郭克斌

1研究背景

19世紀末，具有實際應(yīng)用的變壓器被發(fā)明，變壓器上開始大量使用金屬螺栓螺母，如套管的安裝固定、儲油柜的安裝固定、連管等附件的安裝固定，GB3098.13規(guī)范了破壞扭矩標準，Q/STB 12.521.5-2000規(guī)范了10.9級螺栓緊固力矩，但相關(guān)的國家標準、機械設(shè)計手冊、變壓器手冊均沒有明確的8.8級等其它性能等級螺栓緊固力矩要求，緊固力矩的大小對變壓器運行的有效性和安全性有至關(guān)重要的作用，力矩太小，螺栓容易返松，力矩太大，螺牙破損，緊固失效，因而確定正確的緊固力矩大小對變壓器行業(yè)有特別重大的意義;特別是在風力發(fā)電機的機倉內(nèi)的升壓變壓器，螺栓是否有合適的緊固力矩，對變壓器的安全運行有至關(guān)重要的意義，可以挽回巨額的經(jīng)濟損失。

2研究對象和范圍

本文主要研究110KV和220KV變壓器行業(yè)普通粗牙螺紋的工作原理、預緊力的計算方法、螺絲防松的工作原理以及在實際生產(chǎn)中的注意事項和意義。

3理論或原理

沿著圓柱表面運動的點的軌跡，該點的軸向位移和相應(yīng)的角位移成定比，這樣的點的軌跡就是螺旋線，沿著螺旋線形成的具有規(guī)定牙型的連續(xù)凸起稱為螺紋，牙型角為60度的螺紋稱為普通螺紋，在中經(jīng)圓柱上，螺旋線的切線與垂直于螺旋線的平面的夾角稱為螺紋升角（如圖1）。螺栓螺絲螺紋有升角，展開后類似斜面，與之配合的螺母由如斜面上的物體，給螺母施加一個向下的力，根據(jù)受力分析，壓力越大，摩擦力越大，只有摩擦力越大，螺母越不容易滑動。

4沒有擰緊時螺母的受力

單個螺母重量不大，如M12普通GB/T41，單個重量12克，螺母沒有擰緊時的受力情況如圖（圖2）：所受摩擦力f=G1<（mg=0.12N），摩擦力非常小，使用很小的力就能擰動，后續(xù)研究一般將不再考慮重力的影響

5擰緊螺母的受力

5.1使用合適的力矩將螺母擰緊，空轉(zhuǎn)擰緊過程的受力如圖6，F(xiàn)02=cosθ*F0，F(xiàn)02=k*F01，F(xiàn)01=sinθ*F，所以cosθ*F0= sinθ*F0*k+G2，摩擦力較小，使用較小力矩螺母將轉(zhuǎn)動。

5.2螺母開始接觸工件并逐步壓緊工件的過程，螺母的受力情況如圖7，工件被壓緊后發(fā)生彈性形變，給螺母一個反作用力F預緊力，在逐步擰緊過程中，F(xiàn)逐步增大，摩擦力逐步加大，F(xiàn)0也需要逐步增加，越來越擰不動，直到達到需要的力矩。

5.3擰到合適力矩后F0去除，工件被壓緊后發(fā)生彈性形變，給螺母一個反作用力F預緊力（如圖5），該反作用力的一個垂直于螺牙斜面的分力通過螺母壓在螺桿上，從而螺桿對螺母產(chǎn)生一個向上的摩擦力，整體二力保持平衡，螺母保持靜止無滑動狀態(tài).

6預緊力防松的理論依據(jù)或螺紋防松的工作原理：

6.1當螺母受到外界撞擊或碰撞而受到使螺母松脫力F0或力矩F0d時，支撐力P將變小，摩擦力f也將變小，當f逐漸變小至0或負數(shù)時，螺母開始轉(zhuǎn)動。在螺母、螺桿、工件不損壞的前提下，變形越大，預緊力越大，預緊力越大，摩擦力越大，使螺母松脫的力或力矩也將越大，從而螺母防松效果越好（如圖7）;

