螺栓伸長(zhǎng)與角度

1、隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)飛躍發(fā)展，我國(guó)水輪機(jī)行業(yè)的科研、設(shè)計(jì)和制造水平取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。近年來，通過三峽、龍羊峽、巖灘、二灘、天生橋二級(jí)、李家峽、漫灣等大型水電機(jī)組的前期科研工作和引進(jìn)技術(shù)、合作生產(chǎn)，水輪機(jī)向高水頭、大容量、高比速和高效率趨勢(shì)發(fā)展，先后研制出了一批比速系數(shù)和效率高、氣蝕性能好的轉(zhuǎn)輪。如已投運(yùn)的天生橋二級(jí)、巖灘、漫灣水電站，水輪機(jī)模型最高效率達(dá)92.72%(天生橋二級(jí))，直機(jī)效率保證值達(dá)94.4%(天生橋二級(jí)為94.48%；巖灘為94.44%；漫灣為94.43%)；巖灘水電站，其單機(jī)容量為302.5MW，轉(zhuǎn)輪直徑達(dá)8m。大容量水電站的建設(shè)，促進(jìn)了大型水輪機(jī)及其輔助設(shè)備安裝技術(shù)的發(fā)展。經(jīng)過全國(guó)

2、各地科研、設(shè)計(jì)、制造和施工企業(yè)科技人員的艱辛努力，不斷總結(jié)和改進(jìn)，安裝技術(shù)在理論上漸趨成熟，實(shí)踐中日臻完善，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。二、 蝸殼工地水壓試驗(yàn)1蝸殼水壓試驗(yàn)的目的鑒于蝸殼結(jié)構(gòu)和使用上的特殊性，蝸殼工地水壓試驗(yàn)的目的是：(1)直觀而又全面地反映焊接質(zhì)量；(2) 檢驗(yàn)蝸殼和座環(huán)設(shè)計(jì)的合理性；(3)消除焊接殘余應(yīng)力，提高座環(huán)和蝸殼的承載能力和抗應(yīng)力腐蝕開裂能力；(4)方便實(shí)施蝸殼打壓埋置法，有效地削減內(nèi)水壓力引起的蝸殼外包混凝土中的拉應(yīng)力，降低混凝土開裂的可能性。圖1水壓試驗(yàn)總體布置圖圖2機(jī)坑內(nèi)密封方式2水壓試驗(yàn)的總體布置和機(jī)坑內(nèi)密封方式蝸殼水壓試驗(yàn)的總體布置，如圖1。升壓用型號(hào)

3、為3DS2620的三柱塞高壓泵，壓力大小由安全閥8進(jìn)行調(diào)節(jié)。蝸殼水壓試驗(yàn)時(shí)，首先關(guān)閉閘閥9，利用廠房自來水管經(jīng)閘閥10對(duì)蝸殼充水；待蝸殼內(nèi)部充滿水后，再關(guān)閉閘閥10，開啟閘閥9，用水泵升壓1。蝸殼水壓試驗(yàn)時(shí)機(jī)坑的密封方式，如圖2。座環(huán)的上環(huán)板和下法蘭面處，均安裝16的耐油橡皮盤根，以利止水。3測(cè)試用儀器、儀表及測(cè)試原理蝸殼工地水壓試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有：座環(huán)變形、蝸殼脹量和座環(huán)蝸殼各部主要點(diǎn)的應(yīng)力值。座環(huán)變形和蝸殼脹量的測(cè)量?jī)x表為千分表。蝸殼和座環(huán)各部的應(yīng)力，貼直角三軸型應(yīng)變花用電測(cè)法測(cè)定，測(cè)試原理框圖，如圖3。圖3測(cè)試原理框圖將應(yīng)變花粘貼于各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，經(jīng)應(yīng)變儀讀出各點(diǎn)0°、45°

4、;、90°三個(gè)方向的應(yīng)變值，并由式1和式2算出該點(diǎn)的最大主應(yīng)力值和主應(yīng)力方向2。式中最大主應(yīng)力值；0最大主應(yīng)力與0°片方向夾角；0測(cè)點(diǎn)0°片方向應(yīng)變；45測(cè)點(diǎn)45°片方向應(yīng)變；90測(cè)點(diǎn)90°片方向應(yīng)變；E拉、壓彈性模量；材料泊桑比。4蝸殼工地水壓試驗(yàn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果截止目前為止，我國(guó)已先后有潘家口、魯布革、天生橋二級(jí)、廣蓄、二灘等電站進(jìn)行了蝸殼工地水壓試驗(yàn)，并實(shí)施了蝸殼打壓埋置法，除達(dá)到了水壓試驗(yàn)的基本目的外，還取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果在于，金屬蝸殼進(jìn)行水壓試驗(yàn)后，采用保壓(一般為最大水頭時(shí)的壓力值)澆混凝土，減少了蝸殼彈性層的鋪

