糧食輸送設(shè)備裝配式通廊的螺栓防松脫處理成本分析及優(yōu)選

◎單 良，鮑小義，王長鳳，王玲玲，尹鴻翔

（中糧工科迎春農(nóng)牧機(jī)械（山東）有限公司，山東 東營 257092）

糧食的存儲(chǔ)、流通、生產(chǎn)加工等行業(yè)在轉(zhuǎn)運(yùn)中都會(huì)使用到輸送設(shè)備。工藝設(shè)計(jì)時(shí),需要綜合考慮項(xiàng)目的車流道路、工藝單元銜接、管道避讓、凈空高度、消防間距等問題，輸送設(shè)備常采用架空裝配式通廊設(shè)計(jì)方式?，F(xiàn)階段，隨著BIM 等鋼結(jié)構(gòu)的交互設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用越來越廣泛，糧食輸送設(shè)備裝配式通廊工廠預(yù)制化生產(chǎn)加工方式越來越多地代替了現(xiàn)場焊接的生產(chǎn)加工方式。糧食輸送設(shè)備裝配式通廊工廠預(yù)制化生產(chǎn)加工方式因其具有綠色環(huán)保、材料利用率高、構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)速度快、表面防腐處理等級(jí)高、耐久年限長、質(zhì)量更穩(wěn)定等特點(diǎn)，逐漸占據(jù)相關(guān)行業(yè)的優(yōu)勢地位。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，糧食輸送設(shè)備裝配式通廊的構(gòu)件宜做到熱鍍鋅的表面處理。熱鍍鋅表面處理的裝配式通廊在目前新建項(xiàng)目和改擴(kuò)建項(xiàng)目的招標(biāo)要求均被明確提出。但是，我們注意到，普通螺栓由于其表面處理后，緊固時(shí)的螺紋界面摩擦系數(shù)基本不隨大氣暴露的時(shí)間延長而增大，同時(shí)，輸送設(shè)備所采用的刮板輸送、皮帶輸送、管道氣體輸送等形式均有振動(dòng)產(chǎn)生。因此，裝配式通廊在工作狀態(tài)中裝配螺栓的松動(dòng)問題變得更為突出，需要采用結(jié)合設(shè)備支座減震處理和螺栓的防松處理等方法。

1 糧食輸送設(shè)備裝配式通廊連接螺栓松動(dòng)成因分析

螺栓松動(dòng)是指螺栓在連接時(shí)沿軸線方向的預(yù)緊力降低，從而導(dǎo)致螺栓失效，也是螺栓失效的重要表現(xiàn)形式之一。雖然螺栓的螺紋可以達(dá)到自鎖的條件，也有摩擦力的存在，但是松動(dòng)現(xiàn)象還是會(huì)出現(xiàn)。造成松動(dòng)的原因分析如下：在靜載荷條件下，螺栓僅受到軸向荷載的作用，而同時(shí)由于螺紋升角作用的存在，擰松螺母與擰緊螺母二者所用扭矩不同，一般情況下，松動(dòng)力矩是擰緊力矩的80%左右，在無附加扭矩的情況下，連接將不會(huì)發(fā)生松動(dòng)。變荷載、沖擊和振動(dòng)是造成松動(dòng)的重要原因。許多緊固件被用在有沖擊或者振動(dòng)的環(huán)境下，由于零件存在慣性短，并和其相連的零件間存在作用力，使得螺紋副與螺母二者支承面的摩擦系數(shù)大幅降低，有時(shí)甚至產(chǎn)生摩擦力瞬間消失的情況，從而破壞了整個(gè)連接系統(tǒng)原有的力平衡，導(dǎo)致螺紋副難以達(dá)到自鎖條件，從而出現(xiàn)微量滑動(dòng)的現(xiàn)象。在緊螺母方向發(fā)生位移要比在較松螺母方向發(fā)生位移克服更多的阻力，所以滑動(dòng)發(fā)生在緊螺母方向上的可能性較小，這樣反復(fù)滑動(dòng)從而會(huì)導(dǎo)致螺栓發(fā)生松動(dòng)。此外，螺栓與被連接的零件在較大應(yīng)力的作用下會(huì)發(fā)生變形，螺栓相互接觸面（如各支承面、螺紋牙側(cè)面、被連接的零件接觸面）因表面的波紋度、粗糙度及形位誤差等因素，使局部發(fā)生塑性變形，且在構(gòu)件使用過程中已發(fā)生的塑性形變可能會(huì)繼續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致連接預(yù)緊力持續(xù)下降，最終致使連接副的嚙合面正壓力降低，減弱自鎖性能，同時(shí)在外部環(huán)境的作用下，松動(dòng)速度加快[1]。

