简介:该文是关于螺栓和力矩相关在职研究生论文范文与力矩类在职毕业论文范文.
1研究背景
19世纪末,具有实际应用的变压器被发明,变压器上开始大量使用金属螺栓螺母,如套管的安装固定、储油柜的安装固定、连管等附件的安装固定,GB3098.13规范了破坏扭矩标准,Q/STB 12.521.5-2000规范了10.9级螺栓紧固力矩,但相关的国家标准、机械设计手册、变压器手册均没有明确的8.8级等其它性能等级螺栓紧固力矩要求,紧固力矩的大小对变压器运行的有效性和安全性有至关重要的作用,力矩太小,螺栓容易返松,力矩太大,螺牙破损,紧固失效,因而确定正确的紧固力矩大小对变压器行业有特别重大的意义;特别是在风力发电机的机仓内的升压变压器,螺栓是否有合适的紧固力矩,对变压器的安全运行有至关重要的意义,可以挽回巨额的经济损失.
2研究对象和范围
本文主要研究110KV和220KV变压器行业普通粗牙螺纹的工作原理、预紧力的计算方法、螺丝防松的工作原理以及在实际生产中的注意事项和意义.
3理论或原理
沿着圆柱表面运动的点的轨迹,该点的轴向位移和相应的角位移成定比,这样的点的轨迹就是螺旋线,沿着螺旋线形成的具有规定牙型的连续凸起称为螺纹,牙型角为60度的螺纹称为普通螺纹,在中经圆柱上,螺旋线的切线与垂直于螺旋线的平面的夹角称为螺纹升角（如图1）.螺栓螺丝螺纹有升角,展开后类似斜面,与之配合的螺母由如斜面上的物体,给螺母施加一个向下的力,根据受力分析,压力越大,摩擦力越大,只有摩擦力越大,螺母越不容易滑动.
4没有拧紧时螺母的受力
单个螺母重量不大,如M12普通GB/T41,单个重量12克,螺母没有拧紧时的受力情况如图（图2）：所受摩擦力f等于G1<（mg=0.12N）,摩擦力非常小,使用很小的力就能拧动,后续研究一般将不再考虑重力的影响
5拧紧螺母的受力
5.1使用合适的力矩将螺母拧紧,空转拧紧过程的受力如图6,F02等于cosθ*F0,F02等于k*F01,F01等于sinθ*F,所以cosθ*F0等于 sinθ*F0*k+G2,摩擦力较小,使用较小力矩螺母将转动.
5.2螺母开始接触工件并逐步压紧工件的过程,螺母的受力情况如图7,工件被压紧后发生弹性形变,给螺母一个反作用力F预紧力,在逐步拧紧过程中,F逐步增大,摩擦力逐步加大,F0也需要逐步增加,越来越拧不动,直到达到需要的力矩.
5.3拧到合适力矩后F0去除,工件被压紧后发生弹性形变,给螺母一个反作用力F预紧力（如图5）,该反作用力的一个垂直于螺牙斜面的分力通过螺母压在螺杆上,从而螺杆对螺母产生一个向上的摩擦力,整体二力保持平衡,螺母保持静止无滑动状态.