5、設(shè)和蝸殼內(nèi)部加固支撐焊接兩道工序，既節(jié)約了工程投資，又加快了廠房混凝土澆筑進(jìn)度。三、聯(lián)軸螺栓火焰加熱工藝1火焰加熱裝置的基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖4火焰加熱裝置的基本結(jié)構(gòu)及工作原理圖聯(lián)軸螺栓火焰加熱工藝是利用氧乙炔火焰加熱裝置在螺桿內(nèi)孔對(duì)螺栓進(jìn)行加熱。火焰加熱裝置由燃燒室、焊槍卡口夾套、加熱管等部分組成。由于加熱時(shí)溫度可達(dá)700900，焊槍卡口夾套和燃燒室均用1 Cr18Ni9Ti不銹鋼加工，加熱管則用3Cr19Ni4SiN不銹鋼加工。0.20.5MPa的壓縮空氣空過燃燒室將氧乙炔火焰帶入聯(lián)軸螺桿內(nèi)孔深處；熱空氣再經(jīng)螺桿內(nèi)孔和加熱管間間隙返回燃燒室下部，經(jīng)排氣、觀察孔逸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺桿的均勻加熱3(參

6、見圖4)。2螺桿伸長(zhǎng)值與螺母轉(zhuǎn)角關(guān)系互換計(jì)算采用聯(lián)軸螺栓火焰加熱工藝緊固螺栓時(shí)，由于加熱前后聯(lián)軸螺桿的溫差較大，無法準(zhǔn)確測(cè)量螺桿緊固后的伸長(zhǎng)值，所以通過測(cè)量螺母轉(zhuǎn)角相對(duì)應(yīng)的弦長(zhǎng)來確定螺栓的緊固程度，待螺栓冷卻到常溫后再校核其伸長(zhǎng)值。設(shè)螺桿常溫下未受力的長(zhǎng)度為C1，預(yù)緊(用板手和大錘把緊)后的長(zhǎng)度C2，則常溫下預(yù)緊后螺母的轉(zhuǎn)角1為：1=K(C2-C1)(3)K=L(4)式中螺母旋轉(zhuǎn)的總轉(zhuǎn)角(通過試驗(yàn)確定)；L螺栓設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)值。預(yù)緊后，螺母還須旋轉(zhuǎn)的角度2為：2=-1(5)將2換算到螺母支承面外徑上的弦長(zhǎng)1為：(6)式中螺母支承面外徑。聯(lián)軸螺栓預(yù)緊后，在螺母外圓上任取一點(diǎn)A，用卡鉗和直尺量取1，沿螺

7、母旋轉(zhuǎn)方向在螺母外圓附近的法蘭平面上找一點(diǎn)B，A、B兩點(diǎn)均作明顯標(biāo)記。待螺栓加熱伸長(zhǎng)后，旋轉(zhuǎn)螺母使其A點(diǎn)至法蘭B點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置(參見圖5)，螺母緊固即告結(jié)束。圖5螺母轉(zhuǎn)角示意圖3聯(lián)軸螺栓火焰加熱工藝的綜合評(píng)價(jià)隨著機(jī)組單機(jī)容量的增大，軸向水推力、轉(zhuǎn)輪及主軸重量也隨之增大；為保證機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，聯(lián)軸螺栓的伸長(zhǎng)量已高達(dá)1.73mm(天生橋二級(jí))。聯(lián)軸螺栓火焰加熱工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，通過轉(zhuǎn)角確定螺栓的緊固程度，伸長(zhǎng)量誤差小。它不僅克服了電極加溫法緊固應(yīng)力相差較大的弱點(diǎn)，還提高了工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。四、 油系統(tǒng)管道氬弧焊封底技術(shù)所謂油系統(tǒng)管道氬弧焊封底技術(shù)，就是管道接頭在施工中采用手工鎢極氬弧