6.2當設(shè)備或工件由于運動、轉(zhuǎn)動或運行，導致工件或設(shè)備發(fā)生震動或變形，導致被緊固工件與螺栓螺母間的彈性變形發(fā)生改變，彈性力大小也隨著變形大小而發(fā)生改變，當工件與螺栓或螺母接觸面的變形變小或消失時，工件與螺栓或螺母接觸面的變形應(yīng)力也將變小或消失時，螺母將所摩擦力比螺母本身重力還小，微小震動或沖擊，螺母將轉(zhuǎn)動（即從圖4變?yōu)閳D2）。在螺母、螺桿、工件不損壞的前提下，工件或螺栓螺母變形越大，預緊力越大，抵抗變形的能力也越強，使螺母松脫的力或力矩也將越大，從而螺母防松效果越好;

7預緊力大小的計算：

預緊力的大小根據(jù)螺栓組受力的大小和聯(lián)接的工作要求決定。設(shè)計時首先保證所需的預緊力，又不應(yīng)使連接的結(jié)構(gòu)尺寸過大。一般規(guī)定擰緊后螺紋聯(lián)接件預緊應(yīng)力不得大于其材料的屈服點的80%。對于一般聯(lián)接用鋼制螺栓，推薦用預緊力限值如下：

螺栓材料屈服點和螺栓公稱應(yīng)力截面積在機械手冊上查詢

8緊固力矩大小的計算：

為了增強螺紋聯(lián)接的剛性、緊密性、防松性能以及防止受橫向載荷螺栓聯(lián)接的滑動，多數(shù)螺紋聯(lián)接在裝配時都要預緊。其擰緊扳手力矩T是用于克服螺紋副的螺紋阻力矩T1及螺母與被聯(lián)接件支撐面間的端面摩擦力矩T2.

擰緊力矩系數(shù)K的選用要求如下表，一般取0.2

9特殊情況螺栓的預緊力和緊固力矩

9.1鋁合金工件：變壓器上含鋁合金的主要設(shè)備有高壓套管、低壓套管、開關(guān)、氣體繼電器、壓力釋放閥、油流繼電器等，鋁合金的強度和硬度一般比較弱，安裝緊固件必須使用墊圈，用于增大受力面積，從而減少局部壓強;需要根據(jù)鋁合金的屈服強度計算螺孔所能承受的壓力，根據(jù)該壓力計算出該螺孔所能承受螺栓所給的最大扭矩Tmax，如果該扭矩Tmax比螺栓所承受的力矩T大，即Tmax>T，則按螺栓力矩T，否則按該扭矩Tmax。

例子：8.8G的M12螺栓，Φ14螺孔，5083-H112鋁合金（屈服強度211MPa），墊片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，力矩相對比較接近，可以選用較小的合適力矩;

絕大多數(shù)鋁合金的失效，均是不均勻緊固導致的，因而需要均勻緊固;

例子：高壓套管安裝法蘭，螺孔中心圓直徑為290mm，升高座法蘭密封槽法蘭與大平面有1mm臺階（如圖9），一端螺孔與另一端臺階的距離為275mm（如圖10），使用M16合適螺栓，如果先擰一邊至要求力矩最終緊固，將一邊壓下去，另一邊將抬高7.33mm，然后使用螺栓緊固另一邊，先擰那邊套管法蘭在臺階位置所受力將達到124噸力，超出鋁合金的屈服強度，安裝法蘭損壞（如圖11）。

T=kFd=0.2*0.016*F1=205Nm ? F1=64062N

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

9.2銅工件：變壓器內(nèi)部或外部一般使用T2電解銅，強度好，延申性好，柔韌性好，抗拉強度一般達到230MPa以上，使用相關(guān)螺栓，主要考慮銅聯(lián)接件的接觸電阻

式1中，Rj就是接觸電阻，它的單位是微歐;K是與材料有關(guān)的系數(shù)，例如銅鍍錫、銅鍍銀等等;F是接觸壓力，單位是牛頓;m是接觸形式，點接觸時m=0.5，線接觸時m=0.5～0.7，面接觸時m=1;

降低接觸電阻除了去除銅連接件接觸面上的氧化物、接觸面打磨平整和增大接觸面外，就是在允許的情況下加大擰緊連接件螺栓的緊固力矩;

