一种无源松动可视化螺栓的研发

李红发，董志聪，刘秉军，王荣鹏，罗应文，聂文翔，胡小慢

(1.广东电网有限责任公司中山供电局，广东 中山 528400；2.广东电网有限责任公司培训与评价中心，广东 广州 510000)

1 研究背景

为确保工程质量符合要求、输电线路运行可靠，需要定期对输电铁塔上的螺栓进行拧紧力矩检验。目前主要的检验手段依靠人工登杆，利用力矩扳手判断螺栓的拧紧力矩是否达到紧固标准的要求。由于输电线路上的螺栓数量众多，在工程验收和定期巡检的时候往往利用力矩扳手对螺栓随机抽样检查，不能及时、全面反映输电线路每个螺栓的松动情况，在巡检过程中及时发现螺栓松动或者脱落比较困难。这为输电线路的安全运行造成一定程度的潜在风险，耗费大量的人力，也增加了验收、巡检人员的作业风险。

2 结构介绍

改造螺栓在连接、紧固方面的使用方法与现在使用的螺栓无任何不同，可以直接替代现有的输电铁塔螺栓，并且具有适用范围广泛、松紧状态便于辨识的优点。改造螺栓的结构形态(见图1)，其主要构成部分为螺栓头、套筒、圆形螺柱、螺母、方形螺柱以及行程弹簧。其中，螺栓头周围采用颜色标记，并与套筒的圆孔进行配合，拧紧状态下螺栓头表面与套筒上表面持平，说明螺栓已处于拧紧状态；套筒整体采用正六边形螺柱结构，适配标准已有的螺栓型号；套筒内的方孔与方形螺柱配合，使其在旋拧螺栓过程中保持套筒和方形螺柱相对固定位置；圆形螺柱和常规螺栓一样，起到工件连接之间的强度支撑作用；螺母与圆形螺栓配合使用，起紧固作用；行程弹簧套在方形螺柱上，且其半径与套筒圆孔适配。

1—螺栓头；2—套筒；3—圆形螺柱；4—螺母；5—方形螺柱；6—行程弹簧。

图2展示了改造螺栓在初始状态和拧紧状态下的套筒和行程弹簧状态，通过在改造螺栓的螺栓头侧面涂色，可以直观显示螺栓是否松动。当螺母拧紧时，螺母通过连接件对螺栓施加下拉力，螺栓头压缩行程弹簧，同时带动套筒向下移动。当螺栓头顶部和套筒顶部横截面平齐，说明螺母已拧紧到位，此时观察者看不到螺栓头侧面的彩色，可直观判断螺栓处于紧固状态。当螺母松动时，螺栓头对行程弹簧的压力减小，行程弹簧对套筒施加向下的作用力，使套筒向下位移，导致螺栓头伸出套筒外部，不与套筒顶部的横截面平齐。此时观察者看到螺栓头侧面的彩色，可直观判断螺母已松动。观察者只要观察螺栓指示片侧面的彩色部分是否露出，即可判断螺栓是否发生松动。

图2 无源式松动警示螺栓初始状态及拧紧状态示意图

3 结构原理

预紧力是在连接件受到工作载荷之前，为了防止受到载荷后连接件间出现缝隙或者相对滑移而沿螺栓轴线方向预先施加的一个力。对于螺栓而言，为了连接得可靠和紧固，必须保证螺纹具有一定的摩擦力矩，此摩擦力矩是由连接时施加拧紧力矩后，螺纹产生了预紧力而获得的。因此根据国家标准的要求，不同尺寸的螺栓需要施加不同大小的拧紧力矩。表1为《架空输电线路运行规程》针对不同型号、不同强度的螺栓所规定的拧紧力矩。

表1 螺栓型金具钢制热镀锌螺栓拧紧力矩值

表征螺栓力学性能和强度的主要概念是屈服强度、抗拉强度以及屈强比值。屈服强度是金属从弹性形变转为进入塑性形变阶段的临界值(一般以2%残余变形为表征)，抗拉强度是金属从均匀塑性形变过渡到局部集中塑性形变的临界值，屈强比值就是二者的比值。以表格第一行M10-4.8级的螺栓为例：M10表示螺栓直径为10 mm，4.8级表示螺栓的公称抗拉强度为400 MPa，屈强比值为0.8，则其公称屈服强度为400×0.8=320 MPa。也就是说标准规定：对于4.8级强度的M10螺栓，施加18～23 N·m的拧紧力矩时，其抗拉强度小于400 MPa，屈服强度小于320 MPa，且应当具有一定程度的裕度[1]。

在进行有限元仿真研究时，为了便于施加载荷，需要将标准规定的拧紧力矩等效换算为对应的预紧力。拧紧力矩与预紧力之间的换算公式如下[2]：

其中，F是预紧力，单位为N；T是拧紧力矩，单位为N·m；k1为扭矩系数，参考机械设计手册和工程常用值，在研究过程中取值0.3；ld是螺栓的螺纹公称直径，单位为mm。

需要注意的是，对于某一尺寸的改造螺栓，在施加标准拧紧力矩(换算为预紧力)的情况下，螺栓头应和套筒齐平，才能保证装置准确动作。此时的力学平衡关系为[2]：

上式中，F为施加的预紧力，k为行程弹簧弹性系数，Δl为弹簧形变量，h1为螺栓高度，h2为套筒圆孔深度，l为弹簧初始长度。

4 装置与应用

该装置结构十分简单，造价便宜，适宜全面推广使用；实现无源松动可视化，在无需电源的情况下，仅靠受力的相对位移实现松动的可视化，装置可靠，使用寿命长；动作可靠，采用全机械式动作，动作及显示可靠；适用范围广，可适用于螺栓紧固关键处。该装置设计成果如图3、图4所示。

图3 松动时

图4 紧固时

使用松动状态可视化装置后，可解决如下问题。

1)辅助线路验收，检查螺栓松紧。每座铁塔的螺栓数量达上千个，验收人员无法做到对每个螺栓进行校检，目前只能利用力矩扳手对部分螺栓进行抽检，因此不能确保所有螺栓都是紧固的，设备安全存在隐患。采用松动状态可视化装置后，直接采用无人机进行观察即可大范围验收。

2)发现运行中的螺栓松动。输电铁塔运行后螺栓的工作环境普遍较差，时常受到振动、冲击、温差等外界因素的影响，这会导致螺栓夹紧力的下降，进一步使得螺纹间产生相对运动、螺纹连接失效，影响螺栓紧固可靠性，尤其是在引流板线夹等重要连接位置，螺栓松动会给线路运行带来极大的安全隐患，而目前铁塔使用的螺栓在松动后又无法实时观察到，也只能依靠人员登塔查看螺栓松动情况，工作量大且风险系数高。采用松动状态可视化装置后，直接采用无人机进行观察即可发现运行松动缺陷。