8、焊(TIG焊)封底，然后用電弧焊蓋面的焊接技術(shù)。1手工鎢極氬弧焊設(shè)備及材料手工鎢極氬弧焊設(shè)備系統(tǒng)由焊接電源、焊炬、供氣系統(tǒng)、冷卻水路系統(tǒng)、高頻引弧器等組成，其系統(tǒng)圖如圖64。圖6手工鎢極氬弧焊設(shè)備系統(tǒng)圖手工鎢極氬弧焊用焊接材料包括鎢極棒、氬氣和填充材料。其鎢極棒型號(hào)可以選用鈰鎢極WXe20或釷鎢極WTh10、WTh15；因水電站油管路材質(zhì)一般為碳鋼、不銹鋼和銅及其合金，所以氬氣純度應(yīng)大于99.7%(體積比)；其填充材料采用專用焊絲，依據(jù)焊件材質(zhì)進(jìn)行選擇。2氬弧焊封底技術(shù)的操作工藝手工鎢極氬弧焊操作工藝與氣焊有類似的地方，但也有它本身的特點(diǎn)。(1) 焊前準(zhǔn)備。檢查電源線路、水路、氣路是否正常。鎢

9、極棒直徑一般為0.52.5mm，其端部磨成園錐形，頂部稍留0.51mm直徑的小圓臺(tái)為宜。電極的外伸長(zhǎng)度為35mm左右。工件被焊處按規(guī)定開成坡口。兩側(cè)距坡口邊緣2530mm處及焊絲要進(jìn)行清理，并用丙酮擦拭。引弧前應(yīng)提前510s輸送氬氣，借以排除管中及工件被焊處的空氣。(2) 焊接。按工件材料及結(jié)構(gòu)形式選擇好合適的參數(shù)。起弧方法兩種：一種是借高頻引弧器引弧；一種是鎢極與工件接觸或在碳?jí)K上接觸引弧。在不妨礙視線的情況下，應(yīng)盡量采用短弧，以增強(qiáng)保護(hù)效果，同時(shí)減少熱影響區(qū)寬度和防止工件變形。焊嘴應(yīng)盡量垂直或保持與工件表面較大的夾角。焊接手法可采用左向焊、右向焊。為了得到必要的寬度，焊槍除作直線運(yùn)動(dòng)外，允

10、許作橫向擺動(dòng)。(3) 熄弧。焊接完畢，切斷焊接電源后，不應(yīng)立刻將焊槍抬起，必須在35s內(nèi)繼續(xù)送出保護(hù)氣體，直到鎢極及熔池區(qū)域稍稍冷卻以后，停止送氣抬起焊槍。若電磁氣閥關(guān)閉過早，則引起熾熱的鎢極外伸部分及焊縫表面氧化。3油系統(tǒng)管道氬弧焊封底技術(shù)評(píng)價(jià)水輪機(jī)及其輔助設(shè)備用油均為透平油。透平油在設(shè)備中的主要作用是潤(rùn)滑、散熱和液壓操作。如果油中的機(jī)械雜質(zhì)超過規(guī)定值，透平油在摩擦表面的流動(dòng)便遭受阻礙，破壞油膜，使?jié)櫥到y(tǒng)的油管或?yàn)V網(wǎng)堵塞和使摩擦部件過熱，加大零件的磨損率。此外，還促使油質(zhì)劣化，減低油的抗乳化性能5。如果油中的金屬屑進(jìn)入以透平油作為工作介質(zhì)的設(shè)備(如調(diào)速系統(tǒng)、進(jìn)水閥、調(diào)壓閥、液壓閥等)，將導(dǎo)

11、致操作系統(tǒng)失靈，影響水電站的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。氬弧焊封底技術(shù)利用隋性氣體氬氣作為保護(hù)氣體，因氬氣不與金屬發(fā)生化學(xué)作用，且不溶于金屬，所以焊縫既無焊渣、也無氣孔；從而有效地控制了油中的機(jī)械雜質(zhì)濃度。油系統(tǒng)管道氬弧焊封底技術(shù)，采用沖壓彎頭加直管段進(jìn)行焊接，取代了現(xiàn)場(chǎng)彎制管道彎頭工藝，不僅省去了一套彎管設(shè)備，而且能加快施工進(jìn)度；因而倍受青睞。漫灣、天生橋二級(jí)、二灘等電站已將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于油系統(tǒng)管道施工，取得了良好的施工效果。五、結(jié) 束 語(yǔ)1.近幾年，隨著水輪機(jī)及其輔助設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步，還衍生了一些新的安裝技術(shù)，如導(dǎo)葉摩擦裝置和圓筒閥的應(yīng)用6，7就衍生了導(dǎo)葉摩擦裝置和圓筒閥的安裝技術(shù)，限于篇幅，本文不再贅述

12、；有興趣的讀者請(qǐng)查閱文獻(xiàn)6和文獻(xiàn)7。2.本文所闡述的三項(xiàng)技術(shù)都有以下兩個(gè)顯劇特點(diǎn)：(1)節(jié)省投資；(2)縮短工期。天生橋二級(jí)(壩索)水電站在3水輪發(fā)電機(jī)組總裝中，在總結(jié)1、2機(jī)安裝經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，成功的應(yīng)用聯(lián)軸螺栓火焰加熱工藝和油系統(tǒng)管道氬弧焊封底技術(shù)，輔之以施工工藝的優(yōu)化，創(chuàng)造了大型水輪發(fā)電機(jī)組總裝工期12天的全國(guó)新紀(jì)錄；其4機(jī)的安裝，面對(duì)設(shè)備缺陷和缺件較多兩大困難，仍取得了總裝工期14天的好成績(jī)。3.安裝技術(shù)的進(jìn)步依賴于全社會(huì)的關(guān)心、支持與合作；筆者建議全國(guó)各地科研單位、高等院校和施工企業(yè)在確?？蒲薪?jīng)費(fèi)的同時(shí)，建立健全信息網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)相互間的交流與協(xié)作，以加快新技術(shù)、新工藝的研制、開發(fā)和推廣應(yīng)

13、用。Abstract ：Using bolts to connect components, bolts pretension is an important factor for measuring the reliability of bolts connections. In order to obtain the required bolt pretension, the general methods for tightening bolts are moment method and rotation angle method today. Ultrasonic long-meas

14、uring instrument can measure the small variation of the bolts being tightened and the axial pretension of bolts can be computed. Experiments have shown that using moment method to tighten bolts, the axial pretension is decentralized and difficulty to control, but using rotation angle method, the axi

15、al pretension is centralized. That is to say the rotation angle method can control the bolts pretension very good and its reliability is better than moment method. Keywords：pretension； reliability； moment method； rotation angle method 引言 在國(guó)內(nèi)的一些發(fā)動(dòng)機(jī)制造行業(yè)中，對(duì)于一些高強(qiáng)度螺栓，如主軸螺栓、連桿螺栓、缸蓋螺栓等，都是采用力矩法來上緊的。即使用擰緊工具如

16、定力扳手、電動(dòng)擰緊機(jī)等，將螺栓上緊到某一設(shè)定力矩即可。這種上緊螺栓的方法，已長(zhǎng)期得到廣泛使用。在某些企業(yè)，上緊螺栓力矩工藝更加復(fù)雜，先是用ATLAS扳手將螺栓上到某一力矩值，再用人工復(fù)緊到工藝要求設(shè)定值。這種方法可靠性如何呢？人工復(fù)緊是否存在重復(fù)工作？。在國(guó)外的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)，已普遍采用轉(zhuǎn)角法上緊螺栓力矩。即用自動(dòng)擰緊機(jī)將螺栓擰到某一力矩值后，再轉(zhuǎn)過一個(gè)角度。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)在于可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，生產(chǎn)效率高，控制精度高，一至性很好，消除人為因素影響。 一：螺紋連接基本原理 1、螺栓擰緊過程中的摩擦與扭矩消耗 圖 1 螺栓擰緊過程中的摩擦與扭矩消耗如上圖所示，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式有： 式中： 為螺紋副摩

17、擦系數(shù)； 為端面摩擦系數(shù)； 為螺栓有效直徑，粗牙螺紋， 0.906d ，細(xì)牙螺紋， 0.928d； 為端面摩擦圓有效直徑， 分別為摩擦圓的外徑及內(nèi)徑； d為螺紋公稱直徑； 為螺紋升角，粗牙螺紋 2°50，細(xì)牙螺紋 2°10 為垂直截面內(nèi)的螺紋牙形半角，約為29°58 經(jīng)計(jì)算可得下表1： 硬連接 軟連接 摩擦系數(shù) 0.08 0.14 螺栓伸長(zhǎng)(夾緊) 20% 12% 螺紋摩擦 35% 39% 端面摩擦 45% 49% 圓餅圖： 圖2 由表1可知，在上緊力矩的過程中，只有10-20%左右的擰緊力矩轉(zhuǎn)化為螺栓的軸向力。而軸向力（預(yù)緊力）是評(píng)價(jià)螺紋連接可靠性的重要性指標(biāo)。