6预紧力防松的理论依据或螺纹防松的工作原理：
6.1当螺母受到外界撞击或碰撞而受到使螺母松脱力F0或力矩F0d时,支撑力P将变小,摩擦力f也将变小,当f逐渐变小至0或负数时,螺母开始转动.在螺母、螺杆、工件不损坏的前提下,变形越大,预紧力越大,预紧力越大,摩擦力越大,使螺母松脱的力或力矩也将越大,从而螺母防松效果越好（如图7）;
6.2当设备或工件由于运动、转动或运行,导致工件或设备发生震动或变形,导致被紧固工件与螺栓螺母间的弹性变形发生改变,弹性力大小也随着变形大小而发生改变,当工件与螺栓或螺母接触面的变形变小或消失时,工件与螺栓或螺母接触面的变形应力也将变小或消失时,螺母将所摩擦力比螺母本身重力还小,微小震动或冲击,螺母将转动（即从图4变为图2）.在螺母、螺杆、工件不损坏的前提下,工件或螺栓螺母变形越大,预紧力越大,抵抗变形的能力也越强,使螺母松脱的力或力矩也将越大,从而螺母防松效果越好;
7预紧力大小的计算：
预紧力的大小根据螺栓组受力的大小和联接的工作要求决定.设计时首先保证所需的预紧力,又不应使连接的结构尺寸过大.一般规定拧紧后螺纹联接件预紧应力不得大于其材料的屈服点的80%.对于一般联接用钢制螺栓,推荐用预紧力限值如下：
螺栓材料屈服点和螺栓公称应力截面积在机械手册上查询
8紧固力矩大小的计算：
为了增强螺纹联接的刚性、紧密性、防松性能以及防止受横向载荷螺栓联接的滑动,多数螺纹联接在装配时都要预紧.其拧紧扳手力矩T是用于克服螺纹副的螺纹阻力矩T1及螺母与被联接件支撑面间的端面摩擦力矩T2.
拧紧力矩系数K的选用要求如下表,一般取0.2
9特殊情況螺栓的预紧力和紧固力矩
9.1铝合金工件：变压器上含铝合金的主要设备有高压套管、低压套管、开关、气体继电器、压力释放阀、油流继电器等,铝合金的强度和硬度一般比较弱,安装紧固件必须使用垫圈,用于增大受力面积,从而减少局部压强;需要根据铝合金的屈服强度计算螺孔所能承受的压力,根据该压力计算出该螺孔所能承受螺栓所给的最大扭矩Tmax,如果该扭矩Tmax比螺栓所承受的力矩T大,即Tmax>T,则按螺栓力矩T,否则按该扭矩Tmax.
例子：8.8G的M12螺栓,Φ14螺孔,5083-H112铝合金（屈服强度211MPa）,垫片13.5-24-2.5,
Fmax等于σ*A等于[3.14*（12*12-7*7）*211]等于53694N, T等于kFd等于0.2*0.012*53694等于129Nm>102Nm,力矩相对比较接近,可以选用较小的合适力矩;
绝大多数铝合金的失效,均是不均匀紧固导致的,因而需要均匀紧固;
例子：高压套管安装法兰,螺孔中心圆直径为290mm,升高座法兰密封槽法兰与大平面有1mm台阶（如图9）,一端螺孔与另一端台阶的距离为275mm（如图10）,使用M16合适螺栓,如果先拧一边至要求力矩最终紧固,将一边压下去,另一边将抬高7.33mm,然后使用螺栓紧固另一边,先拧那边套管法兰在台阶位置所受力将达到124吨力,超出铝合金的屈服强度,安装法兰损坏（如图11）.
