 用有限元方法对受横向振动的螺栓连接自松弛进行仿真，提出螺纹啮合面或承压面局部滑移可导致预紧力损失，螺纹啮合面完全滑移先于承压面，且振幅越大，螺栓连接越易发生自松驰在此基础上，文中针对拉压剪切组合载荷作用下螺栓的松动问题，对适用于输电塔塔顶的防松螺栓进行设计与研究，1防松结构研究路线及评价标准1.1研究路线参考国内外研究现状，文中采用的研究路线如下：(1)根据实际输电工程应用，建立输电塔顶螺栓连接模型；（2)采用仿真软件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，结合评价标准提出并设计最优组合防松螺栓；(3)结合工程实际，提出所设计的防松螺栓在输电塔塔顶的应用案例。综上，得到防松螺栓研究路线如图1 所示建立输电塔塔顶螺栓连接模型模型受力分析不同组合防松螺栓有限元分析不同材料的不同材料凹凸螺母不同形状的垫圈平垫圈的自锁双螺母有限元仿真结果分析螺母接触面应力螺栓预紧力螺母松动角度未通过评价标准通过最优组合防松螺栓应用案例图1研究路线1.2评价标准结合理论研究与工程实际,参考相关文献4,7-8，提出不同组合防松螺栓防松性能的评价标准如表1所示，若防松螺栓防松性能满足表1,则可判定防松螺栓的防松性能良好。106第40 卷第1 2 期机计设械表1不同组合防松螺栓防松性能的评价标准预紧力预紧力螺母松动螺母接触面应力/N减小百分比/%角度/（）/MPa5.00010.00091.5材料许用应力1000025.00061.42500041.30=2.48,即螺母接触面的当量摩擦角大于所用螺纹连接件的螺纹升角，两螺母发生自锁。凹螺母材料选用6 0 6 1 铝合金，凸螺母材质选用Q345钢，螺母性能等级均为8.8 级。112机计设械第40 卷第1 2 期019凹螺母$165螺母图2 7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2 8 所示。垫圈直径d=30mm,垫圈内径d,=17mm。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，2 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0.5mm，垫圈厚度为3mm，垫圈材质选用6 0 6 1 铝合金。$3045$17图2 8铝合金双面凹凸垫圈4应用实例将设计出的组合防松螺栓应用到输电塔中，根据实际工况可知，输电塔受到的实际风载为1 0 级风，根据风载公式1 4Wx=Wo,.ed L,B,sino式中：Wx一一垂直于导线的水平风载标准值；W。基准高度为1 0 m的风压，W。=V/1 6 0 0；V基准高度为1 0 m的风速；风压不均匀系数；-风压高度变换系数；导线体型系数；c导线风载荷调整系数；d导线计算外径；L输电塔水平档距；B绝缘子串风载荷增大系数；6一风向与导线夹角。取螺栓预紧力为34kN,结合输电塔的实际高度和风载作用面积，塔顶螺栓连接模型处的拉压和剪切风载荷如图2 9 图31 所示5000400030002000100000102030405060时间/s图2 9塔顶螺栓连接模型拉压载荷曲线800070006.0005.0004000300020001000WNW0102030405060时间/s图30塔顶螺栓连接模型侧向剪切载荷曲线500-50-100-150-200-2500102030405060时间/s图31塔顶螺栓连接模型垂向剪切载荷曲线提取该模型螺母接触面应力曲线、预紧力变化曲线和凸螺母松动角度变化曲线如图32 图34所示。可知，在1 0 级风作用下，使用组合防松螺栓的输电塔塔顶处连接螺栓预紧力减小百分比为1.2 7%，凸螺母松动角度为0.49 2，达到防松标准，说明该防松结构防松性能较好，适用于输电塔塔顶处连接螺栓的防松。1132023年1 2 月方子帆，手拉压剪切组栓的设计与研究348r3473463453443433420102030405060时间/s图32塔顶螺栓连接模型螺母接触面应力变化曲线353025N/201510500102030405060时间/s图33塔顶螺栓连接模型预紧力变化曲线0.4900.4850.4800.4750.4700102030405060时间/s图34塔顶螺栓连接模型凸螺母松动角度变化曲线5结论（1)垫圈的防松性能主要受垫圈材料的弹性模量和垫圈外表面接触面积的影响,在材料的许用应力范围内，弹性模量越小,外表面接触面积越小,防松性能越好。(2)自锁双螺母的防松性能主要受凹凸螺母材料弹性模量的影响，凸螺母材料弹性模量越大,凹螺母材料弹性模量越小，防松性能越好。(3)设计出一种适用于受拉压剪切组合载荷作用下的组合防松螺栓：使用铝合金双面凹凸垫圈和凸螺母材质为Q345钢、凹螺母材质为铝合金、当量摩擦角大于螺纹升角的自锁双螺母的组合防松螺栓。参考文献1Junker G H.Criteria for self loosening of fasteners under vi-bration J.Aircract Engineering and Aerospace Technolo-gy,1973,44(1):14-16.2Pai N G,Hess D P.Three-dimensional finite element analy-sis of threaded fastener loosening due to dynamic shear loadJ.Engineering Failure Analysis,2002,9:383-402.3Pai N G,Hess D P.Experimental study of loosening ofthreaded fasteners due to dynamic shear loads J.Journal ofSound and Vibration,2002,253(3):585-602.4Hess D P,Sudhirkashyap S V.Dynamic loosening and tight-ening of a single-bolt assemble J.Journal of Vibration andAcoustic,1997,119(3):311-316.5Hess D P.Vibration and shock induced loosening C/Bickford J H,Nasser S,editors.Handbook of bolts and bol-ted joints.New York:Marcel Dekker,1998:757-824.6Sanclemente J A,Hess D P.Parametric study of threadedfastener loosening due to cyclic transverse loads J.Engi-neering Failure Analysis,2007,14:239-249.7Dinger G,Friedrich C.Avoiding self-loosening failure of bol-ted joints with numerical assessment of local contact state J.Engineering Failure Analysis,2011,18(8):2188-2200.8Izumi S,Yokoyama T,Kimura M,et al.Loosening-resist-ance evaluation of double-nut tightening method and springwasher by three-dimensional finite element analysisJ.En-gineering Failure Analysis,2009,16(5):1510-1519.9Zhang M,Lee C H,Jiang Y.Finite element modeling ofself-loosening of bolted joints J.Journal of Mechanical De-sign,2007,129(2):218-226.10 Jiang Y,Park T W,Lee C H,et al.An experimental studyof self-loosening of bolted joints 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