关于通信铁塔螺栓防松解决方案研究

关于通信铁塔螺栓防松解决方案研究

刘利男

中国铁塔股份有限公司河北省分公司   河北省石家庄市  050000

摘要：研究通信铁塔螺栓防松，提出两种解决方式：一种为非受力点采用防松动螺栓+螺母，螺母与螺栓成为一体（榫卯结构）；另一种在关键节点将防松动螺母、变色螺栓、防松动螺母共同配合使用，关键节点在长期受力、受力不均匀、倾斜、震动导致螺栓硬度、强度造成螺栓自身的裂纹、硬度出现下降甚至破裂等情形时，可通过螺栓的颜色变化及时、直观的将螺栓的使用状态反应于螺栓顶端，便于维护人员第一时间进行维修，从而保障通信铁塔的健康安全。

关键词：通信铁塔；防松动螺母；变色预警螺栓；榫卯结构

1 引言

通信铁塔长期承受较大活荷载（以风荷载为主），而铁塔存在大量螺栓连接，在日常使用过程中螺栓随着使用年限的增加会在外力作用下逐渐松动甚至脱落，造成严重安全隐患。铁塔结构安全，尤其是螺栓松动预防方面存在人工成本高、效率低、质量不可控、隐患危害大等问题。因此本文对塔体螺栓防松动问题围绕高效率、低成本、高可靠性进行研究。

对于铁塔螺栓防松动研究，本文提出欧美技术封锁“变色预警螺栓”技术，变色预警螺栓与防松动螺栓、螺母结合使用，通过螺栓松动及螺栓自身因压力、硬度、疲劳、扭力、震动造成螺栓裂纹、破裂的预警技术；对标国内高铁轨道用防松动锁定螺栓螺母（日本HardLOCK）技术，提出以榫卯结构与正反纹技术更具实用性。螺栓防松研究背景涵盖了安全性、经济性、技术创新等多个方面，对于保障通信铁塔的安全稳定运行、降低维护运营成本均具有重要的意义。

2 通信铁塔螺栓防松需求分析

通信铁塔属于高耸钢结构，顶部风荷载较大，且在户外长期暴露，组成塔身的大部分部件通过螺栓进行连接、紧固。风荷载具有不确定性、突发性等特征，通信铁塔的不确定性位移及变形进而导致螺栓晃动、松动，螺栓在长期使用后，出现松动甚至完全松脱的情况难以避免，主要有以下几种情况。

(1)初始松动,在拧紧紧固件之后,紧固件在工作的过程中,各个接触面会随着铁塔在风荷载作用下的振动进一步减少不平度和微观粗程度。紧固件与连接件的接触面被压导致紧固件的连接状态发生改变,导致预紧力丧失,出现紧固件松动现象。

(2)压陷松动,铁塔紧固件的连接面上施加的压力过大时，将会导致连接面的表面产生塑性的环状压陷。随着这种压陷不断地加强，紧固件预紧力逐渐丧失,进而出现紧固件松动现象。紧固件的压陷是必然现象。

(3)紧固件自松,紧固件在不断地震动过程中接触面的摩擦阻力逐渐减小,紧固件逐渐从细微的松动到最后完全松脱。这是螺纹连接失效最常见、最频繁的原因。

3 铁塔螺栓防松方案介绍

通过对通信铁塔防松动螺栓进行探索及市场调研，并与多家科研机构进行研讨，以搜集大量的复合显色材料及榫卯结构，通过计算机AI建模等实现理论及推演，初步确定相关技术路线与方案。

3.1变色预警螺栓

变色螺栓主要由螺栓主体、拉动收缩装置、复合显色材料部分等组成，具有感知螺母松紧变化的功能。当螺母松紧发生变化时，变色螺栓显色区会呈现不同的颜色，从而提醒用户螺栓预紧力的变化.不仅有感知能力强、稳定性高、可靠性强等创新优势。又能通过螺栓松动及螺栓自身因压力、硬度、疲劳、扭力、震动造成螺栓裂纹、破裂的预警技术来解决关键问题。

3.1.1变色光学原理：

光在水中的衰减主要由以下几个因素决定，吸收：水分子中的某些成分能够吸收光的能量，导致光的强度逐渐减小。散射：水中的悬浮物质或溶解物质会对光进行散射，使得光在传播过程中发生方向的改变。散射会导致光的能量分散，从而使光强逐渐减弱。散射损失：散射还会导致光在传播过程中发生能量损失，使得光的强度减小。色散：不同波长的光在水中传播速度不同，这种速度差异会导致光在传播过程中发生色散，使得光的强度逐渐减小。当螺栓拉长量变大时，顶盖与反光盖之间吸光液的厚度也随之变大，导致光在吸光液中衰减增加，从而发生红色亮度的变化。

3.1.2预紧力与显示颜色的对应关系：

以螺栓收到的预紧力为100%为例，采用预警变色螺栓，所施加的预紧力与人眼所观察到的颜色的对应关系如下：

螺栓预紧力为0%，显示亮红色；螺栓预紧力为50%，显示正红色；螺栓预紧力为70%，显示暗红色；螺栓预紧力为90%，显示深暗红色；螺栓预紧力为100%，显示完全黑色。

变色预警螺栓预紧力颜色对应表：

3.2 防松动螺栓、螺母

3.2.1日本HardLock自锁螺母结构及其原理：

自锁原理:由两个螺母组成，凸形螺母在下，起到夹紧作用，在上表面有偏心排列的平面凸起;凹形螺母在上，下面表有同心圆锥形凹槽，将两个螺母锁在一起。通过将凹形螺母拧紧到凸形螺母上，将从两侧分别向螺栓施加垂直夹紧力。

3.2.2自有自锁螺栓设计结构及其原理：

自锁原理:由两个螺母组成，反向螺母带有突出的凸点，正向螺母带有凹槽，当两个螺母都预紧后，上面螺母的凸点刚好落入下面螺母的凹槽，两者之间相对位置卡死，不能运动，而同时反向螺纹又限制两者的反方向运动，达到自锁的目的。

3.2.3创新点：

独有的榫卯技术可对标国内高铁轨道多用防松动锁定螺栓螺母（日本HardLOCK）技术，提出以榫卯结构与正反纹技术，更具实用性，同时规避了偏心技术会产生的虚拟锁定问题，锁定更紧，且操作简单。

4 方案先进性评估：

现阶段在国际主要防松动技术包含：变色预警螺栓、防松动锁定（自锁）螺栓、螺母，均有欧美及日本拥有，我国高铁轨道所使用的日本hardlock防松动锁定（自锁）螺栓、螺母，以及重装备制造行业所使用的变色预警螺栓为美国一家公司所掌握。

（1）防松动锁定（自锁）螺栓研究方案与国际产品对标：

（2）变色预警螺栓研究方案与国际产品对标：

5 结语

通过“变色预警螺栓”方案实现对螺栓自身因硬度、扭力、震动造成的裂纹、破裂等进行预警，螺母松紧发生变化时，变色螺栓显色区会呈现由黑到红的渐变颜色，从而提醒用户螺栓紧固程序的变化。通过榫卯结构双螺母加持、正反向锁定不松动，预紧力强，使得螺母会因塔体震动而不断锁紧，达到“永不松动”的效果。

参考文献：

[1]广播电视钢塔桅运行维护技术规范 GY/T 328-2020

[2]马池.楔形垫片和齿形双螺母的防松性能研究[D]沈阳工业大学.2023
[3]冯广义.紧密排列螺栓结构松动检测的关键技术研究.[D]中北大学.2023