高強(qiáng)度螺栓在斗輪堆取料機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

莊乾霞 趙華志

華電重工股份有限公司

1 引言

斗輪堆取料機(jī)屬于大型、連續(xù)、高效的散料裝卸機(jī)械，廣泛應(yīng)用于大型散貨碼頭、鋼鐵、水泥、火力發(fā)電和礦山等企業(yè)的散料輸送系統(tǒng)中，是散料輸送系統(tǒng)的核心[1]。由于運(yùn)輸過程中的限制，斗輪堆取料機(jī)鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)常需解體運(yùn)輸，到達(dá)現(xiàn)場后運(yùn)用摩擦型高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接，因此高強(qiáng)度螺栓的使用對(duì)斗輪堆取料機(jī)鋼結(jié)構(gòu)而言至關(guān)重要。

2 摩擦型高強(qiáng)度螺栓國內(nèi)外應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)比較

目前國內(nèi)外摩擦型高強(qiáng)度螺栓組應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)見表1，國內(nèi)大件鋼結(jié)構(gòu)連接主要使用表1國標(biāo)GB/T標(biāo)準(zhǔn)的螺栓組，國際上以使用表1中ISO標(biāo)準(zhǔn)的居多[2]。值得注意的是，表1中的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的螺栓所采用的預(yù)緊力標(biāo)準(zhǔn)不同，國標(biāo)采用的預(yù)緊力標(biāo)準(zhǔn)與德標(biāo)DIN標(biāo)準(zhǔn)的螺栓的預(yù)緊力相同，德標(biāo)的預(yù)緊力標(biāo)準(zhǔn)為DIN18800-7，而ISO標(biāo)準(zhǔn)的螺栓的預(yù)緊力使用的標(biāo)準(zhǔn)為EN 1090-2，與前者比較，螺栓所用的預(yù)緊力不一致。

表1 摩擦型高強(qiáng)度螺栓組應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

3 摩擦型高強(qiáng)度螺栓的表面處理

高強(qiáng)度螺栓的表面處理目前國內(nèi)外主要有4種方法：發(fā)黑(發(fā)藍(lán))、磷化、達(dá)克羅、熱浸鋅，熱浸鋅工藝目前不宜用于國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的螺栓[3]。4種工藝的特點(diǎn)如下：

發(fā)黑是金屬熱處理的一種常用手段，原理是使金屬表面產(chǎn)生一層氧化膜，以隔絕空氣，達(dá)到防銹目的。外觀要求不高時(shí)可以采用發(fā)黑處理，鋼制件的表面發(fā)黑處理，也有被稱之為發(fā)藍(lán)的。

磷化是一種化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)形成磷酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化膜的過程，所形成的磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜稱之為磷化膜。磷化的目的主要是給基體金屬提供保護(hù)，在一定程度上防止金屬被腐蝕；用于涂漆前打底，提高漆膜層的附著力與防腐蝕能力，在金屬冷加工工藝中起減摩潤滑使用。

達(dá)克羅涂層外觀為均勻的銀灰色，涂層中含有80%的薄鋅片和鋁片，其余為鉻酸鹽，具有優(yōu)良的性能，如極強(qiáng)的抗腐蝕性。

熱浸鋅使熔融金屬與鐵基體反應(yīng)而產(chǎn)生合金層，從而使基體和鍍層二者相結(jié)合。熱鍍鋅具有鍍層均勻，附著力強(qiáng)，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

在斗輪堆取料機(jī)設(shè)備中，目前從使用情況和綜合性價(jià)比來看，高強(qiáng)螺栓磷化的表面處理應(yīng)用較為廣泛；如果設(shè)備要求抗腐蝕性能較高時(shí)，可采用達(dá)克羅，達(dá)克羅的經(jīng)濟(jì)成本比較高，但是性能優(yōu)良；外觀要求不高時(shí)可以采用發(fā)黑處理；熱浸鋅工藝目前沒有應(yīng)用到國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的高強(qiáng)螺栓中，因?yàn)闊峤\工藝會(huì)降低螺栓的性能等級(jí)，同時(shí)影響螺栓的外形尺寸。在國外，目前有使用熱浸鋅表面處理的高強(qiáng)螺栓，這就對(duì)螺栓材料和工藝方法有一定的要求。