摩擦力的穩(wěn)定存在是使螺栓一直保持?jǐn)Q緊狀態(tài)的關(guān)鍵因素，螺紋嚙合面及螺帽承力面的擰緊力矩受摩擦力的影響，進(jìn)而影響擰緊力矩產(chǎn)生的軸向應(yīng)變引起的預(yù)緊力。當(dāng)螺帽擰緊到螺栓上后，摩擦力的存在是阻止螺母旋轉(zhuǎn)松脫的根本原因。所以，摩擦力的存在是螺栓防松的基本因素，而通過共振狀態(tài)下的螺栓預(yù)緊力松弛試驗(yàn)探究螺栓松動(dòng)過程，結(jié)合螺紋嚙合面的掃描電鏡形貌圖可以分析摩擦系數(shù)對松動(dòng)過程的影響，同時(shí)解析摩擦系數(shù)變化的微觀原因[2]。

學(xué)者們結(jié)合理論、有限元仿真研究總結(jié)了橫向振動(dòng)下螺栓臨界松動(dòng)的規(guī)律，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性[3]。結(jié)果顯示：一是周期性的橫向振動(dòng)是導(dǎo)致螺栓旋轉(zhuǎn)松動(dòng)的主要載荷形式，而橫向振動(dòng)條件下螺紋面和端面的局部滑移累積則是產(chǎn)生螺栓旋轉(zhuǎn)松動(dòng)的主要形式。橫向振動(dòng)的位移幅值越大，螺栓松動(dòng)越快，但存在一個(gè)臨界位移，根據(jù)胡陽等[4]的研究成果明顯界限振幅為0.2 mm，振幅小于0.2 mm 時(shí)，夾緊力僅因塑性變形形變而少量衰減，不會(huì)失效；振幅高于0.2 mm 時(shí)，螺栓發(fā)生旋轉(zhuǎn)松動(dòng)，夾緊力大幅衰減直至完全失效。二是較低的頻率變化對于松動(dòng)過程影響較小，縱向振動(dòng)幾乎不會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)松動(dòng)，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)必須在滿足條件時(shí)才會(huì)導(dǎo)致螺栓旋轉(zhuǎn)松動(dòng)，而由于彎曲振動(dòng)導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)松動(dòng)在本質(zhì)上類似于橫向振動(dòng)，即被連接件與連接件間產(chǎn)生了橫向相對滑移。三是連續(xù)的沖擊載荷可能導(dǎo)致嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)松動(dòng)產(chǎn)生，被連接件和連接件二者材料的熱膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，交變溫度載荷也將誘發(fā)明顯的旋轉(zhuǎn)松動(dòng)[4]。

綜上所述，產(chǎn)生螺栓松動(dòng)的主要原因是螺栓預(yù)緊力降低和螺紋接觸面摩擦力降低，而造成上述兩項(xiàng)約束條件降低的外界影響因素主要是螺栓緊固件連接處受到橫向振動(dòng)。

2 減輕振動(dòng)傳導(dǎo)和減少螺栓松動(dòng)的方法

實(shí)際中能引起通廊橫向往復(fù)位移的振動(dòng)源包括設(shè)備的振動(dòng)傳導(dǎo)和通廊自身受到橫向風(fēng)振。

2.1 減輕設(shè)備振動(dòng)傳導(dǎo)

設(shè)備的振動(dòng)荷載根據(jù)《建筑振動(dòng)荷載標(biāo)準(zhǔn)》GB/T51228-2017 中對鼓風(fēng)機(jī)、離心泵、電動(dòng)機(jī)等糧食輸送設(shè)備動(dòng)力源橫向振動(dòng)荷載計(jì)算公式：Fvx=meω2（4.3.1-1）[5]，其中，m-旋轉(zhuǎn)部件的總質(zhì)量；e-轉(zhuǎn)子質(zhì)心與轉(zhuǎn)軸幾何中心的當(dāng)量偏心距；ω-轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。由此可見，通廊上輸送設(shè)備自身振動(dòng)產(chǎn)生的荷載大小取決于設(shè)備動(dòng)力源的選型和轉(zhuǎn)速，在設(shè)備輸送量確定的同時(shí)就已經(jīng)確定。此種振動(dòng)荷載不能從工藝設(shè)計(jì)和方案選型時(shí)減小，需要在輸送設(shè)備的安裝固定支座進(jìn)行處理，以減輕設(shè)備振動(dòng)向通廊結(jié)構(gòu)主體的傳導(dǎo)。

