保持固定,毫不放松

在螺栓的整个使用期限中,它时刻与沉降、松弛和蠕变作斗争,稍有松动或松劲,都可能会造成灾难性后果

设想如果起重机上的螺栓松动,导致10吨的重物掉落在下方的行人道上,或者输电线导线上的螺栓接头松脱,导致大型市区持续断电好几天,那会怎样?

螺栓是将我们日常生活中众多必需品紧密结合在一起的重要部件。螺栓必须具备相当的耐久性,以确保能够经受各种天气条件的考验,并能耐受极端磨损,有时还需承受安装不当的风险。但是在很多时候,它们必须面对以上所有的问题,这意味着,螺栓有时候会出现松动或松脱。随着时间的推移,螺栓接头中这些微小的变化将转变为各种缺陷,最终导致出现代价高昂、费时费力的情况,甚至还会造成危险。

多年以来,物理学家和专家都在努力钻研对抗螺栓接头松动、松弛和蠕变的解决方案。近期,他们正在研究重工业领域的螺栓接头使用问题。在该领域中,由于自然移动(如风力或用法不一致)产生的振动和动力负载,或会导致松动风险。

在螺栓故障问题中,“沉降”和“松弛”两个术语最为常见。沉降是指接头接触面之间的细微损耗,例如表面粗糙的适应度。松弛主要是由材料长时间受到压力所引起;螺栓或夹紧部位可能失去弹性应变,导致螺栓接头出现预紧力损失。

Nord-Lock全球研发总监Maxime Thonnerieux表示:“这个难题和螺栓伸长量以及零部件压紧力损失之间的平衡性有关。如果因为沉降而出现小幅损耗,那么你就无法做到保持螺栓的伸长量,因为这一切都是互相关联的。我们客户面对的挑战首先是确定接头是否出现严重沉降。”

如果客户因为未能安装充分的螺栓紧固解决方案,而导致面临沉降或松弛问题,Thonnerieux表示,下一个挑战就是“如何解决问题”。“如果客户能够识别问题,就能找到相关的螺栓,并把它重新紧固,但这个过程很费时间。令人难过的是,在很多情况下,他们直到事态升级才意识到问题所在。”

任职创新总监的Wolfgang Troppauer,已在奥地利公司Mosdorfer工作逾22年之久。长期与能源行业高架输电线配件打交道的他,曾亲身经历蠕变和拙劣的安装技术对亚洲地区输电线安全造成的危害。这也正是这家拥有300年悠久历史的老公司,如此严肃对待蠕变问题的原因。

Troppauer透露:“螺栓松动这种现象就在不久前才发生过。螺栓和垫圈之间简单的连接,再加上现场架线工拙劣的安装,导致出现压力不当,长此以往还会导致螺栓接头故障。”

Mosdorfer是一家面向全球公用事业和输电系统运营商(TSO)的公司,主要供应高压电塔、悬挂塔架、耐张力绝缘子串、低温钢铁配件、振动阻尼器,以及适用于低压电线的滚轮式悬垂线夹。该公司所面对的一项最大的挑战,就是蠕变问题,尤其是导线蠕变。此外,各国之间的输电线安装质量和方式大不相同。

他解释:“一般来说,欧洲工人训练有素,而为方便工作,他们会使用电缆盘拖车将减震系统安装在导线上。但是在有些国家,架线工要亲自爬到分列导线上,在空中30到40米的地方悬挂作业。如果螺栓紧固不当,则夹具会松动,造成导线受损或彻底报废,这非常危险。有许多节约成本的做法,到头来却使得产品更有可能出现故障的风险。”

Mosdorfer的一项核心产品,是安装在分列导线结构中,用于在传输线上保持导线间隔某一特定距离的阻尼间隔棒,该产品同时还用于分散导线中的能量。Troppauer表示:“这些都是很重要的产品,因为如果你不减少导线振动并分散风力带来的能量,就会导致问题,又或情况更糟糕,出现导线掉落,那么输电线就会停电几小时或几天。”

阻尼间隔棒采用螺栓固定夹具(夹具被螺栓固定于导线上)连接,而铰链接头使用螺栓和螺母紧固。在风力作用下,导线会经常摇晃而振动。如果连接不牢固,螺栓很有可能松动。

导线固定于两座高达30至80米的电塔之间,它们的重量和静态负荷必须能够承受巨大温差。在午餐等高峰时间,由于电力需求大,导线会非常热,而到了晚上,由于电力需求下降且夜晚气温较低,导线温度也会降低。这意味着温差变化范围在摄氏50度到70度之间,导致蠕变速度加快。

