高強度螺栓緊固技術在采煤機中的應用研究

趙友軍，李鈺

（1.西安煤礦機械有限公司，陜西西安710032；2.西安科技大學機械工程學院，陜西西安710054）

高強度螺栓緊固技術在采煤機中的應用研究

趙友軍1，2，李鈺1

（1.西安煤礦機械有限公司，陜西西安710032；2.西安科技大學機械工程學院，陜西西安710054）

煤礦井下采掘機械承受交變載荷和振動非常嚴重，對螺紋緊固件擰緊性能有很大影響。研究當前電牽引采煤機分段式機身的螺栓緊固技術，通過螺栓緊固基本原理分析，建立了扭轉力矩和預緊力數學模型，對高強度螺栓扭矩力矩控制法、大直徑高強度螺栓液壓緊固和超級螺母緊固法的特點、工作原理和擰緊性能進行對比，給出了采煤機等重型機械高強度螺栓緊固的依據和建議。研究對提升采煤機機身螺栓緊固的可靠性具有重要意義。

采煤機；高強度螺栓；扭轉力矩控制；液壓螺母

為高強度螺栓提供適當的預緊力是一項艱巨的工作，不同行業領域或特定的應用環境相應選擇不同的緊固技術[1]。目前煤機行業，主流采煤機多采用分段式橫向機身布置，機身主要由牽引部、行走箱、電控箱等部件組成。采煤機工作過程中承受較大交變載荷和振動，特別是在割矸石、過斷層期間，極易導致螺紋緊固件擰緊性能下降。如果由高強度螺栓連接的大部件間產生松動，有可能導致嚴重安全事故。因此對采煤機用高強度螺栓緊固技術的研究十分必要。

1　螺栓緊固理論

根據GB/T 16823.2-1997《螺紋緊固件緊固通則》，為確保螺紋連接體的可靠性，實現其設計功能，預緊力應由實際使用條件和強度計算決定。預緊力的下限值須保證被連接件在工作過程中始終可靠貼合；預緊力的上限則由螺栓、螺母和被連接件的強度決定，保證螺栓及被連接件在預緊和工作過程中，不會發生拉長、剪斷和疲勞斷裂等破壞，典型的設計標準是螺栓的預緊力上限不超過屈服強度的90%.在安裝使用中，選取適當的擰緊方法并準確控制緊固力矩十分必要。扭矩力矩控制是最常用的緊固方法之一，根據力偶平衡條件可推導出扭-拉關系式，從而確定擰緊力矩的大小，并進一步得到扭矩系數k的表達式[5]。

式中，d為螺紋公稱直徑；F0為預緊力；K為擰緊力矩系數；T為擰緊力矩。

式中，d2為螺紋中徑；φ為螺紋升角；ρv為螺紋當量摩擦角；μ為螺母與被聯接件支承面間的摩擦因數；DW為支承面摩擦扭矩的等效直徑；d0為接觸的支承面內徑。

2　高強度螺栓扭轉力矩控制

采煤機結構復雜，工作環境惡劣，要求各連接件間的緊固螺栓具有較高的緊固性能。螺栓連接預緊力越大，其承載能力就越大，接頭的效率也就越高。高強度螺栓屈服強度高，且具有較高的預緊力[3]。如某高強度螺栓8.8級產品的屈服點可達640 N/mm2.經SPS-安布內科橫向振動試驗機的防松振動試驗結果顯示，當螺栓軸向預緊力由0.25 δs增加到0.45 δs時，防松效果提高13.2倍[4]。當預緊力達到0.75 δs時防松效果還將大大提高。

近年伴隨國內鑄造水平及熱處理水平提升，作為螺紋連接基體材料的采煤機殼體材料性能顯著提高。如殼體韌性達140 J/cm2，提高近100%，使高強度螺栓的材料強度可以得到充分利用，螺栓預緊力得以大幅提高。