減輕糧食輸送設(shè)備振動(dòng)的支座處理常用的裝置有：彈簧減震器、橡膠減震器、阻尼減震器、氣囊減震器[6]。

彈簧減震器（圖1）是一種對偏置反應(yīng)敏感的減震裝置，彈簧減震器主要適用于管道和設(shè)施的抗震性。彈簧減震器能高效地減少各種各樣工作頻率的振動(dòng)和晃動(dòng)，但在一定的水平上限定了設(shè)備和管路的一切正常溫度和應(yīng)力變形[7]。同時(shí)，由于彈簧自身具有往復(fù)性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)方案時(shí)要考慮到彈簧減震器對機(jī)構(gòu)的額外振動(dòng)和與設(shè)備的周期共振問題。彈簧減震器其機(jī)構(gòu)簡單，造價(jià)較低。

圖1 彈簧減震器圖

橡膠減震器（圖2）是利用橡膠材料作為減震的元件，因其具有高彈性和高黏性，使得振動(dòng)時(shí)雖然彈性形變很大，但彈性模量很小。依據(jù)沖擊剛度大于動(dòng)剛度大于靜剛度的原則，橡膠材料有利于緩解沖擊變形及動(dòng)態(tài)變形。眾所周知，應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀為橢圓形滯后線，該形狀面積為各個(gè)振動(dòng)周期中轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃康恼衲埽?，可以根?jù)所需目的，通過調(diào)整橡膠配方設(shè)計(jì)硬度滿足減震原件的橡膠材料[8]。在對橡膠進(jìn)行加工時(shí)還可根據(jù)使用要求選擇合適形狀，故橡膠具有可滿足不同方向的剛度及強(qiáng)度等諸多優(yōu)點(diǎn)，也使橡膠成為質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的糧食輸送設(shè)備減震器常用材料，但其抗空氣污染與抗溫轉(zhuǎn)變工作能力較差，受環(huán)境溫度、油、活性氧、陽光和有機(jī)化學(xué)溶液的腐蝕，導(dǎo)致特性變化和老化，容易產(chǎn)生松動(dòng)，使用壽命較短。橡膠減震器其機(jī)構(gòu)和制作工藝簡單，造價(jià)較低。

圖2 橡膠減震器圖

阻尼減震器（圖3）是結(jié)合上述兩種減震器的優(yōu)缺點(diǎn)研制的一種復(fù)合減震器，對阻尼彈簧、橡膠減震墊組合使用，克服其各自缺點(diǎn)，具有復(fù)合隔震降噪、固有頻率低、隔震效果好的特性，對隔離設(shè)備振動(dòng)，尤其是對隔離高頻沖擊的振動(dòng)更為優(yōu)越，是隔震的理想產(chǎn)品。阻尼減振器因?qū)椈蛇M(jìn)行了噴塑處理，具有較佳耐候性，可有效增加使用壽命，且防振效果好。阻尼減振器的頂部、底部均裝有防滑耐磨的橡膠材料和固定螺栓，使其安全性能大大提高，且安裝方便。能夠有效隔離各類輸送設(shè)備的振動(dòng)，整體具有鑄鋼外殼，可延長其使用壽命。因其復(fù)合性能和制作工藝較為復(fù)雜，造價(jià)較高。

圖3 阻尼減震器圖

氣囊減震器（圖4）是一種充氣型減震器，是利用氣壓阻力來防震產(chǎn)品，適用于精密設(shè)備和對振動(dòng)敏感的裝備上的空氣彈簧技術(shù)?？諝鈴椈墒且环N簾線增強(qiáng)的橡膠囊，內(nèi)充壓縮空氣，利用氣體的可壓縮性起彈簧作用的減震橡膠制品，有長枕式、葫蘆式和隔膜式等類型。與金屬彈簧類的減振器相比，具有質(zhì)量輕、舒適性高、耐疲勞、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，且氣囊減震器同時(shí)具有減震和消音雙重作用。其高度、承載能力及剛度均可調(diào)，自身固有振動(dòng)頻率較低，隔絕高頻振動(dòng)及隔噪聲效果好；可利用空氣的阻尼作用，使用壽命較長，但在上述四種減震器中氣囊減震器造價(jià)最高。

圖4 氣囊減震器圖

2.2 防止通廊拼接螺栓松脫方法

橫向風(fēng)振等效風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB／5009-2012 中計(jì)算公式：wLK=gw0μzCL（1+R2L）-2（H.2.2 條）[9]，其各項(xiàng)參數(shù)取值受工程所在地自然條件和通廊本身結(jié)構(gòu)特性決定，室外通廊必然受到橫向風(fēng)振影響。因此，必須采取裝配式通廊連接螺栓的防松脫方法，分類列表如表1。