4 摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接的布置

螺栓的布置分并列式和錯(cuò)列式兩種，在斗輪堆取料機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)中，因設(shè)計(jì)和工藝簡單，采用并列式布置較多；錯(cuò)列式布置可以減少對(duì)鋼板截面的削弱，從而減少螺栓數(shù)目，通常用于型鋼肢寬需要布置2條螺栓線的連接，并列式和錯(cuò)列式布置見圖1。

圖1 螺栓布置形式

斗輪堆取料機(jī)鋼結(jié)構(gòu)以大型工字截面為主，其中蓋板受力主要為拉壓方向，受力相對(duì)較大；腹板受力以剪力為主，受力相對(duì)較小。因此蓋板多采用3排螺栓連接形式，腹板一般采用2排螺栓連接形式，可滿足受力要求。設(shè)計(jì)時(shí)先確定高強(qiáng)螺栓的直徑大小，根據(jù)螺栓直徑大小確定螺栓布置的間距，高強(qiáng)度螺栓的布置間距應(yīng)符合表2的要求。

表2 高強(qiáng)度螺栓的布置間距標(biāo)準(zhǔn)

表中，d為螺栓孔徑，t為連接板厚度。

5 摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接強(qiáng)度的計(jì)算

摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接是利用高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉伸，使被連接構(gòu)件之間相互壓緊而產(chǎn)生靜摩擦力來傳遞剪力。在斗輪堆取料機(jī)設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)中，以最常見的工字梁鋼結(jié)構(gòu)蓋板連接為例，高強(qiáng)度螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算公式為：

Ta=μF/νT

(1)

式中，Ta為單個(gè)螺栓所傳遞的剪力，kN；μ為摩擦系數(shù)，按鋼結(jié)構(gòu)噴砂處理，一般取0.45；F為螺栓的預(yù)緊力，kN；νT為連接的安全系數(shù)，一類工況νT取1.4，二類工況νT取1.25，三類工況νT取1.1。

螺栓的扭緊力矩公式如下：

Ma=1.1CdtF

(2)

式中，Ma為螺栓的扭緊力矩，kNm；C為連接的扭矩系數(shù),視螺紋間的摩擦和螺母與墊圈間的摩擦情況而異，當(dāng)螺栓、螺母和墊圈經(jīng)皂化、磷化處理時(shí)，取C=0.1-0.15,當(dāng)螺栓、螺母和墊圈未作處理時(shí)，取C=0.15-0.2；dt為螺栓的公稱直徑，m；F為螺栓的預(yù)緊力，kN。

以堆取料機(jī)鋼結(jié)構(gòu)常用的工字型截面梁為例，在梁的蓋板和腹板分段連接處布置高強(qiáng)度螺栓。工字梁的蓋板以受拉或受壓為主，蓋板的螺栓強(qiáng)度校核公式為：

nTa=δSbt/1 000

(3)

式中，n為蓋板連接螺栓的數(shù)量；Ta為單個(gè)螺栓所傳遞的剪力，kN；δS為蓋板鋼結(jié)構(gòu)材料的拉壓屈服極限應(yīng)力，MPa；b為蓋板的寬度；t為蓋板的厚度。

不同于工字梁的蓋板，工字梁的腹板以受剪力為主，腹板的螺栓強(qiáng)度校核公式為：

nTa=τSht/1 000

(4)

式中，n為腹板連接螺栓的數(shù)量；τS為腹板鋼結(jié)構(gòu)材料的抗剪屈服極限應(yīng)力，MPa。

以上闡述了堆取料機(jī)設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)中的高強(qiáng)度螺栓連接典型的計(jì)算方法，在實(shí)際螺栓連接設(shè)計(jì)中，還需要考慮連接母板開孔后的強(qiáng)度，以及多排螺栓連接時(shí)，每排螺栓所受的剪力不同等實(shí)際工況，具體可以參考FEMⅡ和其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)語

高強(qiáng)度螺栓在大型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備設(shè)計(jì)中普遍采用，以堆取料機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例介紹了高強(qiáng)螺栓連接應(yīng)用的幾個(gè)重要方面，可為類似工程案例的高強(qiáng)度螺栓設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。