目前采煤機各連接件間的高強度螺栓連接尤其螺栓尺寸在M24以上的螺栓連接多采用扭轉力矩控制，即給定螺栓緊固力矩，并為螺栓緊固提供明確操作規范。如某搖臂行星頭M27×765、12.9級高強度螺栓，設計安裝扭轉力矩為1533 N·m，按四部緊固法進行緊固。第一次為初擰，擰緊力矩一般不少于安裝力矩的30%；第二次緊固力矩為安裝扭矩的70%；第三次緊固力矩為100%安裝擰緊力矩；第四次為檢查緊固，以最終擰緊力矩檢查所有緊固螺栓。其余關鍵連接位置高強度螺栓亦標明安裝扭轉力矩要求，并在相關操作規范中，明確緊固細則。

通過扭轉力矩控制，緊固高強度螺栓方便、有效，但螺栓僅能承受最大屈服強度的70%，另外30%左右會因為緊固扭力產生的扭轉應力而丟失[6]。

3　液壓螺母緊固

液壓螺母完全改變了傳統的螺紋緊固方式，把傳統的扭矩鎖緊改為軸向拉伸鎖緊，即是用液壓螺母借助于超高壓油泵的動力，將緊固螺栓軸向拉長，接近材料的屈服點，利用材料自身的彈性將螺紋鎖緊。根據預緊力產生原則的不同，螺栓緊固可分為旋轉緊固法（如扭轉力矩控制，通過旋轉預緊器直接產生預緊力）和預緊法（如液壓法，不使用預緊器緊固螺栓，而是通過外力直接將螺栓扣緊）。而液壓高強度螺栓采用的是預緊法來緊固螺栓。

液壓螺母是國外90年代發展起來的一種新型強力緊固元件，經過幾年的發展已經廣泛應用于煤礦、發電、石油、冶金、航空及化工等眾多重型機械領域。煤礦機械中的采煤機既要滿足向井下運輸的需要，又要滿足各部件之間的連接可靠性，還要滿足經常維修而進行的拆裝需要，采用液壓螺母就可以很輕松地實現大型設備各箱體之間的可靠連接并確保設備在正常工作中不松動地使用安全性。目前國內新型液壓防松螺母已研制成功，并在采煤機的應用中得到了實踐驗證，效果很好。

如圖1所示為液壓防松螺母的內部結構，它由一個帶螺母的缸體、塞體、螺環（鎖緊背帽）和組合密封等組成，塞體上裝有最大可承受200 MPa工作壓力的超高壓密封，液壓螺母內的缸體注入高壓油后，推動螺母缸體向拉緊螺栓的方向移動，使螺栓產生彈性變形而被撥長，與螺環之間產生一個間隙（即彈性變形量），此時螺環向缸體側擰緊，貼緊缸體螺母，使間隙消失，然后撤去壓力油，阻止螺桿不能回縮，從而達到了高預緊力鎖緊的防松效果[7]。

圖1　液壓螺母工作原理

液壓螺母通過控制液壓油的壓力產生相應大小的預緊力，防止工作時出現超載或預緊力不足的情況，同時螺栓聯接組的所有螺栓被均勻壓緊至被聯接件。所以，緊固件不會出現傾斜、翹曲等現象，從而影響預緊力的真實值，大大提高了緊固件在振動工況條件下的可靠性。由于采煤機受井下工作面空間限制，很多機體部位不能用長套管扳手鎖緊，而常規旋轉緊固法需要有足夠操作空間，且工作中大部分的扭轉力用于克服摩擦力（高達90%），鎖緊大直徑螺母時效率很低，常常達不到預緊力要求。所以，采煤機使用液壓螺母可以在狹窄空間中有效地鎖緊緊固件，且操作簡便、安全系數高。

