一种弹性螺纹分离式防松螺母的结构设计与应用

2023-10-23刘新斌吴昊天张江华段亚男

机电产品开发与创新 2023年5期

刘新斌，王纯，吴昊天，张江华，段亚男

（国网荆州供电公司输电运检分公司，湖北荆州 434000）

0 引言

近年来输电线路大风、雨雪、覆冰、舞动频繁发生，造成输电杆塔破坏的现象越来越突出，甚至还造成倒塔事故。电网运行维护来说，输电杆塔破坏属于难以直接恢复的电力事故，由此造成的停电损失及其修护成本也较高。经现场踏勘、调查分析、试验研究及理论分析，发现除特殊运行工况超过铁塔设计使用条件而引发的倒塔事故外，受压区失稳破坏是铁塔破坏的主要原因之一，螺栓松动是引发失稳的主要原因，导线的舞动引起横担螺栓松动脱落，主材在疲劳应力作用下形成疲劳破坏并扩展最后松脱[1]。为了避免上述现象，本文设计了一种弹性螺纹分离式防松螺母来预防螺栓松动引起的铁塔破坏。

1 杆塔螺栓松动的原因与传统处理对策

1.1 杆塔螺栓松动的原因分析

杆塔结构螺栓松动受多种因素影响，外部环境因素主要包括导线舞动、大风、铁路沿线振动等，主观因素包括但不局限于结构力学设计、材料机械性能、安装工艺等，松动机理模型非常复杂。经过对铁塔螺栓松动原因进行分析发现，标准的内螺纹存在螺纹加工的角度误差和牙距误差，导致螺栓和基体内螺纹之间的接触面很小，从而导致基体螺纹的受力不均，降低了螺纹连接的强度。经模拟仿真受力分析研究，普通刚性连接螺母第一、第二和第三螺纹啮合面承载了70%～80%的负荷，其余螺纹啮合面承受的负荷很少[2]。刚性螺纹受力情况见图1 所示。

图1 刚性螺纹受力分析图

普通螺纹紧固件在振动负荷条件下，很容易克服螺纹接触面上的锁紧力产生振动进而松脱。当拧紧力矩较大时，压力集中在第一、第二螺纹连接处，极易造成螺纹弯曲和剪切变形，使得第二螺纹承受压力，并产生锁紧力，以此类推，承载负荷面将受力逐个传递，造成螺纹依次剪切和磨损，导致螺母和螺纹强度大幅度下降，直至失效[3]。

1.1.1 杆塔螺栓松动特性研究

结合相关横向振动防松性能试验标准，对杆塔螺栓现有防松措施防松性能进行试验，通过对试验结果进行分析、不断调整试验参数，得出最符合铁塔螺栓松动的模拟试验特征参数。

1.1.2 弹性螺纹分离式防松螺母研制

提出弹性螺纹分离式防松螺母设计思路，制作相关设计图纸及初始样品，结合第一项松动特性参数的研究结果及防松性能试验，调整弹性螺纹分离式防松螺母最佳设计参数，使其在杆塔松动特性条件下能提供最佳的防松性能。

1.2.3 杆塔关键防松位置研究

结合电力设计院结构力学计算公式，以及运行维护部门运维数据，对不同通用塔型易产生松动的节点位置进行研究，例如角钢包铁处、导线挂点等位置，形成完整的不同通用塔型关键防松位置文件。

1.2 传统处理措施存在的弊端

为保证杆塔的安全运行，运维人员需定期对杆塔螺栓进行拧紧加固。蒙东地区大风区较多，在带来巨大风能资源的同时，风力造成的铁塔螺栓松动问题也为输电线路杆塔的安全运行带来的极大的考验。为保证输电杆塔的安全运行，运维人员需定期对杆塔螺栓进行拧紧加固，在一定程度上存在不能及时发现并处理隐患的风险，且人工成本较高[4]。

2 一种弹性螺纹分离式防松螺母的结构设计的目的

目前电力系统对于在役线路杆塔结构防松动改造一般采用加装普通螺母或者其他简易防松产品，对于新建线路则会在设计阶段对关键防松部位直接采用双螺母设计来防止松动，此类杆塔防松解决方法均不同程度地存在防松效果不佳、施工复杂、后期运行维护不方便等问题。结合电力系统现有措施及其特点，结合电力系统输电应用场景的防松需求特性，开发基于弹性连接的弹性螺纹分离式防松螺母，并对其应用方法进行研究，结合电力设计院结构力学计算原则以及运行维护部门运维统计数据，对常见通用塔型易产生松动的节点位置进行研究，同时形成完整的不同通用塔型关键防松位置研究成果[5]。归纳起来，本次设计弹性螺纹分离式防松螺母的目的有两个：一是解决架空输电线路杆塔紧固件松动问题；现有输电线路杆塔防松方法一般包括双螺母加固安装、安装防松卡、永久防松和加装平垫& 弹垫等方式进行防松，但是其在电力系统输电线路应用场景下防松性能参差不齐且部分措施有一定的应用局限性。通过对输电线路应场景进行研究，开发分离式弹性螺纹结构防松螺母，通过其安装在杆塔上良好的防松性能来解决输电线路杆塔由于导线舞动、螺栓自松动等原因造成的主体结构失稳，有效保障输电线路的安全运行。二是结合重点防护的应用理念，对易松动节点进行加强防松。传统输电线路杆塔防松加固方案通常采用全塔加装同样的防松措施或者仅在杆塔上半部分全部安装，对于安装位置的选择具有一定的盲目性，本项目通过对典型杆塔结构在静态载荷及动态载荷下的受力及结构变化情况进行分析研究，结合输电运维部门在日常检修中统计到的相关数据，找出通用塔型在自然条件下最容易产生松动的节点部位，并加装弹性螺纹分离式防松螺母进行重点位置防松，可提供更具针对性的防松加固产品和应用方案，有效地保护输电线路杆塔的结构运行稳定性。

3 当前预防线路杆塔及接续金具螺栓松动的对策

3.1 防松卡

防松卡（见图2），其防松结构主要包括U 形钢片、挡片和螺栓螺母组成，防松卡U 形钢片两端各有一组六角形花瓣挡片，分别套住螺栓的头部和螺母的六个侧壁，在螺栓螺丝侧壁增加了紧固力，板面蠕动和热胀冷缩的变化施加了一定的预紧能量，防止螺杆退丝，阻止螺杆和螺母的相对转动，以此来达到防松目的。其结构简单，成本较低，但由于其不能提供足够大的摩擦力和紧固力来止退，所以防松效果相对很一般。

图2 防松卡

3.2 双螺母防松

双螺母结构（见图3），其包括内螺母和外螺母，是简单地在原有一颗螺母的基础上加装一颗外螺母来增加整个连接系统的夹紧力，以夹紧力的增加来增大螺母与连接面之间的摩擦力，进而起到防松的作用。这种方案只需要增加一颗螺母及安装量，成本低，施工方便，但是由于其并未解决刚性螺母每圈螺纹受力不均匀的问题，且内外两颗螺母之间力的叠加状态比较复杂，所以刚性螺母存在的螺纹受损问题依然存在，相应的连接强度和防松性能提高程度也十分有限。双螺母加固方案见图4 所示。