輸電線路用熱鍍鋅螺栓扭矩系數的測定和分析

錢 苗，余虹云，王 梁，李國勇，俞敏波

（浙江省電力公司-國家電網公司電力器材安全性能檢測技術實驗室，杭州 310015）

0 引言

螺栓連接副是一種緊固連接的機械零件，通常包括螺栓、螺母和墊片（以下簡稱螺栓），用途極為廣泛，在各種設備、車輛、橋梁、結構等處都可以看到，品種規格繁多，性能用途各異，如表面經磷化處理的高強度螺栓被用于鋼結構建筑，耐高溫螺栓被用于汽輪機。而生產成本低廉的熱鍍鋅螺栓，即表面采用熱浸鍍鋅工藝制造的螺栓，則因其優異的戶外耐腐蝕性能而成為輸電線路桿塔和變電站構架聯接的首選零件[1]，迄今尚無其它螺栓能替代其位置。

扭矩系數是螺栓連接副在緊固狀態時扭矩與軸力的關系比值，是緊固的必要和關鍵參數。根據目前實施的標準，表面磷化的鋼結構用螺栓的扭矩系數為0.110～0.150[2]。然而，熱鍍鋅螺栓的熱浸鍍鋅工藝會造成表面粗糙、厚度不均勻等現象，進而導致其扭矩系數離散度較大。熱鍍鋅螺栓扭矩系數的分布規律研究在相關標準和文獻中很少述及，給日常施工帶來了不便和隨意性，螺栓安裝時緊固過松或過緊都可能埋下安全隱患。隨著國內電網電壓等級的提升，對輸電線路桿塔和變電站構架的安全可靠性提出了更高要求，大規格、高強度熱鍍鋅螺栓因其扭矩系數等基礎數據研究不足，其應用受到阻礙。如國內某超高壓輸電線路，僅運行數年，桿塔上的熱鍍鋅螺栓就出現了批量松動，不得不調用大量人力再次上塔擰緊螺栓，以消除螺栓松動帶來的不安全因素。由此可見，研究、測試熱鍍鋅螺栓的扭矩系數，對消除熱鍍鋅螺栓安裝的隨意性及減少可能存在的安全隱患十分重要。

本文針對熱鍍鋅螺栓扭矩系數離散的特點，采用“合理選樣、批量試驗、統計分析”三位一體的基礎性研究模式，對熱鍍鋅螺栓扭矩系數的分布規律進行探索。

1 試樣篩選

在全國范圍內購置了由5家大、中規模且有資質的企業生產的熱鍍鋅螺栓共2 000余套，規格型號為 M16—M36，性能等級為 4.8，6.8，8.8和10.9。在實施熱鍍鋅螺栓扭矩系數試驗前，為保證每套試樣符合GB/T 3098.1-2010《螺栓機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》規定的要求[3]，在每批相同規格等級的試樣中選取2套先進行外觀標識檢查，沒有問題再進行螺栓楔負載、螺母保證載荷性能考核，若試驗結果符合要求，則認為該批次螺栓性能等級合格，然后進行扭矩系數試驗。

2 測試原理和測試系統

2.1 測試原理

螺栓安裝方式如圖1所示，此方式采用固定螺栓頭，給螺母施加扭矩T，在扭矩T的作用下螺栓獲得軸向緊固軸力F，同時被連接件獲得壓緊力F。根據螺栓在彈性范圍內的公式可計算得到扭矩系數K：

式中：d為螺栓的公稱直徑。

圖1 緊固安裝方式示意

2.2 測試系統

自主研制的螺栓軸力-扭矩關系測試系統如圖2所示。該系統搭載伺服電機和扭矩傳感器，軸力傳感器置于螺栓與螺母連接處，等效于圖1所示的被連接件，用于測試緊固軸力，采用計算機控制，同步讀取軸力與扭矩的關系值，再利用公式（1）計算扭矩系數。

圖2 螺栓軸力-扭矩關系測定試驗系統

3 試驗基本條件

每套螺栓試樣僅試驗1次，并保證在試驗室環境內靜置2 h以上。采用GB/T 16823.3-1997《螺紋螺栓擰緊試驗方法》中給出的A類試驗方法，即使用標準墊片的試驗方法。標準墊片采用磨削加工方式，保證其表面粗糙度達到Ra0.8[4]的要求。試驗基本條件見表1。

表1 試驗基本條件

4 試驗結果的統計分析

4.1 回歸分析

通過試驗得到的曲線由扭矩傳感器和軸力傳感器同步采集的扭矩、軸力數據點組合而成，因此首先要對所有數據曲線進行線性擬合，采用最小二乘法的回歸分析。如圖3所示，選用Excel中添加趨勢線的方法完成曲線的線性回歸分析，試驗中采集到的是數據對，通過線性擬合，得到擬合曲線y=19.32x，則扭矩系數k=19.32/d=0.54，曲線相關系數R為0.9997，表明該螺栓的緊固扭矩-緊固軸力具有很好的正相關性。此模型的線性特征非常明顯，說明擬合直線能以99.97%的涵蓋率解釋、覆蓋實測數據，可以作為該螺栓的扭矩系數曲線。圖4給出的曲線相關系數R為0.9838，表明該螺栓的緊固扭矩-緊固軸力線性相關度較之前的弱。

圖3 某熱鍍鋅螺栓的扭矩-軸力關系相關性強

圖4 某熱鍍鋅螺栓的扭矩-軸力關系相關性較弱

4.2 直方圖和正態分布分析

經回歸分析，剔除線性相關較弱的曲線后，得到線性相關系數R≥0.99的螺栓共1 563套。扭矩系數統計如表2所示。根據表中的統計量，計算直方圖區間、柱數、組距，繪制熱鍍鋅螺栓扭矩系數直方圖，如圖5所示。從直方圖的頻數可以看出，頻數分布為中間頻數多、兩側頻數逐漸減少且基本對稱，從統計學可以認為，該分布服從或近似服從正態分布。根據直方圖頻數分布情況，繪制熱鍍鋅螺栓扭矩系數的正態分布，如圖6所示。從圖6分析得到：試驗得到的扭矩系數在0.19～0.83，約70%的扭矩系數集中在0.4～0.6，約95%的扭矩系數集中在0.3～0.7。

5 結論

（1）通過試驗，分析統計了1 563套熱鍍鋅螺栓的扭矩系數，雖然離散性很大，但分布有規律可循且非常接近正態分布，以0.51為中間值且呈左右基本對稱。

表2 1 563套熱鍍鋅螺栓的扭矩系數統計

圖5 熱鍍鋅螺栓扭矩系數

圖6 熱鍍鋅螺栓扭矩系數正態分布

（2）根據對1 563套熱鍍鋅螺栓扭矩系數的分布規律統計，有約70%的熱鍍鋅螺栓扭矩系數落在0.4～0.6區間，有約95%的熱鍍鋅螺栓扭矩系數落在0.3～0.7區間。

[1]余虹云，俞成彪，李瑞，等.電力線路器材應用與檢測[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2]GB/T 1231-2002鋼結構用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術條件[S].北京：中國標準出版社，2002.

[3]GB/T 3098.1-2010螺栓機械性能 螺栓、螺釘和螺柱[S].北京：中國標準出版社，2010.

[4]GB/T 16823.3-1997螺紋螺栓擰緊試驗方法[S].北京：中國標準出版社，1997.