温度持续变化导致的导线蠕变,会使夹具直径缩小并损失预紧力。加上导线通常是由铝(一种相对廉价、质量轻盈、导电率高且抗腐蚀性强的材料)制成,因此也会加重蠕变。

Troppauer说:“在我们的业务中,这样的螺栓连接有数百万个,而每一个松弛的螺栓连接都存在松动的重大风险。如果松弛的地方过多造成螺栓松动,可能会使导线的夹具变松,最后夹具可能会在导线上滑动。哪怕是移动一毫米,铝导线都可能损坏,从而产生非常严重的问题。”

他继续:“我们在进一步研究这个问题时发现,要想对抗蠕变,垫圈需要具备更强的弹性。我们需要一种能够经受安装过程中出现缺陷,以及能在关键应用中耐受极端天气和承受巨大载荷的替代产品。”

Nord-Lock近日推出了一款X系列专利垫圈,该款产品以独特的楔形效应设计为特点,同时具备出色的弹性效应。X系列垫圈特别针对防止螺栓接头出现自发松动而设计,能够补偿松脱造成的预紧力损失。负责开发X系列的Maxime Thonnerieux表示:“我们致力于设计能够排除不安全因素的系统,而X系列产品便是这一目标的硕果。除振动和动力负载外,X系列产品能让我们在众多其它具有挑战性的应用领域服务客户,例如喷漆或喷粉表面、软金属、复合材料和聚合体的应用。”

现在,Wolfgang Troppauer和他的团队正身处奥地利的Mosdorfer振动测试实验室,测试新型X系列垫圈的抗松动特性,以及静态和动态性能。最终结果将于2013年内公布。

“鉴于我们多数产品的设计寿命为30至50年,我们需要在30年寿命的环境中开展产品模拟工作。将产品安装到高压电线上后,更换电线并让别人停电好几小时可不是件容易的事情。”但他表示到目前为止,结果令他充满信息。

松脱:术语解释

松脱是指在没有任何旋转运动的情况下,因塑性变形造成的预紧力损失,并可能造成包括松动在内的其他问题。造成松脱的机制有三种:

  1. 沉降。沉降是因接头内部接触面塑性变形而引起。沉降会使得夹紧部位的长度发生变化,因此所损失的预紧力,可通过测量螺栓长度探测。
  2. 松弛。材料晶格的重组会随着时间的推移,将当前的弹性变形转化为塑性变形。由于松弛不会使得夹紧部位或螺栓的长度发生变化,因此所损失的预紧力无法探测。所以松弛可说是螺栓接头的一个重要问题。
  3. 蠕变。材料晶格的重组会随着时间的推移,导致其他塑性变形。蠕变会使得夹紧部位和螺栓的长度发生变化。预紧力损失可通过测量螺栓长度探测。

在螺栓接头中,蠕变和松弛会同时发生,因此两者均属于相同的松弛类别,即因材料在长时间内出现重组,导致塑性变形而造成的预紧力损失。

资料:关于Mosdorfer

Mosdorfer创始于1712年,最初的业务是制造刀具和刀刃,于二战后开始从事制造机械零件。该公司专注于高架输电设备零件业务,为世界各地的公用事业和电力公司、承建商以及批发商供应产品。产品包括30,000多种不同类型的高架输电线配件,适用电压范围从最低的1千伏到最高的1200千伏,此外还有低温钢铁配件、振动阻尼器以及适用于低压电线的滚轮式悬垂线夹。Mosdorfer的客户遍布全球,主要集中在欧洲、远东、印度、美国、南美和加拿大。该公司位于奥地利维也纳以南,从维也纳出发两小时即可到达。

楔形与弹性的结合

Nord-Lock新推出的X系列垫圈,将公司的楔形制锁技术与特有的弹性效应合二为一,既能防止螺栓自然松动,又能避免由于沉降和松弛导致的螺栓松脱。这个独特组合亦意味着X系列能最大程度保障重要螺栓接头的安全。与Nord-Lock原厂垫圈一样,每副垫圈的一侧为楔形齿,另一侧为径向细齿,可利用张力而非摩擦力来锁固螺栓接头。X系列垫圈的圆锥形状,还能使螺栓接头形成弹性储存,补偿预紧力损失,并防止松脱。

工作原理

拧紧扣件时,垫圈会压平,径向细齿会嵌入接触面。由于楔面角(α)大于螺纹升角(β),楔形制锁效应会阻止扣件旋转。拧紧之后,接头向下沉降,扣件陷入表面材料。垫圈立刻偏斜且弹性效应(Fs)抵消了螺栓的松脱运动量(ΔL),从而防止了接头上的预紧力损失。

上述多种功能连续作用于螺栓接头,可保持预紧力,并防止螺栓自然松动,是应对振动、动力负载、沉降和松弛的有效解决方案。

与我们取得联系

如需了解更多关于我们如何处理您的具体联系信息,请参阅我们的隐私条款

感谢您与我们联系!