表1 螺栓防松脫處理方法及適用表

3 不同設(shè)備狀況的處理方法成本分析及優(yōu)選

根據(jù)上述各種減震器的特點(diǎn)，考慮輸送設(shè)備的工作質(zhì)量和自身減震器變形的要求總結(jié)優(yōu)選：吊掛式彈簧減震器適用于輕質(zhì)物料風(fēng)送和液體的輸送管道，選型時(shí)應(yīng)考慮避開設(shè)備與減震器的共振周期；橡膠減震器適用于廠房內(nèi)架空通廊和封閉通廊等不受陽光照射、溫差較小、無腐蝕性大氣環(huán)境等條件的各類糧食輸送設(shè)備；有外殼保護(hù)的阻尼減震器適用于直接室外暴露環(huán)境、有各類排放的室內(nèi)環(huán)境的輸送設(shè)備；氣囊減震器因在糧食輸送設(shè)備使用中性價(jià)比較低，除設(shè)備支座和使用環(huán)境有較高的減震要求外一般不采用。

糧食輸送設(shè)備裝配式通廊緊固螺栓自身防松處理方法選擇：由于通廊全部采用鍍鋅防腐處理，且設(shè)備、通廊等在整體設(shè)備全壽命周期內(nèi)有檢修更換的需要，因此，點(diǎn)焊螺栓的防松處理方法一般不采用；對于重要性連接節(jié)點(diǎn)和裝配后需要封閉處緊固螺栓，因其不易于檢查更換和安全標(biāo)準(zhǔn)高，發(fā)生螺栓松脫后損失巨大等原因，應(yīng)采用機(jī)械防松措施。應(yīng)用于裝配式通廊時(shí)開銷螺栓和開槽螺母配合使用插銷時(shí)會(huì)增加工作量，降低裝配效率，因此，采用高硬度內(nèi)齒止動(dòng)墊片是性價(jià)比較高的優(yōu)選方法；普通的螺栓連接和易于檢查的連接處宜采用摩擦防松處理中自鎖螺母，其裝配簡便、成本低廉，安裝后應(yīng)作防松標(biāo)記，利于后期維護(hù)檢查。

4 結(jié)語

糧食輸送設(shè)備裝配式通廊由于其跨度大、結(jié)構(gòu)自重輕、占地面積小、施工周期短、工業(yè)化程度高、耐久年限長、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)勢，在糧食行業(yè)生產(chǎn)中越來越多地被采用。結(jié)構(gòu)體系本身多采用桁架或剛架結(jié)構(gòu)，其受力計(jì)算已經(jīng)很成熟，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性較高，并且計(jì)算機(jī)制圖軟件的應(yīng)用對結(jié)構(gòu)圖紙分解后易于工廠化加工，其成品裝配誤差小，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，質(zhì)量穩(wěn)定。

現(xiàn)有通廊構(gòu)筑物多采用焊接和緊固螺栓連接，而裝配式通廊結(jié)構(gòu)全部采用緊固螺栓連接?！督ㄖ駝?dòng)荷載標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51228-2017 中對各類設(shè)備按動(dòng)力形式分別給出振動(dòng)荷載的計(jì)算方法，但實(shí)際使用中參建方對通廊在各種應(yīng)用環(huán)境下緊固螺栓防松的影響研究較少。調(diào)查中許多設(shè)備支座直接固定在通廊結(jié)構(gòu)上，使得設(shè)備的振動(dòng)直接傳遞到通廊結(jié)構(gòu)主體；同時(shí)，通廊的裝配螺栓僅采用普通螺栓與螺母連接，無任何防松措施，無后期檢查檢驗(yàn)標(biāo)記且竣工驗(yàn)收時(shí)僅對緊固件的預(yù)緊程度和裝配節(jié)點(diǎn)的表面處理進(jìn)行外觀檢查，也會(huì)忽略螺栓防松措施的影響。各方面的忽視均會(huì)造成通廊緊固件松脫的隱患，大大增加了通廊結(jié)構(gòu)的不安全性和長期使用的不穩(wěn)定性。

本文結(jié)合實(shí)際工作中接觸的糧食行業(yè)輸送設(shè)備特點(diǎn)和使用環(huán)境情況分析，得出相關(guān)的優(yōu)選措施，希望對使用、建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工等各方提供參考方案，同時(shí)，可以對其他行業(yè)的此類結(jié)構(gòu)形式、連接構(gòu)造的處理等提供相關(guān)借鑒。