CN106528902B - 一种输电铁塔双帽螺栓防松性能的评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种输电铁塔双帽螺栓防松性能的评估方法，适用于大风区域和大温差区域；所述方法包括：确定输电铁塔螺栓施工温度与运行温度的温差范围；确定输电铁塔螺栓节点振动频率和振幅；根据所述温差范围、输电铁塔螺栓节点振动频率和振幅制定输电铁塔双帽螺栓防松性能试验方案；根据所述试验方案获得输电铁塔螺栓预紧力时程曲线；根据所述输电铁塔螺栓预紧力时程曲线评估输电铁塔螺帽型式的防松性能。本发明技术方案考虑因素更为全面，试验边界条件更接近输电铁塔真实的运行环境和运行状态，具有更好的适用性和更高的精度。
Description
技术领域：
本发明涉及输电铁塔螺栓连接节点防松设计领域，更具体涉及一种大风、大温差区域输电铁塔双帽螺栓防松性能的评估方法。
背景技术：
螺栓是输电铁塔杆件连接和传力的关键部件，其产品质量和紧固状态不仅影响铁塔整体的可靠性，甚至威胁整条线路的安全运行。尤其在大风、大温差区域，如中国新疆每年发生灾害性大风天气(8级及以上大风)的日数多在100天以上，且昼夜温差及四季温差可达30℃以上。由于长期受到大风、温度等交变荷载的作用，输电铁塔螺栓容易发生松动或机械破坏。现有输电铁塔螺栓防松性能评估试验中，振幅和频率依据GB/T 10431—2008《紧固件横向振动试验方法》取值，该标准主要适用于机械行业紧固件，由此确定的螺栓松脱规律和防松性能，不能准确反映输电铁塔在强风、舞动等条件下的真实状态。此外，现有评估方法均未考虑大温差对输电铁塔螺栓防松性能和受力特性的影响，还不能完全满足大风、大温差区域输电铁塔防松性能评估的技术需求。
双帽螺栓是目前强风区、舞动区输电铁塔螺栓常用的防松形式，双帽螺栓一般由两个普通螺母或普通螺母配薄螺母组成，两个螺母的上下位置关系和初始扭矩比例对螺栓的防松性能都会产生较大影响。目前还没有针对输电铁塔双帽螺栓防松性能的评估方法。
发明内容：
本发明的目的是提供一种输电铁塔双帽螺栓防松性能的评估方法，考虑因素更为全面，试验边界条件更接近输电铁塔真实的运行环境和运行状态，具有更好的适用性和更高的精度。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种输电铁塔双帽螺栓防松性能的评估方法，适用于大风区域和大温差区域；所述方法包括：
确定输电铁塔螺栓施工温度与运行温度的温差范围；
确定输电铁塔螺栓节点振动频率和振幅；
根据所述温差范围、输电铁塔螺栓节点振动频率和振幅制定输电铁塔双帽螺栓防松性能试验方案；
根据所述试验方案获得输电铁塔螺栓预紧力时程曲线；
根据所述输电铁塔螺栓预紧力时程曲线评估输电铁塔螺帽型式的防松性能。
根据输电线路途经区域的年平均温度Ta的统计值作为输电铁塔螺栓施工温度；根据输电线路途经区域的最低温度Tmin和最高温度Tmax的统计值作为所述输电铁塔螺栓施的运行温度，确定所述输电铁塔螺栓施工温度与任意一个运行温度的最大温差范围。
所述输电铁塔螺栓节点振动频率为根据建立输电铁塔有限元模型，通过模态分析确定的输电铁塔一阶自振频率f1。
所述输电铁塔螺栓节点振幅的确定过程为：
随机选取n个螺栓节点，测量螺栓孔与螺杆的间隙值Δi，Δi为螺栓孔直径d与螺杆直径d0的差值；当间隙平均值
与间隙样值Δi的标准差σΔ不高于0.05mm时，采用间隙平均值
作为横向振动试验的振幅即输电铁塔螺栓节点振幅；若标准差σΔ高于0.05mm时，继续增加样本数量m，直到满足要求为止。
所述制定输电铁塔双帽螺栓防松性能试验方案包括：
根据获得的输电铁塔螺栓施工温度与运行温度的温差范围，以10℃为间隔，确定螺栓横向振动试验的温差工况数和各工况的温差值；
确定螺栓横向振动试验的位移；