T等于kFd等于0.2*0.016*F1等于205NmF1等于64062N
F1*290等于F2*15 F2等于1238541N等于123854kgf等于124tf
9.2铜工件：变压器内部或外部一般使用T2电解铜,强度好,延申性好,柔韧性好,抗拉强度一般达到230MPa以上,使用相关螺栓,主要考虑铜联接件的接触电阻
式1中,Rj就是接触电阻,它的单位是微欧;K是与材料有关的系数,例如铜镀锡、铜镀银等等;F是接触压力,单位是牛顿;m是接触形式,点接触时m等于0.5,线接触时m等于0.5～0.7,面接触时m等于1;
降低接触电阻除了去除铜连接件接触面上的氧化物、接触面打磨平整和增大接触面外,就是在允许的情况下加大拧紧连接件螺栓的紧固力矩;
9.3环氧浇注塑料：变压器的CT接线板和铁芯夹件接地板材质一般为环氧浇注塑料（epoxy casting plastic）,抗压强度（compressive strength）为140Mpa; 一般使用M12螺栓;经过多次试验和厂家建议,一般按标准紧固力力矩的一半紧固,力矩大小约40Nm,,需要均匀受力,循环多次紧固
10螺纹防松的方法
10.1预紧力防松：如6.1项,当预紧力为螺栓屈服强度的60-70%时,螺纹没有损坏,仅发生弹性变形,当外界拧松力较大时,螺栓才会被拧松,但变形一般比较小,静载荷时比较可靠,如8.8G的M12螺栓,垫片13.5-24-2.5,Φ14螺孔,紧固力矩约84Nm,预紧力F0等于T/kd等于35000N,Q345的弹性模量E是206000N/mm3,变形量约为等于0.0006mm;
10.2雙螺母：使用10.1项紧固螺母后,在现有螺母外再加装第2个螺母,保持第一个螺母不动,第2个螺母向第一个螺母对拧,两个螺母相对拧紧咬紧.如图12,第2个螺母拧紧后,受到第1个螺母弹性变形所产生的力（预紧力）,预紧力是相互的,第1个螺母也受到第2个螺母的预紧力,这2个螺母将不受工件的影响,即使工件发生较大变形弹力消失,螺母与螺栓也不会发生松脱和相对位移;
10.3弹簧垫片或锥型垫片：弹簧垫片被压缩后始终具有弹力,对螺母产生预紧力,弹簧垫片原始厚度H与压缩后的厚度S的差额较大,一般超过1mm,即工件在发生微小变形后螺母始终受到弹簧垫片所给的预紧力,因而具有一定的防松效果.
10.4特殊双垫片：运用高硬度的特殊结构垫片对防松
10.4.1高硬度垫片：比12.9级高强度螺栓的硬度（430-450HV1）还高,可到达465HV1,单位变形量所需的预紧力更大;
10.4.2特殊结构：垫片成对使用,外表面为放射装锯齿,内表面呈楔形,楔形面相对（如图13）,拧紧时锯齿外表面由于压力与零部件接触面咬合,在拧紧时,螺栓与这个特殊垫片/另一个垫片与工件间由于锯齿和咬合压力而保持相对静止,位移发生在楔形内表面之间,直到达到所需的预紧力;楔形的升角比螺纹的升角大,当螺母或螺栓发生震动旋转松动或工件变形使预紧力变小时,特殊垫片发生厚度方向扩张行为,继续维持一定的预紧力（如图14）.
11螺栓螺母下加垫圈：
由于螺栓或螺母为螺旋旋转运动,紧固时为线性与工件接触,接触线压强大,工件表面易磨损,增加垫圈后可有效保护工件表面;
12在生产中的螺丝紧固注意事项：
12.1需要根据结构特点和材料特点计算合理安全的紧固力矩;
12.2需要均匀紧固,特殊材质或特殊结构且紧固力矩比较小时,需要从最小力矩每隔5Nm或10Nm逐步紧固直到达到要求紧固力矩;要求不高时,也需要分两步才能紧固到位;
13结束语：
螺栓紧固看似简单,实际上是一个包含工程材料、理论力学、工程力学、机械设计、工艺方法等科学在内的综合学科,变压器行业的漏油、附件损坏、损耗大等异常现象,很多都与螺栓是否紧固、紧固力矩是否达到、紧固力矩是否正确、紧固方法是否正确有关,本文可有效解决大多数螺栓紧固问题.
参考文献：
[1]谢旈城 主编.电力变压器手册[M].北京：机械工业出版社,2003年
[2]安 琦 主编.机械设计.上海：华东理工大学出版社,2009年
[3]成大先 主编.联接与紧固.北京：化学工业出版社,2004年
总结：上文结束语：此文是一篇关于力矩方面的论文题目可当作有关论文提纲和螺栓和力矩文献综述的参考文献.
力矩引用文献:
[1] 变流器本科论文开题报告范文 变流器和力矩类论文如何怎么撰写10000字
[2] 花篮螺栓论文范文素材 花篮螺栓方面论文如何写2000字
[3] 螺栓和商用车论文如何写 螺栓和商用车方面毕业论文提纲范文2000字
