拉压剪切组合载荷作用下输电塔顶防松螺栓的设计与研究.pdf
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1、2023Dec.JOURNALOF MACHINEDESIGN2023年1 2 月No.12Vol.40第40 卷第1 2 期机计设械拉压剪切组合载荷作用下输电塔顶防松螺栓的设计与研究*方子帆1-2,朱畅,张栋”,方燕华3,何孔德1 2,杨蔚华1.2(1.水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室,湖北宜昌443002;2.三峡大学机械与动力学院,湖北宜昌443002;3.佛山电力设计院有限公司,广东佛山528000)摘要:在架空输电线路中,输电塔塔顶螺栓在风载作用下容易发生松动,输电塔塔顶螺栓连接结构的主要受力形式为轴向拉压载荷及横向剪切载荷。针对这一现象,文中提出了一种使用铝合金双面凹凸垫圈和
2、当量摩擦角大于螺纹升角的自锁双螺母的组合防松螺栓。对3种不同组合的防松螺栓即分别为使用不同平垫圈材料、不同垫圈形状和不同材料凹凸螺母的自锁双螺母的组合防松螺栓进行仿真研究,分析3种不同组合防松螺栓的防松性能,提出组合载荷作用下输电塔塔顶螺栓的防松性能规律,设计出最优组合防松螺栓,并应用到输电塔。结果表明:在1 0 级风作用下,使用铝合金两面凹凸垫圈和当量摩擦角大于螺纹升角的自锁双螺母组合防松螺栓有着最佳的防松效果关键词:输电塔塔顶螺栓;组合载荷;自锁双螺母;组合防松螺栓;应用实例中图分类号:TH131.3文献标识码:A文章编号:1 0 0 1-2 354(2 0 2 3)1 2-0 1 0 4
3、-1 0Design and research of anti-loosening bolt at top of transmission towerwith combined loads of tension,compression and shearFANG Zifan-2,ZHU Chang”,ZHANG Dong,FANG Yanhua,HE Kongde-2,YANG Weihua1,2(1.Hubei Key Laboratory of Design and Maintenance of Hydropower Machinery Equipment,Yichang 443002;2
4、.College of Mechanical and Material Engineering,China Three Gorges University,Yichang 443002;3.Foshan Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Foshan 528000)Abstract:As for the overhead transmission lines,the bolts at the top of the transmission tower are prone to loosening withthe wind load,the axi
5、al tension-compression loads and the transverse shear loads are the main forces exerted on the bolt connec-tion structure at the top of the transmission tower.In this article,an anti-loosening bolt is developed,which combines the alumi-num-alloy double-sided concave-convex washers and the self-locki
6、ng double nut with the equivalent friction angle greater than thethread lift angle.The simulation is carried out on three combined groups of anti-loosening bolts,namely,self-locking double nutswith different flat washer materials,different washer shapes,and different material concave-convex nuts;the
7、 anti-loosening per-formance of three combinations of the anti-loose bolts is analyzed respectively,and the law of anti-loosening performance for thebolts at the top of the transmission tower with the combined loads is identified.Efforts are made to design the optimal combinationof the anti-loosenin
8、g bolts,and apply them to the transmission tower.The results show that when there is grade-10 wind,the an-ti-loosening bolt which combines the aluminum-alloy double-sided concave-convex washers and the self-locking double nut with theequivalent friction angle greater than the thread lift angle ensur
9、es the best anti-loosening effect.Key words:bolt at top of transmission tower;combined load;self-locking double nut;combined anti-loosening bolt;appli-cation example*收稿日期:2 0 2 1-1 2-2 4;修订日期:2 0 2 3-0 6-2 7105方子帆,卡剪均组月下输电塔顶防松螺栓的设计与研究2023年1 2 月螺栓连接是架空输电线路的主要连接方式之一,输电塔由于长期受到风载的作用,塔顶螺栓容易发生松动。轴向拉压载荷及径向
10、剪切载荷是输电塔塔顶螺栓的主要受力形式,同时也是引起输电塔塔顶螺栓松动的关键因素针对这一问题,国内外的研究人员通过试验及有限元方法进行研究,例如,德国学者Junker经过大量试验验证后提出在螺纹连接中,动态的横向载荷比轴向载荷更容易引起其松动,认为螺栓和目标联接体之间发生接触面滑动是造成螺栓松动的原因,造成这种滑动的主要原因是外部载荷激励和螺纹啮合面之间摩擦的共同作用的结果。文献2-6 通过一种能够预测4种不同的松动过程的有限元模型,提出局部滑动引起的松动过程比完全滑动引起的松动会在更低的剪切力下发生,即螺栓在发生局部滑动时可以在相对较低的横向剪切力作用下发生松动。德国学者Dinger等7 采
11、用有限元方法研究了实际紧固件与构件接口连接的预紧力产生和自松过程,并进行了试验验证,提出螺栓接头发生局部滑移时会发生自松。日本学者Izumi等8 通过有限元方法,对比分析弹簧垫圈和双螺母拧紧法对螺栓松动的影响,提出使用双螺母紧法有着明显的抗松特性。文献9-1 0 通过试验研究,提出在螺栓松动的初始阶段,材料的塑性变形导致预紧力的下降是螺纹紧固件发生松动的重要原因。国内学者胡阳等 通过接触有限元建模的方法,提出在横向循环载荷作用下,螺纹接触面先于承压面进人滑移状态,载荷幅值越大,松动越容易发生。刘传波等1 2 对影响螺纹连接防松性能的因素进行了横向振动试验,提出在预紧力满足被连接件不滑动且小于屈
12、服轴力时,提高初始预紧力可有效提升螺纹连接的防松性能。王崴等1 3 用有限元方法对受横向振动的螺栓连接自松弛进行仿真,提出螺纹啮合面或承压面局部滑移可导致预紧力损失,螺纹啮合面完全滑移先于承压面,且振幅越大,螺栓连接越易发生自松驰在此基础上,文中针对拉压剪切组合载荷作用下螺栓的松动问题,对适用于输电塔塔顶的防松螺栓进行设计与研究,1防松结构研究路线及评价标准1.1研究路线参考国内外研究现状,文中采用的研究路线如下:(1)根据实际输电工程应用,建立输电塔顶螺栓连接模型;(2)采用仿真软件对不同的组合防松螺栓进行有限元分析,提取螺母接触面应力、螺栓预紧力和螺母松动角度,结合评价标准提出并设计最优组
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