根据所述温差范围、输电铁塔螺栓节点振动频率和振幅参数进行双帽螺栓横向振动试验。
所述螺栓横向振动试验的位移的加载方式采用正弦曲线，根据确定的螺栓节点振动频率f1和振幅不同时刻t螺栓横向振动试验加载位移的表达式为：
所述双帽螺栓包括两个厚度相同的螺母和两个厚度不同的螺母。
对于所述两个厚度不同的螺母的双帽螺栓防松型式，试验时先拧紧下螺母；所述下螺母的扭矩Mb取其对应强度等级螺栓安装扭矩的25％、50％、75％和100％，上螺母的扭矩Mt取其对应强度等级螺栓安装扭矩。
采用设置在所述螺栓节点连接板下方的压力传感器测量不同工况下双帽螺栓的预紧力时程曲线F(t)。
根据确定的双帽螺栓预紧力时程曲线，获得双帽螺栓发生松脱的时间T；根据所述时间T、温差范围、双螺母位置关系和下螺母初始扭矩值比例对输电铁塔双帽螺栓防松性能的影响程度，评估两种输电铁塔螺帽型式的防松性能。
和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果
1、本发明技术方案考虑了大温差环境对双帽螺栓防松性能的影响，提出了螺栓横向振动试验频率和振幅的计算方法；
2、本发明技术方案通过横向振动试验获得大风、大温差工况下输电铁塔双帽螺栓的预紧力时程曲线，实现大风、大温差区域输电铁塔双帽螺栓防松性能的评估；
3、本发明技术方案与传统的输电铁塔螺栓防松性能评估方法相比，考虑因素更为全面，试验边界条件更接近输电铁塔真实的运行环境和运行状态，具有更好的适用性和更高的精度；
4、本发明技术方案更好的保证了铁塔整体的可靠性和整条输电线路的安全运行。
附图说明
图1为本发明实施例输电铁塔有限元模型示意图；
图2为本发明实施例螺栓间隙说明图；
图3为本发明实施例采用两个普通螺母的双帽防松型式示意图；
图4为本发明实施例采用普通螺母配薄螺母的双帽防松型式示意图；
图5为本发明实施例方法流程示意图；
1-振动前输电铁塔有限元模型，2-发生一阶振动后的输电铁塔有限元模型，3-上部普通螺母，4-下部普通螺母，5-连接板，6-压力传感器，7-上部薄螺母。
具体实施方式
下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。
实施例1：
本例的发明提供一种输电铁塔双帽螺栓防松性能的评估方法，考虑了大温差环境对双帽螺栓防松性能的影响，提出了螺栓横向振动试验频率和振幅的计算方法，通过横向振动试验获得大风、大温差工况下输电铁塔双帽螺栓的预紧力时程曲线，实现大风、大温差区域输电铁塔双帽螺栓防松性能的评估，与传统的输电铁塔螺栓防松性能评估方法相比，考虑因素更为全面，试验边界条件更接近输电铁塔真实的运行环境和运行状态，具有更好的适用性和更高的精度。
为达到上述目的，本发明所述方法包括如图5所示，统计温差范围、确定螺栓节点振动频率和振幅、制定防松性能试验方案、获得预紧力时程曲线和防松性能评估。通过统计输电线路途经区域的温差范围，分析大风、大温差区域输电铁塔双帽螺栓节点的动频率、振幅，考虑普通螺母、薄螺母的上下位置关系和初始扭矩比例影响，采用横向振动试验确定大风、大温差工况下输电铁塔双帽螺栓的预紧力变化规律，实现大风、大温差区域输电铁塔双帽螺栓防松性能的准确评估。
1.统计温差范围
根据输电线路途经区域的年平均温度Ta、最低温度Tmin和最高温度Tmax统计值，以年平均温度Ta作为输电铁塔施工温度，确定输电铁塔螺栓施工温度与运行温度的温差范围。
2.确定螺栓节点振动频率和振幅
建立输电铁塔有限元模型，如图1所示，通过模态分析确定输电铁塔一阶自振频率f1。一阶振动是输电铁塔风致响应最重要的分量，偏于安全考虑，以输电铁塔一阶自振频率f1作为螺栓节点横向振动试验的加载频率。
随机选取10个螺栓节点(n＝10)，测量螺栓孔与螺杆的间隙值Δi，Δi为螺栓孔直径d与螺杆直径d0的差值如图2所示，当间隙平均值