9.3環(huán)氧澆注塑料：變壓器的CT接線板和鐵芯夾件接地板材質(zhì)一般為環(huán)氧澆注塑料（epoxy casting plastic），抗壓強度（compressive strength）為140Mpa; 一般使用M12螺栓;經(jīng)過多次試驗和廠家建議，一般按標準緊固力力矩的一半緊固，力矩大小約40Nm，，需要均勻受力，循環(huán)多次緊固

10螺紋防松的方法

10.1預緊力防松：如6.1項，當預緊力為螺栓屈服強度的60-70%時，螺紋沒有損壞，僅發(fā)生彈性變形，當外界擰松力較大時，螺栓才會被擰松，但變形一般比較小，靜載荷時比較可靠，如8.8G的M12螺栓，墊片13.5-24-2.5，Φ14螺孔，緊固力矩約84Nm，預緊力F0=T/kd=35000N，Q345的彈性模量E是206000N/mm3，變形量約為=0.0006mm;

10.2雙螺母：使用10.1項緊固螺母后，在現(xiàn)有螺母外再加裝第2個螺母，保持第一個螺母不動，第2個螺母向第一個螺母對擰，兩個螺母相對擰緊咬緊。如圖12，第2個螺母擰緊后，受到第1個螺母彈性變形所產(chǎn)生的力（預緊力），預緊力是相互的，第1個螺母也受到第2個螺母的預緊力，這2個螺母將不受工件的影響，即使工件發(fā)生較大變形彈力消失，螺母與螺栓也不會發(fā)生松脫和相對位移;

10.3彈簧墊片或錐型墊片：彈簧墊片被壓縮后始終具有彈力，對螺母產(chǎn)生預緊力，彈簧墊片原始厚度H與壓縮后的厚度S的差額較大，一般超過1mm，即工件在發(fā)生微小變形后螺母始終受到彈簧墊片所給的預緊力，因而具有一定的防松效果。

10.4特殊雙墊片：運用高硬度的特殊結(jié)構(gòu)墊片對防松

10.4.1高硬度墊片：比12.9級高強度螺栓的硬度（430-450HV1）還高，可到達465HV1，單位變形量所需的預緊力更大;

10.4.2特殊結(jié)構(gòu)：墊片成對使用，外表面為放射裝鋸齒，內(nèi)表面呈楔形，楔形面相對（如圖13），擰緊時鋸齒外表面由于壓力與零部件接觸面咬合，在擰緊時，螺栓與這個特殊墊片/另一個墊片與工件間由于鋸齒和咬合壓力而保持相對靜止，位移發(fā)生在楔形內(nèi)表面之間，直到達到所需的預緊力;楔形的升角比螺紋的升角大，當螺母或螺栓發(fā)生震動旋轉(zhuǎn)松動或工件變形使預緊力變小時，特殊墊片發(fā)生厚度方向擴張行為，繼續(xù)維持一定的預緊力（如圖14）.

11螺栓螺母下加墊圈：

由于螺栓或螺母為螺旋旋轉(zhuǎn)運動，緊固時為線性與工件接觸，接觸線壓強大，工件表面易磨損，增加墊圈后可有效保護工件表面;

12在生產(chǎn)中的螺絲緊固注意事項：

12.1需要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點和材料特點計算合理安全的緊固力矩;

12.2需要均勻緊固，特殊材質(zhì)或特殊結(jié)構(gòu)且緊固力矩比較小時，需要從最小力矩每隔5Nm或10Nm逐步緊固直到達到要求緊固力矩;要求不高時，也需要分兩步才能緊固到位;

13結(jié)束語：

螺栓緊固看似簡單，實際上是一個包含工程材料、理論力學、工程力學、機械設(shè)計、工藝方法等科學在內(nèi)的綜合學科，變壓器行業(yè)的漏油、附件損壞、損耗大等異常現(xiàn)象，很多都與螺栓是否緊固、緊固力矩是否達到、緊固力矩是否正確、緊固方法是否正確有關(guān)，本文可有效解決大多數(shù)螺栓緊固問題。

參考文獻：

[1]謝旈城 主編.電力變壓器手冊[M]。北京：機械工業(yè)出版社，2003年

[2]安 ?琦 主編.機械設(shè)計。上海：華東理工大學出版社，2009年

[3]成大先 主編.聯(lián)接與緊固。北京：化學工業(yè)出版社，2004年