CN113358313A - 一种输电铁塔螺栓松动试验方法 - Google Patents

一种输电铁塔螺栓松动试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种输电铁塔螺栓松动试验方法，该方法包括如下步骤：步骤S1，对输电铁塔所在的环境进行风场的仿真模拟，得到风荷载；步骤S2，建立输电铁塔和线路的模型，计算其在所述风荷载作用下的动力学分析结果，输出输电铁塔危险位置的轴力时程曲线；步骤S3，将输电铁塔危险位置的螺栓试件固定在振动试验机上，将所述轴力时程曲线转换为振动试验机的横向振幅，进行螺栓松动试验；步骤S4，根据步骤S3的螺栓松动试验的结果，判断输电铁塔螺栓连接处于实际风荷载情况下的寿命与松动情况，进行检修和维护。该方法能够模拟真实工况，为铁塔的运行维护提供依据，确保输电铁塔的安全运行。

Description

一种输电铁塔螺栓松动试验方法
技术领域
本发明涉及螺栓松动试验技术领域，具体涉及一种输电铁塔螺栓松动试验的方法。
背景技术
随着科学技术的不断革新，电网系统的运行推动了工业的迅速发展，与此同时，对电力系统的可靠性和运行安全系数也提出更高的标准。在高压、特高压电网的运行和建设过程中，对于预防发生因螺栓松动而导致的倒塔事故已成为重要的指标。
目前输电铁塔除了少部分场合使用钢管塔外，大部分仍是以现场组装铁塔为主，螺栓连接是输电铁塔组装广泛采用的一种方式。动载荷(如输电线路长期的微风振动、风载荷等)或者温差较大的场合下，螺栓连接容易发生松动，松动之后，连接强度消失，使铁塔处于高危状态。在外界大风或覆冰覆雪的工况下，铁塔极易发生倒塌事故。据统计，在发生输电铁塔倒落事故的现场，经常可以看到脱落的螺栓螺母，倒塔事故分析报告也表明，螺栓连接失效是倒塔的主要原因。
铁塔螺栓松动属于典型的“隐形故障”，往往不能被及时发现，当发现铁塔螺栓松动时输电线路已处于危险状态。目前，对于铁塔螺栓松动并没有一套完整的在线监测装置，还得依靠传统的人工巡检的方式。但由于铁塔的结构复杂，人工巡检很难彻查，这就为铁塔的安全性能埋下隐患。
针对铁塔螺栓松动对杆塔寿命影响极大且难以一一排查的情况，亟需一种能够模拟真实工况的输电铁塔螺栓松动试验方法，其能够为铁塔的运行维护提供依据，确保输电铁塔的安全运行。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种输电铁塔螺栓松动试验方法，其基于材料力学、结构力学等多学科知识，并结合现场实测风载工况下的条件设计，通过对输电铁塔模型的有限元建模，在保证输电铁塔模型安全性能的情况下，得到塔身连接处轴力最大的点，再利用横向振动试验机确定螺栓连接在风荷载条件下松动的试验载荷，绘制夹紧力变化曲线，判断螺栓的寿命与松动情况，为输电铁塔的运维提供相应的依据，确保输电铁塔的安全运行。
本发明采用如下的技术方案：
一种输电铁塔螺栓松动试验方法，该方法包括如下步骤：
步骤S1，对输电铁塔所在的环境进行风场的仿真模拟，得到风荷载；
步骤S2，建立输电铁塔和线路的模型，计算其在所述风荷载作用下的动力学分析结果，输出输电铁塔危险位置的轴力时程曲线；
步骤S3，将输电铁塔危险位置的螺栓试件固定在振动试验机上，将所述轴力时程曲线转换为振动试验机的横向振幅，进行螺栓松动试验；
步骤S4，根据步骤S3的螺栓松动试验的结果，判断输电铁塔螺栓连接处于实际风荷载情况下的寿命与松动情况，进行检修和维护。
优选的，步骤S1包括：
步骤S1-1，根据输电铁塔所处的环境，确定输电铁塔的设计基准风速；
步骤S1-2，仿真模拟输电铁塔所在环境的风场，得到风荷载。
优选的，步骤S2包括：
步骤S2-1，建立输电铁塔的模型；
步骤S2-2，建立导线/地线的模型；
步骤S2-3，对所述导线/地线模型，施加步骤S1得到的所述风荷载，提取相应的支反力施加到输电铁塔的模型上，得到塔线分离情况下输电铁塔在风荷载作用下的动力学分析结果；
步骤S2-4，根据所述输电铁塔的模型和所述导线/地线模型，建立塔线耦合模型，得到塔线耦合情况下输电铁塔在风荷载作用下的动力学分析结果；
步骤S2-5，将步骤S2-3塔线分离情况下的动力学分析结果与步骤S2-4塔线耦合情况下的动力学分析结果进行对比，取较大值作为输电铁塔危险位置的轴力时程曲线。
优选的，所述输电铁塔的模型是杆梁混合模型。
优选的，所述较大值是塔线分类情况下的轴力云图最大值点的轴力时程曲线。
优选的，所述振动试验机包括偏心轮、连杆、振幅传感器、试验的螺栓试件、轴力传感器以及固定装置。
优选的，步骤S3中，将步骤S2得到的轴力输出时程曲线作为横向动态载荷的时程曲线，转换为试验机的横向振幅，施加至螺栓试件。
优选的，步骤S3中，在螺栓松动试验中，得到螺栓试件螺栓连接夹紧力的变化曲线，步骤S4根据变化曲线进行输电铁塔螺栓连接处于实际风载情况下的寿命与松动情况进行判断与预测。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
(1)本发明的输电铁塔螺栓松动试验方法能够模拟真实工况，为铁塔的运行维护提供依据，确保输电铁塔的安全运行；
(2)本发明可以通过对螺栓施加不同的扭矩，研究铁塔螺栓处于不同预紧情况下的松动程度的变化，确定最优初始预紧力，为输电铁塔螺栓紧固的施工设计提供理论参考。
(3)本发明根据输电铁塔所处的实际工况，对不同型号螺栓处于此种工况下的使用寿命进行试验，为螺栓的选型提供参考，在满足性能要求的前提下节约成本。
附图说明
图1是本发明的输电铁塔螺栓松动试验方法的步骤流程图；
图2是本发明建立的输电铁塔杆梁混合模型的示意图；
图3是本发明建立的塔线耦合模型的示意图；
图4是本发明的塔线耦合与塔线分离情况下的应力、位移、轴力时程曲线对比图；
图5是本发明的螺栓松动试验的振动试验机的示意图；
图6是本发明的振动试验中夹紧力的变化曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本发明的输电铁塔螺栓松动试验方法，包括以下步骤：
步骤S1，对输电铁塔所在的环境进行风场的仿真模拟，得到风载荷。
对于架空输电线路，风是第一安全影响因素。由于风灾导致的输电线路故障，很难在短时间内得到解决，会让故障所造成的损失不断的扩大。为了使输电线路的结构强度和电气性能能够很好地适应自然界的变化，以保证输电线路的安全运行，在设计过程中必须对风进行仿真模拟。
具体的，步骤S1包括如下步骤：
步骤S1-1，根据输电铁塔所处的环境，确定输电铁塔的设计基准风速。
设计基准风速是在计算导线、地线荷载和张力以及输电铁塔自身所受风荷载时的考虑因素之一。
为了确定输电线路的设计基准风速，需要对输电铁塔所处的环境进行调研，根据国家标准，对输电铁塔所处的环境进行实际风速测量，并确定所采用的设计基准风速。设计基准风速也可以根据最大风速的统计值计算，即以当地气象台、气象站统一观测高度下的历年连续自记10min时距平均最大风速作为样本。一般输电线路的设计基准风速，按照附近气象台的最大风速统计值选取。山区输电线路的设计基准风速，如果没有可靠资料，可以按附近平原地区的统计风速值提高一定比例例如10％选用。
在计算导线、地线荷载和张力以及输电铁塔荷载时，110～330kV输电线路的设计基准风速应不低于25m/s，500kV输电线路的设计基准风速不低于30m/s。
步骤S1-2，仿真模拟输电铁塔所在环境的风场，得到风荷载。
考虑步骤S1-1的设计基准风速，对输电铁塔所在环境的风场进行仿真模拟。
具体的，利用S1-1中的设计基准风速计算各塔身部位高度下的风速。
高度Z处平均风速与10m高平均风速呈指数关系，其表达式为
Figure BDA0003105568760000041
其中，
Figure BDA0003105568760000042
为10m高度处的平均风速，
Figure BDA0003105568760000043
为Z高度处的平均风速；α为地面的粗糙度系数。
对风场的仿真模拟采用随机风场风速用以模拟仿真真实情况下的风速。
在实际工程应用中，通常把自然风分为平均风和脉动风两部分。平均风即稳定风，脉动风则是由于风的不规则性引起的。平均风的模拟采用式1中的指数分布规律来确定。脉动风为随机过程，需用统计方法描述。对风的记录分析表明，如果舍弃初始阶段附近的严重的非平稳性范围，脉动风速时程可视为具有各态历经性的零均值平稳高斯过程，具有明显的各态历经性。脉动风的模拟采用功率谱进行表征，可以例如采用谐波合成进行模拟。将模拟脉动风速功率谱和Kaimal 功率谱进行比较，可以验证该方法模拟线路及输电铁塔风场的合理性。
Kaimal功率的表达式如下：
Figure BDA0003105568760000051
其中，V*为流动剪切速度，即摩擦速度，其表达式为
Figure BDA0003105568760000052
其中，Z0为地面粗糙高度系数，单位是m；
Figure BDA0003105568760000053
为任意高度Z处的平均风速，单位是m/s。
式(2)中，f为频率，Z为风相对于地面的高度，f*为漠林坐标，其表达式为：
Figure BDA0003105568760000054
根据模拟的真实风速，计算真实风速下电线风载荷的表达式为
Figure BDA0003105568760000055
其中，Wx为垂直于导线轴线的水平风载荷，单位是N；μsc为导线或地线的体型系数；α为风压不均匀系数，βc为导线以及地线风载荷调整系数，仅用于计算作用于杆塔上的导线及地线风载荷；d为导线或地线的外径，分裂导线取所有子导线外径的总和，单位是m；δ为导线覆冰厚度，单位是mm；lH为杆塔的水平档距，单位是m；V(z)为任意高度Z处的模拟真实风速，单位是m/s；θ为风向与导线或地线方向之间的夹角，单位为度。
对风场的模拟可以采用已有的软件进行，例如MATLAB，也可以自行编写程序进行。
步骤S2，建立输电铁塔和线路的模型，计算其在步骤S1模拟的风荷载作用下的动力学分析结果，输出输电铁塔危险位置的轴力时程曲线。
具体的，步骤S2包括如下步骤：
步骤S2-1，建立输电铁塔的模型。
本发明所述的输电铁塔结构是由不同规格的角钢连接而成的复杂空间结构，一般是由塔脚、塔腿、塔身、塔头、横担等结构组成，塔身结构一般具有高度对称性的特征，横担上可以挂若干导线，塔头上设有地线支架。
采用不同的建模方式，包括空间桁架模型、梁模型以及杆梁混合模型，对输电铁塔进行建模，并计算其静力学和动力学特性。经过比对发现，杆梁混合模型是最符合实际受力情况的。
考虑到主材、斜材、辅材的受力状态，为最符合实际受力情况，本发明采用杆梁混合模型进行建模。杆单元的特点是设计、制作、安装都比较方便，并且适应跨度的范围很大。梁单元考虑到剪切变形的影响，非常适合线性、大角度转动、非线性以及大变形分析。梁单元各端节点包含X、Y、Z方向的位移和绕X、Y、 Z轴扭转的6个自由度，使用梁单元可反应结构拉、压、弯、剪、扭的受力性能，实现端部节点的单边约束，也能使模型中角钢的方向与实际结构完全一致，从而最大限度减小计算误差。
本发明建立的输电铁塔杆梁混合模型如图2所示。输电铁塔多为格架式铁塔，其杆件主要由单根等边角钢或组合角钢组成，杆件间连接采用粗制螺栓，靠螺栓受剪力连接，为典型的框架结构。在设计规程中，铁塔的强度计算一般将其简化为空间桁架结构,但实际铁塔结构中，一般斜材两头与主材和横隔材采用一颗螺栓连接，这时可将斜材视为杆件，主材和横隔材一般可视为梁，将杆塔整体视为空间梁和桁架的组合结构更为合理。根据结构中各相邻杆件之间的连接关系，建立铁塔的空间杆梁混合结构模型。
输电铁塔杆梁混合模型的建立采用有限元分析法进行，可采用已有的软件例如ABAQUS进行，也可以自行编写程序进行。
步骤S2-2，建立导线/地线的模型。
根据实际情况，导线/地线模型的建立包括建立导线、地线以及绝缘子串的模型。例如，建立四分裂导线、V型绝缘子串、悬垂绝缘子串以及地线的模型。
对于高压输电线路来说，其线路走廊比较长，线路沿线经过的地形条件十分复杂。如果将整条线路作为研究对象建立模型，工作量将十分巨大。因此可以将整条线路细分来看，建立不同的耐张段的线路。在具体建模时为了提高计算效率，将直线塔上的悬垂绝缘子串中的每个绝缘子用杆单元来模拟，绝缘子之间的球头和碗头的铰接采用连接单元模拟。在ABAQUS/CAE中建立绝缘子串的有限元模型时，模拟绝缘子的杆单元的长度等于绝缘子的高度。用球铰模拟相邻绝缘子之间的约束关系。根据悬垂绝缘子串与横担的连接特征，可将悬垂绝缘子串的最上端的约束简化为固定铰，杆单元可以绕该铰在平面内转动。由于耐张绝缘子串固定于耐张塔上，因此该部分以固定约束的方式来模拟。
导线和电线采用悬链法进行建模，在ABAQUS中采用索单元模拟，用Python 语言生成初始构形。绝缘子串模型采用杆单元模拟，可采用已有的软件进行，也可以自行编写程序进行。
步骤S2-3，对步骤S2-2建立的导线/地线模型，施加步骤S1得到的风荷载，提取相应的支反力施加到输电铁塔的模型上，得到塔线分离情况下输电铁塔在风荷载作用下的动力学分析结果。
建立四分裂导线、V型绝缘子串、悬垂绝缘子串、地线模型后，将步骤S1 仿真模拟计算得到的相应风速，转换为等效加速度施加在相应导线、地线上。可以得到悬垂绝缘子串-四分裂导线、V型绝缘子串-四分裂导线、地线动力学仿真结果。
分别提取导线悬垂绝缘子上端点、V型绝缘子串顶端两顶点、地线悬垂绝缘子上端点的支反力，将提取的支反力施加于输电铁塔的相应挂点处。
对输电铁塔施加对应高度的风荷载等效加速度，可以得到塔线分离情况下输电铁塔在风荷载作用下的动力学分析结果。输出整个模型的轴力云图，找到最大值点，输出最大值点的轴力时程曲线图。
步骤S2-4，根据步骤S2-1建立的输电铁塔模型和步骤S2-2建立的导线/地线模型建立塔线耦合模型，得到塔线耦合情况下输电铁塔在风荷载作用下的动力学分析结果。
将步骤S2-1建立的输电铁塔模型和步骤S2-2建立的导线/地线模型耦合到一起，建立塔线耦合模型。本发明建立的塔线耦合模型如图3所示。
根据步骤S1得到的风荷载，对塔线耦合模型施加与步骤S2-3中相同的对应高度的风荷载等效加速度，可以得到塔线耦合体系在风荷载作用下的动力学分析结果。输出整个模型的轴力云图，找到最大值点，输出最大值点的轴力时程曲线图。
步骤S2-5，将步骤S2-3塔线分离情况下的动力学分析结果与步骤S2-4塔线耦合情况下的动力学分析结果进行对比，选取数值较大的最大值点的轴力时程曲线作为输电铁塔危险杆件的轴力时程曲线。
将塔线分离情况和塔线耦合情况的最大值点进行比较，选取数值较大的最大值点的轴力时程曲线作为输电铁塔危险位置杆件的轴力时程曲线。取较大值，更有利于结构安全。
如图4所示，分离情况的数值稍大，那么，满足分离情况下的要求就能保证耦合情况下的塔身安全。因此，输出分离情况下应力最大值的轴力时程曲线图作为输电铁塔危险位置杆件的轴力时程曲线。
步骤S3，将输电铁塔危险位置的螺栓试件固定在振动试验机上，将步骤S2 得到的轴力时程曲线转换为振动试验机的横向振幅，进行螺栓松动试验。
如图5所示，振动试验机包括偏心轮、连杆、振幅传感器、试验的螺栓试件、轴力传感器以及固定装置。往返式的横向振动是螺纹紧固件产生松脱的最主要原因。紧固件横向振动试验机是一种专门用于测试和分析自锁紧固件的自锁性能的试验机，通过该试验机，可以分析预紧轴力、横向位移和横向振动周期的变化曲线来判别螺纹紧固件的防松特性，以便于研究机械结构中螺纹紧固系统防松脱的能力。
对螺栓试件施加多组例如五组不同大小的夹紧力以作对比，实验频率采用12.5Hz，并确保自由状态下的振幅使螺栓连接不受剪切。在实验过程中，将步骤 S2得到的轴力输出时程曲线作为横向动态载荷的时程曲线，转换为试验机的横向振幅，施加至螺栓试件，进行螺栓松动试验。