与间隙样本值Δi的标准差σΔ不高于0.05mm时，采用间隙平均值
作为横向振动试验的振幅；若标准差σΔ高于0.05mm时，继续增加样本数量n(以5个为单元递增)，直到满足要求为止。间隙标准差σΔ的计算公式为：
3.制定防松性能试验方案
(1)根据步骤1获得的输电铁塔螺栓施工温度与运行温度的温差范围，以10℃为间隔，确定螺栓横向振动试验的温差工况数和各工况的温差值。
(2)螺栓横向振动试验的位移加载方式采用正弦曲线，根据步骤2确定的螺栓节点振动频率f1和振幅
不同时刻t螺栓横向振动试验加载位移的表达式为：
(3)针对两个普通螺母如附图3所示、普通螺母配薄螺母如附图4所示，两种双帽防松型式，考虑螺母上下位置关系和上、下螺母初始扭矩比例影响，根据步骤1、步骤2确定的温差、频率、振幅参数进行双帽螺栓横向振动试验。对于普通螺母配薄螺母双帽防松型式，试验工况包括薄螺母在上和薄螺母在下两种情况，试验时先拧紧下螺母。下螺母扭矩Mb取对应强度等级螺栓安装扭矩的25％、50％、75％和100％，上螺母扭矩Mt取安装扭矩。
4.获得预紧力时程曲线
采用步骤3制定的输电铁塔双帽螺栓横向振动试验方案，采用螺栓横向振动试验机进行各个工况下的螺栓横向振动试验，采用位于螺栓节点连接板下方的压力传感器如附图4所示，测量横向振动过程中的螺栓预紧力时程曲线F(t)。
5.输电铁塔双帽螺栓防松性能的评估
根据步骤4确定的双帽螺栓预紧力时程曲线，获得双帽螺栓发生松脱的时间T，确定温差值、双螺母位置关系和初始扭矩值比例对输电铁塔双帽螺栓防松性能的影响程度，评估两种输电铁塔螺帽型式的防松性能。双螺母位置关系是普通螺母配薄螺母双帽防松型式，试验工况包括薄螺母在上和薄螺母在下两种位置关系。
现应用具体实例介绍采用上述方法进行大风、大温差区域输电铁塔双帽螺栓防松性能的评估的过程。
以220kV猫头型输电铁塔为例，该塔采用6.8级M20普通双母双帽螺栓型式如图3和图4所示，螺栓安装扭矩为100N·m。首先按照步骤1方法，统计得到输电线路途经区域的平均温度Ta、最低温度Tmin和最高温度Tmax分别为10℃、－30℃和40℃，则该塔施工温度与运行温度的最大温差为40℃。
按照步骤2方法，建立220kV猫头型输电铁塔有限元模型如图1所示，通过模态分析确定输电铁塔一阶自振频率f1为1.88Hz，即螺栓节点横向振动试验的加载频率取1.88Hz。随机选取220kV猫头型输电铁塔的10个6.8级M20双帽螺栓节点，测得10个节点的螺栓间隙值如下表所示：
| 样本序号i | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 间隙Δ<sub>i</sub>(mm) | 1.65 | 1.75 | 1.70 | 1.75 | 1.70 | 1.65 | 1.80 | 1.75 | 1.70 | 1.65 |
10个螺栓间隙的平均值为1.71mm，按照公式(a)计算得到螺栓间隙标准差σΔ为
0.049mm，小于0.05mm的限值，因而确定双帽螺栓横向振动试验的振幅为
按照步骤3方法，采用步骤1统计分析得到的温度及温差范围，以10℃作为双帽螺栓的初始扭矩施加温度，分别以－30℃、－20℃、－10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃作为横向振动试验的环境温度，共8个温度工况；采用步骤2确定的振动频率和振幅，按照公式(b)设定横向振动试验的位移加载曲线为Δ(t)＝±1.71sin(3.76πt)。进行横向振动试验之前，先拧紧下螺母。下螺母扭矩Mb分别取25N·m、50N·m、75N·m和100N·m，上螺母扭矩Mt取螺栓的安装扭矩(Mt＝100N·m)。
按照步骤4方法，采用步骤3制定的输电铁塔双帽螺栓横向振动试验方案，采用螺栓横向振动试验机进行各个工况下的螺栓横向振动试验，采用位于螺栓节点连接板下方的压力传感器如图4所示，测量不同工况下双帽螺栓的预紧力时程曲线F(t)。