18、螺栓松動(dòng)的重要原因，是預(yù)緊力不足，防止螺栓松動(dòng)的有效措施，就是確保預(yù)緊力、提高預(yù)緊力。 2、摩擦系數(shù)與扭矩系數(shù)的關(guān)系 摩擦系數(shù)是摩擦力與正壓力的比值。螺紋聯(lián)接摩擦可分為螺副摩擦系數(shù)s，端面摩擦系數(shù)w。扭矩系數(shù)k是反映螺栓擰緊過程中的扭矩與軸向夾緊力之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，由T=kdF給出(式中：T擰緊力矩；d螺栓直徑；F軸向夾緊力或螺栓預(yù)緊力；。K值越小，螺紋摩擦和端面摩擦所占扭矩消耗比越小。 通過實(shí)際測(cè)試同一規(guī)格同一批次的國(guó)產(chǎn)螺栓，其k值變化非常大。故在保證同一規(guī)格同一批次螺栓軸向預(yù)緊力相同的情況下，由于受到k值變化的影響，測(cè)得的擰緊力矩變化非常大。相反，在保證擰緊力矩相同的情況下，測(cè)量得的軸向

19、力比較分散。 3、力矩法、轉(zhuǎn)角法螺紋緊固件擰緊過程對(duì)比 a、擰緊過程的不同階段 圖3 b、扭矩法 圖 4 c、扭矩轉(zhuǎn)角法 圖 5 從上圖來分析，由于受k值變化的影響，相同的擰緊力矩會(huì)得到不同的預(yù)緊力，最終軸向預(yù)緊力分散（圖4）。扭矩轉(zhuǎn)角法擰緊能有效控制螺栓預(yù)緊力(軸向力)，避免用扭矩法擰緊時(shí)出現(xiàn)的螺栓拉長(zhǎng)或拉斷現(xiàn)象（圖5）。轉(zhuǎn)角法比力矩法更能很好去控制螺栓軸向預(yù)緊力的一至性。也就是說，只要合理選擇控制參數(shù)，轉(zhuǎn)角法比力矩法可靠性更高。 二、試驗(yàn)驗(yàn)證： 選取桿長(zhǎng)為121的連桿螺栓作試驗(yàn)，將螺栓兩端打磨光滑，用超聲波測(cè)長(zhǎng)儀測(cè)量螺栓擰緊力矩后的申長(zhǎng)量。 1、力矩法：使用兩端磨光螺栓，用擰緊機(jī)將螺栓擰緊

20、到220N.m，再用人工復(fù)緊到230N.m，測(cè)量連桿螺栓伸長(zhǎng)量及軸向力如表3。 表 3 螺栓編號(hào) 伸長(zhǎng)量(mm) 軸向力(KN) 螺栓編號(hào) 伸長(zhǎng)量(mm) 軸向力(KN) 螺栓編號(hào) 伸長(zhǎng)量(mm) 軸向力(KN) 1 0.162 86.82 13 0.168 89.86 25 0.174 93.21 2 0.18 96.74 14 0.166 88.9 26 0.149 79.72 3 0.187 100.03 15 0.176 94.13 27 0.174 93.21 4 0.167 89.76 16 0.172 92.05 28 0.173 92.95 5 0.177 95.14 17 0

21、.154 82.77 29 0.178 95.36 6 0.161 86.24 18 0.17 91.08 30 0.183 97.85 7 0.174 93.01 19 0.158 84.69 31 0.172 92.11 8 0.161 86.45 20 0.192 102.75 32 0.163 87.41 9 0.191 102.32 21 0.163 87.42 33 0.178 95.51 10 0.165 88.54 22 0.173 92.75 34 0.163 87.62 11 0.169 90.62 23 0.188 100.99 35 0.167 89.77 12 0.169 90.79 24 0.184 98.61 36 0.159 85.29 軸向力分布為： 軸向力范圍 7985 850190 900195 9501100 10001105 個(gè)數(shù) 3 12 11 6 4 極小值 7972極大值10275極差 2303 平均值 9175 標(biāo)準(zhǔn)差：S1=1.86 直方圖： 圖 6 2、轉(zhuǎn)角法：使用兩端磨光螺栓，用擰緊機(jī)按轉(zhuǎn)角法60 N.m50°工藝擰緊，不復(fù)緊，測(cè)量連桿螺栓伸長(zhǎng)量及軸向力如表4。 表4 螺栓編號(hào) 伸長(zhǎng)量(mm) 軸向力(KN) 螺栓編號(hào) 伸長(zhǎng)量(mm) 軸向力(KN) 螺栓編號(hào) 伸長(zhǎng)量