螺栓伸長與角度

1、隨著國民經(jīng)濟飛躍發(fā)展，我國水輪機行業(yè)的科研、設計和制造水平取得了長足的進步。近年來，通過三峽、龍羊峽、巖灘、二灘、天生橋二級、李家峽、漫灣等大型水電機組的前期科研工作和引進技術、合作生產(chǎn)，水輪機向高水頭、大容量、高比速和高效率趨勢發(fā)展，先后研制出了一批比速系數(shù)和效率高、氣蝕性能好的轉輪。如已投運的天生橋二級、巖灘、漫灣水電站，水輪機模型最高效率達92.72%(天生橋二級)，直機效率保證值達94.4%(天生橋二級為94.48%；巖灘為94.44%；漫灣為94.43%)；巖灘水電站，其單機容量為302.5MW，轉輪直徑達8m。大容量水電站的建設，促進了大型水輪機及其輔助設備安裝技術的發(fā)展。經(jīng)過全國

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

3、為3DS2620的三柱塞高壓泵，壓力大小由安全閥8進行調節(jié)。蝸殼水壓試驗時，首先關閉閘閥9，利用廠房自來水管經(jīng)閘閥10對蝸殼充水；待蝸殼內部充滿水后，再關閉閘閥10，開啟閘閥9，用水泵升壓1。蝸殼水壓試驗時機坑的密封方式，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測試用儀器、儀表及測試原理蝸殼工地水壓試驗的監(jiān)測項目有：座環(huán)變形、蝸殼脹量和座環(huán)蝸殼各部主要點的應力值。座環(huán)變形和蝸殼脹量的測量儀表為千分表。蝸殼和座環(huán)各部的應力，貼直角三軸型應變花用電測法測定，測試原理框圖，如圖3。圖3測試原理框圖將應變花粘貼于各監(jiān)測點處，經(jīng)應變儀讀出各點0°、45°

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

5、設和蝸殼內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度。三、聯(lián)軸螺栓火焰加熱工藝1火焰加熱裝置的基本結構和工作原理圖4火焰加熱裝置的基本結構及工作原理圖聯(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孔對螺栓進行加熱?；鹧婕訜嵫b置由燃燒室、焊槍卡口夾套、加熱管等部分組成。由于加熱時溫度可達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)軸螺桿內孔深處；熱空氣再經(jīng)螺桿內孔和加熱管間間隙返回燃燒室下部，經(jīng)排氣、觀察孔逸出，實現(xiàn)對螺桿的均勻加熱3(參

6、見圖4)。2螺桿伸長值與螺母轉角關系互換計算采用聯(lián)軸螺栓火焰加熱工藝緊固螺栓時，由于加熱前后聯(lián)軸螺桿的溫差較大，無法準確測量螺桿緊固后的伸長值，所以通過測量螺母轉角相對應的弦長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值。設螺桿常溫下未受力的長度為C1，預緊(用板手和大錘把緊)后的長度C2，則常溫下預緊后螺母的轉角1為：1=K(C2-C1)(3)K=L(4)式中螺母旋轉的總轉角(通過試驗確定)；L螺栓設計伸長值。預緊后，螺母還須旋轉的角度2為：2=-1(5)將2換算到螺母支承面外徑上的弦長1為：(6)式中螺母支承面外徑。聯(lián)軸螺栓預緊后，在螺母外圓上任取一點A，用卡鉗和直尺量取1，沿螺

7、母旋轉方向在螺母外圓附近的法蘭平面上找一點B，A、B兩點均作明顯標記。待螺栓加熱伸長后，旋轉螺母使其A點至法蘭B點對應位置(參見圖5)，螺母緊固即告結束。圖5螺母轉角示意圖3聯(lián)軸螺栓火焰加熱工藝的綜合評價隨著機組單機容量的增大，軸向水推力、轉輪及主軸重量也隨之增大；為保證機組的安全經(jīng)濟運行，聯(lián)軸螺栓的伸長量已高達1.73mm(天生橋二級)。聯(lián)軸螺栓火焰加熱工藝設備簡單，操作方便，通過轉角確定螺栓的緊固程度，伸長量誤差小。它不僅克服了電極加溫法緊固應力相差較大的弱點，還提高了工作效率，降低了勞動強度。四、 油系統(tǒng)管道氬弧焊封底技術所謂油系統(tǒng)管道氬弧焊封底技術，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。1手工鎢極氬弧焊設備及材料手工鎢極氬弧焊設備系統(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。其鎢極棒型號可以選用鈰鎢極WXe20或釷鎢極WTh10、WTh15；因水電站油管路材質一般為碳鋼、不銹鋼和銅及其合金，所以氬氣純度應大于99.7%(體積比)；其填充材料采用專用焊絲，依據(jù)焊件材質進行選擇。2氬弧焊封底技術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。(1) 焊前準備。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直徑的小圓臺為宜。電極的外伸長度為35mm左右。工件被焊處按規(guī)定開成坡口。兩側距坡口邊緣2530mm處及焊絲要進行清理，并用丙酮擦拭。引弧前應提前510s輸送氬氣，借以排除管中及工件被焊處的空氣。(2) 焊接。按工件材料及結構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?。灰环N是鎢極與工件接觸或在碳塊上接觸引弧。在不妨礙視線的情況下，應盡量采用短弧，以增強保護效果，同時減少熱影響區(qū)寬度和防止工件變形。焊嘴應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，焊槍除作直線運動外，允