4　超級螺母緊固

預緊法緊固采煤機高強度螺栓，除用液壓螺母外，Superbolt超級螺母緊固也逐漸成為一種趨勢[8]。

超級螺母由一個帶著多個頂推螺栓的圓形螺母和超硬墊片組成，如圖2所示。工作前，先將硬墊片套入螺桿，再將圓螺母沿螺桿螺紋方向擰下，接觸到硬墊片即可。擰緊時，按照操作規程用手動扳手擰緊頂緊螺釘。超級螺母將緊固力分散在多個頂推螺栓上，頂推螺栓直徑小，所需扭轉力矩小，但數量多，集中起來產生強大推力合力作用在硬墊片上，同時緊固件螺桿上也產生了一個同等的反作用力。如當緊固一個直徑101.6 mm（4英寸），螺距為8TPI的螺栓時，其預緊力為310 MPa，當采用普通螺母緊固時，所需緊固力矩為41.55k N·m，當使用超級螺母時，則僅需296 N·m.

圖2　超級螺母工作原理

液壓螺母緊固當液壓力消失后，螺栓將迅速回彈并扣緊螺母。因此約有三分之一的載荷會損失。螺栓僅能使用其屈服強度的66%，對于尺寸較長螺栓，該數值可增加至80%.而超級螺母預緊時不會產生不良扭轉應力或螺栓回彈力，螺栓可使用屈服強度的90%.超級螺母在汽輪機和化學反應器等行業廣泛應用，操作簡單、便于維護，并以超長無故障使用周期充分證明了其可靠性，但其價格較高。如圖3所示。

圖3　采煤機搖臂部超級螺母緊固

5　結束語

本文依據采煤機實際使用工況，介紹了幾種高強度螺栓緊固技術。在對螺栓緊固原理進行分析的基礎上，說明扭矩力矩控制法中預緊力和扭轉力矩的關系。并以此為依據，為實際使用中高強度螺栓緊固力矩的選擇和控制提供理論依據。當高強度螺栓直徑達M39以上，應用扭轉力矩控制預緊力轉化率僅為70%，選用液壓螺母、超級螺母的預緊力控制法控制高強度螺栓預緊力，經實踐檢驗，具有良好緊固效果。

[1]D A Barsness.Unlocking the Secrets of Thread-Locking[J]. Assembly Engineering.1990，33（1）：20-25.

[2]吳肇峰，王斌武，蘇慶勇.聯接振動機械螺栓的選材與強化[J].林業機械與木工設備，2004，（1）：35-40.

[3]王伯琴，陳錄如，陳先峰．高強度螺栓連接[M]．北京:冶金工業出版社，1991．

[4]穆金祿，胡貴瓊．高強度螺栓的安全度[J].橋梁建設，1996，（8）：20-24．

[5]成大先．機械設計手冊：聯接與緊固[M]．北京：化學工業出版社，2004：54-59．

High Strength Bolts Fastening Technology Used in Shearer

ZHAO You-jun1，2，LI Jue1
（1.Xi’an Coal Mining Machinery Co.，Ltd.，Shaanxi Xi’an 710032，China；2.School of Mechanical Engineering，Xi’an University of Science and echnology，Shaanxi Xi’an 710054，China）

Cyclic loading and vibration of mining machinery working underground in coal mine is very serious.It has a great influence on tighten performance of threaded fastener.In this paper，we researched the current bolt fastening technology in sectional fuselage of electric haulage shearer.After analysis of the basic principle of bolts，the mathematical model of the torque and the pre-tightening force was established.Then three fastening technology were compared from the structural features，the working principle and the tight performance.The technology include high strength bolt torque control，hydraulic fastening and super large diameter high strength bolt nut fastening method Finally，the suggestion for high strength bolts fastening were given to heavy machinery such as Shearer.This work has a great significance in enhancing the reliability of shearer’s body tight.

shearer；high-strength bolt；torque control；hydraulic nut

TD421

A

1672-545X（2016）10-0132-03

2016-07-15

趙友軍（1971-），男，陜西渭南人，在讀碩士，高級工程師，研究方向:機械制造及采煤機械。