按照步骤5方法，根据步骤4确定的双帽螺栓预紧力时程曲线，获得双帽螺栓发生松脱的时间T。当螺母型式和扭矩比例一定时，根据不同温差下双帽螺栓发生松脱的时间T，评估温差对双帽螺栓防松性能的影响；当温差一定时，根据上、下螺母扭矩取不同比例时双帽螺栓发生松脱的时间T，评估上、下螺母扭矩比例对双帽螺栓防松性能的影响。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种输电铁塔双帽螺栓防松性能的评估方法，适用于大风区域和大温差区域；其特征在于：所述方法包括：
确定输电铁塔螺栓施工温度与运行温度的温差范围；
确定输电铁塔螺栓节点振动频率和振幅；
根据所述温差范围、输电铁塔螺栓节点振动频率和振幅制定输电铁塔双帽螺栓防松性能试验方案；
根据所述试验方案获得输电铁塔螺栓预紧力时程曲线；
根据所述输电铁塔螺栓预紧力时程曲线评估输电铁塔螺帽型式的防松性能；
所述制定输电铁塔双帽螺栓防松性能试验方案包括：
根据获得的输电铁塔螺栓施工温度与运行温度的温差范围，以10℃为间隔作为所述螺栓的初始扭矩施加温度，确定螺栓横向振动试验的温差工况数和各工况的温差值；
确定螺栓横向振动试验的位移；
根据所述温差范围、输电铁塔螺栓节点振动频率和振幅参数进行双帽螺栓横向振动试验。
2.如权利要求1所述的一种输电铁塔双帽螺栓防松性能的评估方法，其特征在于：根据输电线路途经区域的年平均温度Ta的统计值作为输电铁塔螺栓施工温度；根据输电线路途经区域的最低温度Tmin和最高温度Tmax的统计值作为所述输电铁塔螺栓施的运行温度，确定所述输电铁塔螺栓施工温度与任意一个运行温度的最大温差范围。
3.如权利要求1所述的一种输电铁塔双帽螺栓防松性能的评估方法，其特征在于：以所述输电铁塔螺栓节点振动频率为根据建立输电铁塔有限元模型，通过模态分析确定的输电铁塔一阶自振频率f1。
4.如权利要求1所述的一种输电铁塔双帽螺栓防松性能的评估方法，其特征在于：所述输电铁塔螺栓节点振幅的确定过程为：
随机选取n个螺栓节点，测量螺栓孔与螺杆的间隙值Δi，Δi为螺栓孔直径d与螺杆直径d0的差值；当间隙平均值
与间隙样值Δi的标准差σΔ低于或等于0.05mm时，采用间隙平均值
作为横向振动试验的振幅即输电铁塔螺栓节点振幅；若标准差σΔ高于0.05mm时，继续增加样本数量m，直到满足要求为止。
5.如权利要求1所述的一种输电铁塔双帽螺栓防松性能的评估方法，其特征在于：所述螺栓横向振动试验的位移的加载方式采用正弦曲线，根据确定的螺栓节点振动频率f1和振幅
不同时刻t螺栓横向振动试验加载位移的表达式为：
6.如权利要求1所述的一种输电铁塔双帽螺栓防松性能的评估方法，其特征在于：所述双帽螺栓包括两个厚度相同的螺母和两个厚度不同的螺母。
7.如权利要求6所述的一种输电铁塔双帽螺栓防松性能的评估方法，其特征在于：对于所述两个厚度不同的螺母的双帽螺栓防松型式，试验时先拧紧下螺母；所述下螺母的扭矩Mb取其对应强度等级螺栓安装扭矩的25％、50％、75％和100％，上螺母的扭矩Mt取其对应强度等级螺栓安装扭矩。
8.如权利要求1所述的一种输电铁塔双帽螺栓防松性能的评估方法，其特征在于：采用设置在所述螺栓节点连接板下方的压力传感器测量不同工况下双帽螺栓的预紧力时程曲线F(t)。
9.如权利要求1所述的一种输电铁塔双帽螺栓防松性能的评估方法，其特征在于：根据确定的双帽螺栓预紧力时程曲线，获得双帽螺栓发生松脱的时间T；根据所述时间T、温差范围、双螺母位置关系和下螺母初始扭矩值比例对输电铁塔双帽螺栓防松性能的影响程度，评估两种输电铁塔螺帽型式的防松性能。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |