电力变压器螺栓紧固力矩技术研究

郭克斌

1研究背景

19世纪末，具有实际应用的变压器被发明，变压器上开始大量使用金属螺栓螺母，如套管的安装固定、储油柜的安装固定、连管等附件的安装固定，GB3098.13规范了破坏扭矩标准，Q/STB 12.521.5-2000规范了10.9级螺栓紧固力矩，但相关的国家标准、机械设计手册、变压器手册均没有明确的8.8级等其它性能等级螺栓紧固力矩要求，紧固力矩的大小对变压器运行的有效性和安全性有至关重要的作用，力矩太小，螺栓容易返松，力矩太大，螺牙破损，紧固失效，因而确定正确的紧固力矩大小对变压器行业有特别重大的意义;特别是在风力发电机的机仓内的升压变压器，螺栓是否有合适的紧固力矩，对变压器的安全运行有至关重要的意义，可以挽回巨额的经济损失。

2研究对象和范围

本文主要研究110KV和220KV变压器行业普通粗牙螺纹的工作原理、预紧力的计算方法、螺丝防松的工作原理以及在实际生产中的注意事项和意义。

3理论或原理

沿着圆柱表面运动的点的轨迹，该点的轴向位移和相应的角位移成定比，这样的点的轨迹就是螺旋线，沿着螺旋线形成的具有规定牙型的连续凸起称为螺纹，牙型角为60度的螺纹称为普通螺纹，在中经圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺旋线的平面的夹角称为螺纹升角（如图1）。螺栓螺丝螺纹有升角，展开后类似斜面，与之配合的螺母由如斜面上的物体，给螺母施加一个向下的力，根据受力分析，压力越大，摩擦力越大，只有摩擦力越大，螺母越不容易滑动。

4没有拧紧时螺母的受力

单个螺母重量不大，如M12普通GB/T41，单个重量12克，螺母没有拧紧时的受力情况如图（图2）：所受摩擦力f=G1<（mg=0.12N），摩擦力非常小，使用很小的力就能拧动，后续研究一般将不再考虑重力的影响

5拧紧螺母的受力

5.1使用合适的力矩将螺母拧紧，空转拧紧过程的受力如图6，F02=cosθ*F0，F02=k*F01，F01=sinθ*F，所以cosθ*F0= sinθ*F0*k+G2，摩擦力较小，使用较小力矩螺母将转动。

5.2螺母开始接触工件并逐步压紧工件的过程，螺母的受力情况如图7，工件被压紧后发生弹性形变，给螺母一个反作用力F预紧力，在逐步拧紧过程中，F逐步增大，摩擦力逐步加大，F0也需要逐步增加，越来越拧不动，直到达到需要的力矩。

5.3拧到合适力矩后F0去除，工件被压紧后发生弹性形变，给螺母一个反作用力F预紧力（如图5），该反作用力的一个垂直于螺牙斜面的分力通过螺母压在螺杆上，从而螺杆对螺母产生一个向上的摩擦力，整体二力保持平衡，螺母保持静止无滑动状态.

6预紧力防松的理论依据或螺纹防松的工作原理：

6.1当螺母受到外界撞击或碰撞而受到使螺母松脱力F0或力矩F0d时，支撑力P将变小，摩擦力f也将变小，当f逐渐变小至0或负数时，螺母开始转动。在螺母、螺杆、工件不损坏的前提下，变形越大，预紧力越大，预紧力越大，摩擦力越大，使螺母松脱的力或力矩也将越大，从而螺母防松效果越好（如图7）;

6.2当设备或工件由于运动、转动或运行，导致工件或设备发生震动或变形，导致被紧固工件与螺栓螺母间的弹性变形发生改变，弹性力大小也随着变形大小而发生改变，当工件与螺栓或螺母接触面的变形变小或消失时，工件与螺栓或螺母接触面的变形应力也将变小或消失时，螺母将所摩擦力比螺母本身重力还小，微小震动或冲击，螺母将转动（即从图4变为图2）。在螺母、螺杆、工件不损坏的前提下，工件或螺栓螺母变形越大，预紧力越大，抵抗变形的能力也越强，使螺母松脱的力或力矩也将越大，从而螺母防松效果越好;

7预紧力大小的计算：

预紧力的大小根据螺栓组受力的大小和联接的工作要求决定。设计时首先保证所需的预紧力，又不应使连接的结构尺寸过大。一般规定拧紧后螺纹联接件预紧应力不得大于其材料的屈服点的80%。对于一般联接用钢制螺栓，推荐用预紧力限值如下：

螺栓材料屈服点和螺栓公称应力截面积在机械手册上查询

8紧固力矩大小的计算：

为了增强螺纹联接的刚性、紧密性、防松性能以及防止受横向载荷螺栓联接的滑动，多数螺纹联接在装配时都要预紧。其拧紧扳手力矩T是用于克服螺纹副的螺纹阻力矩T1及螺母与被联接件支撑面间的端面摩擦力矩T2.

拧紧力矩系数K的选用要求如下表，一般取0.2

9特殊情況螺栓的预紧力和紧固力矩

9.1铝合金工件：变压器上含铝合金的主要设备有高压套管、低压套管、开关、气体继电器、压力释放阀、油流继电器等，铝合金的强度和硬度一般比较弱，安装紧固件必须使用垫圈，用于增大受力面积，从而减少局部压强;需要根据铝合金的屈服强度计算螺孔所能承受的压力，根据该压力计算出该螺孔所能承受螺栓所给的最大扭矩Tmax，如果该扭矩Tmax比螺栓所承受的力矩T大，即Tmax>T，则按螺栓力矩T，否则按该扭矩Tmax。

例子：8.8G的M12螺栓，Φ14螺孔，5083-H112铝合金（屈服强度211MPa），垫片13.5-24-2.5，

Fmax=σ*A=[3.14*（12*12-7*7）*211]=53694N， T=kFd=0.2*0.012*53694=129Nm>102Nm，力矩相对比较接近，可以选用较小的合适力矩;

绝大多数铝合金的失效，均是不均匀紧固导致的，因而需要均匀紧固;

例子：高压套管安装法兰，螺孔中心圆直径为290mm，升高座法兰密封槽法兰与大平面有1mm台阶（如图9），一端螺孔与另一端台阶的距离为275mm（如图10），使用M16合适螺栓，如果先拧一边至要求力矩最终紧固，将一边压下去，另一边将抬高7.33mm，然后使用螺栓紧固另一边，先拧那边套管法兰在台阶位置所受力将达到124吨力，超出铝合金的屈服强度，安装法兰损坏（如图11）。

T=kFd=0.2*0.016*F1=205Nm   F1=64062N

F1*290=F2*15      F2=1238541N=123854kgf=124tf

9.2铜工件：变压器内部或外部一般使用T2电解铜，强度好，延申性好，柔韧性好，抗拉强度一般达到230MPa以上，使用相关螺栓，主要考虑铜联接件的接触电阻

式1中，Rj就是接触电阻，它的单位是微欧;K是与材料有关的系数，例如铜镀锡、铜镀银等等;F是接触压力，单位是牛顿;m是接触形式，点接触时m=0.5，线接触时m=0.5～0.7，面接触时m=1;

降低接触电阻除了去除铜连接件接触面上的氧化物、接触面打磨平整和增大接触面外，就是在允许的情况下加大拧紧连接件螺栓的紧固力矩;

9.3环氧浇注塑料：变压器的CT接线板和铁芯夹件接地板材质一般为环氧浇注塑料（epoxy casting plastic），抗压强度（compressive strength）为140Mpa; 一般使用M12螺栓;经过多次试验和厂家建议，一般按标准紧固力力矩的一半紧固，力矩大小约40Nm，，需要均匀受力，循环多次紧固

10螺纹防松的方法

10.1预紧力防松：如6.1项，当预紧力为螺栓屈服强度的60-70%时，螺纹没有损坏，仅发生弹性变形，当外界拧松力较大时，螺栓才会被拧松，但变形一般比较小，静载荷时比较可靠，如8.8G的M12螺栓，垫片13.5-24-2.5，Φ14螺孔，紧固力矩约84Nm，预紧力F0=T/kd=35000N，Q345的弹性模量E是206000N/mm3，变形量约为=0.0006mm;

10.2雙螺母：使用10.1项紧固螺母后，在现有螺母外再加装第2个螺母，保持第一个螺母不动，第2个螺母向第一个螺母对拧，两个螺母相对拧紧咬紧。如图12，第2个螺母拧紧后，受到第1个螺母弹性变形所产生的力（预紧力），预紧力是相互的，第1个螺母也受到第2个螺母的预紧力，这2个螺母将不受工件的影响，即使工件发生较大变形弹力消失，螺母与螺栓也不会发生松脱和相对位移;

10.3弹簧垫片或锥型垫片：弹簧垫片被压缩后始终具有弹力，对螺母产生预紧力，弹簧垫片原始厚度H与压缩后的厚度S的差额较大，一般超过1mm，即工件在发生微小变形后螺母始终受到弹簧垫片所给的预紧力，因而具有一定的防松效果。

10.4特殊双垫片：运用高硬度的特殊结构垫片对防松

10.4.1高硬度垫片：比12.9级高强度螺栓的硬度（430-450HV1）还高，可到达465HV1，单位变形量所需的预紧力更大;

10.4.2特殊结构：垫片成对使用，外表面为放射装锯齿，内表面呈楔形，楔形面相对（如图13），拧紧时锯齿外表面由于压力与零部件接触面咬合，在拧紧时，螺栓与这个特殊垫片/另一个垫片与工件间由于锯齿和咬合压力而保持相对静止，位移发生在楔形内表面之间，直到达到所需的预紧力;楔形的升角比螺纹的升角大，当螺母或螺栓发生震动旋转松动或工件变形使预紧力变小时，特殊垫片发生厚度方向扩张行为，继续维持一定的预紧力（如图14）.

11螺栓螺母下加垫圈：

由于螺栓或螺母为螺旋旋转运动，紧固时为线性与工件接触，接触线压强大，工件表面易磨损，增加垫圈后可有效保护工件表面;

12在生产中的螺丝紧固注意事项：

12.1需要根据结构特点和材料特点计算合理安全的紧固力矩;

12.2需要均匀紧固，特殊材质或特殊结构且紧固力矩比较小时，需要从最小力矩每隔5Nm或10Nm逐步紧固直到达到要求紧固力矩;要求不高时，也需要分两步才能紧固到位;

13结束语：

螺栓紧固看似简单，实际上是一个包含工程材料、理论力学、工程力学、机械设计、工艺方法等科学在内的综合学科，变压器行业的漏油、附件损坏、损耗大等异常现象，很多都与螺栓是否紧固、紧固力矩是否达到、紧固力矩是否正确、紧固方法是否正确有关，本文可有效解决大多数螺栓紧固问题。

参考文献：

[1]谢旈城 主编.电力变压器手册[M]。北京：机械工业出版社，2003年

[2]安  琦 主编.机械设计。上海：华东理工大学出版社，2009年

[3]成大先 主编.联接与紧固。北京：化学工业出版社，2004年