实验时，观察振动试验机的显示仪表，至螺栓试件的夹紧力丧失到预定数值或达到一定振动次数时停机，连续记录夹紧力，必要时，记录停机时螺栓试件的拆卸力矩。此时，螺栓试件螺栓连接的松动情况，则为模拟得到的输电铁塔上的螺栓连接处于实际环境下受风荷载作用下的实际松动情况。
步骤S4，根据步骤S3的螺栓松动试验的结果，判断输电铁塔螺栓连接处于实际风荷载情况下的寿命与松动情况，进行检修和维护。
在螺栓松动试验中，可以绘制振动实验中夹紧力的变化曲线，如图6所示，通过直接对比曲线形状、比较特定点数据以及其它进行数据处理的方法，对输电铁塔螺栓连接处于实际风载情况下的寿命与松动情况进行判断与预测，根据判断与预测的结果，对输电线路杆塔的螺栓连接进行检修与维护，保障输电线路的塔身安全。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明的输电铁塔螺栓松动试验方法能够模拟真实工况，为铁塔的运行维护提供依据，确保输电铁塔的安全运行；本发明可以通过对螺栓施加不同的扭矩，研究铁塔螺栓处于不同预紧情况下的松动程度的变化，确定最优初始预紧力，为输电铁塔螺栓紧固的施工设计提供理论参考；本发明根据输电铁塔所处的实际工况，对不同型号螺栓处于此种工况下的使用寿命进行试验，为螺栓的选型提供参考，在满足性能要求的前提下节约成本。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种输电铁塔螺栓松动试验方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤S1，对输电铁塔所在的环境进行风场的仿真模拟，得到风荷载；
步骤S2，建立输电铁塔和线路的模型，计算其在所述风荷载作用下的动力学分析结果，输出输电铁塔危险位置的轴力时程曲线；
步骤S3，将输电铁塔危险位置的螺栓试件固定在振动试验机上，将所述轴力时程曲线转换为振动试验机的横向振幅，进行螺栓松动试验；
步骤S4，根据步骤S3的螺栓松动试验的结果，判断输电铁塔螺栓连接处于实际风荷载情况下的寿命与松动情况，进行检修和维护。
2.如权利要求1所述的输电铁塔螺栓松动试验方法，其特征在于，
步骤S1包括：
步骤S1-1，根据输电铁塔所处的环境，确定输电铁塔的设计基准风速；
步骤S1-2，仿真模拟输电铁塔所在环境的风场，得到风荷载。
3.如权利要求1所述的输电铁塔螺栓松动试验方法，其特征在于，
步骤S2包括：
步骤S2-1，建立输电铁塔的模型；
步骤S2-2，建立导线/地线的模型；
步骤S2-3，对所述导线/地线模型，施加步骤S1得到的所述风荷载，提取相应的支反力施加到输电铁塔的模型上，得到塔线分离情况下输电铁塔在风荷载作用下的动力学分析结果；
步骤S2-4，根据所述输电铁塔的模型和所述导线/地线模型，建立塔线耦合模型，得到塔线耦合情况下输电铁塔在风荷载作用下的动力学分析结果；
步骤S2-5，将步骤S2-3塔线分离情况下的动力学分析结果与步骤S2-4塔线耦合情况下的动力学分析结果进行对比，取较大值作为输电铁塔危险位置的轴力时程曲线。
4.如权利要求3所述的输电铁塔螺栓松动试验方法，其特征在于，
所述输电铁塔的模型是杆梁混合模型。
5.如权利要求3所述的输电铁塔螺栓松动试验方法，其特征在于，
所述较大值是塔线分类情况下的轴力云图最大值点的轴力时程曲线。
6.如权利要求1所述的输电铁塔螺栓松动试验方法，其特征在于，
所述振动试验机包括偏心轮、连杆、振幅传感器、试验的螺栓试件、轴力传感器以及固定装置。
7.如权利要求1所述的输电铁塔螺栓松动试验方法，其特征在于，
步骤S3中，将步骤S2得到的轴力输出时程曲线作为横向动态载荷的时程曲线，转换为试验机的横向振幅，施加至螺栓试件。
8.如权利要求1所述的输电铁塔螺栓松动试验方法，其特征在于，
步骤S3中，在螺栓松动试验中，得到螺栓试件螺栓连接夹紧力的变化曲线，步骤S4根据变化曲线进行输电铁塔螺栓连接处于实际风载情况下的寿命与松动情况进行判断与预测。
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