10、許作橫向擺動。(3) 熄弧。焊接完畢，切斷焊接電源后，不應立刻將焊槍抬起，必須在35s內繼續(xù)送出保護氣體，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評價水輪機及其輔助設備用油均為透平油。透平油在設備中的主要作用是潤滑、散熱和液壓操作。如果油中的機械雜質超過規(guī)定值，透平油在摩擦表面的流動便遭受阻礙，破壞油膜，使?jié)櫥到y(tǒng)的油管或濾網(wǎng)堵塞和使摩擦部件過熱，加大零件的磨損率。此外，還促使油質劣化，減低油的抗乳化性能5。如果油中的金屬屑進入以透平油作為工作介質的設備(如調速系統(tǒng)、進水閥、調壓閥、液壓閥等)，將導

11、致操作系統(tǒng)失靈，影響水電站的安全經(jīng)濟運行。氬弧焊封底技術利用隋性氣體氬氣作為保護氣體，因氬氣不與金屬發(fā)生化學作用，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械雜質濃度。油系統(tǒng)管道氬弧焊封底技術，采用沖壓彎頭加直管段進行焊接，取代了現(xiàn)場彎制管道彎頭工藝，不僅省去了一套彎管設備，而且能加快施工進度；因而倍受青睞。漫灣、天生橋二級、二灘等電站已將此項技術應用于油系統(tǒng)管道施工，取得了良好的施工效果。五、結 束 語1.近幾年，隨著水輪機及其輔助設備的技術進步，還衍生了一些新的安裝技術，如導葉摩擦裝置和圓筒閥的應用6，7就衍生了導葉摩擦裝置和圓筒閥的安裝技術，限于篇幅，本文不再贅述

12、；有興趣的讀者請查閱文獻6和文獻7。2.本文所闡述的三項技術都有以下兩個顯劇特點：(1)節(jié)省投資；(2)縮短工期。天生橋二級(壩索)水電站在3水輪發(fā)電機組總裝中，在總結1、2機安裝經(jīng)驗的基礎上，成功的應用聯(lián)軸螺栓火焰加熱工藝和油系統(tǒng)管道氬弧焊封底技術，輔之以施工工藝的優(yōu)化，創(chuàng)造了大型水輪發(fā)電機組總裝工期12天的全國新紀錄；其4機的安裝，面對設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。3.安裝技術的進步依賴于全社會的關心、支持與合作；筆者建議全國各地科研單位、高等院校和施工企業(yè)在確?？蒲薪?jīng)費的同時，建立健全信息網(wǎng)絡，增強相互間的交流與協(xié)作，以加快新技術、新工藝的研制、開發(fā)和推廣應

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 在國內的一些發(fā)動機制造行業(yè)中，對于一些高強度螺栓，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、電動擰緊機等，將螺栓上緊到某一設定力矩即可。這種上緊螺栓的方法，已長期得到廣泛使用。在某些企業(yè)，上緊螺栓力矩工藝更加復雜，先是用ATLAS扳手將螺栓上到某一力矩值，再用人工復緊到工藝要求設定值。這種方法可靠性如何呢？人工復緊是否存在重復工作？。在國外的先進發(fā)動機制造企業(yè)，已普遍采用轉角法上緊螺栓力矩。即用自動擰緊機將螺栓擰到某一力矩值后，再轉過一個角度。這種工藝的優(yōu)點在于可實現(xiàn)全自動化，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徑； d為螺紋公稱直徑； 為螺紋升角，粗牙螺紋 2°50，細牙螺紋 2°10 為垂直截面內的螺紋牙形半角，約為29°58 經(jīng)計算可得下表1： 硬連接 軟連接 摩擦系數(shù) 0.08 0.14 螺栓伸長(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%左右的擰緊力矩轉化為螺栓的軸向力。而軸向力（預緊力）是評價螺紋連接可靠性的重要性指標。

18、螺栓松動的重要原因，是預緊力不足，防止螺栓松動的有效措施，就是確保預緊力、提高預緊力。 2、摩擦系數(shù)與扭矩系數(shù)的關系 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系的經(jīng)驗參數(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。 通過實際測試同一規(guī)格同一批次的國產(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緊力相同的情況下，由于受到k值變化的影響，測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，測量得的軸向

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

20、到220N.m，再用人工復緊到230N.m，測量連桿螺栓伸長量及軸向力如表3。 表 3 螺栓編號 伸長量(mm) 軸向力(KN) 螺栓編號 伸長量(mm) 軸向力(KN) 螺栓編號 伸長量(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 個數(shù) 3 12 11 6 4 極小值 7972極大值10275極差 2303 平均值 9175 標準差：S1=1.86 直方圖： 圖 6 2、轉角法：使用兩端磨光螺栓，用擰緊機按轉角法60 N.m50°工藝擰緊，不復緊，測量連桿螺栓伸長量及軸向力如表4。 表4 螺栓編號 伸長量(mm) 軸向力(KN) 螺栓編號 伸長量(mm) 軸向力(KN) 螺栓編號 伸長量