游樂設(shè)施高強(qiáng)度螺栓的強(qiáng)度校核方法與試驗(yàn)分析

趙九峰，牛妙玉，趙振辭，王振偉，劉 軍

(河南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州 450000)

0 引 言

為了提高游樂設(shè)施的制造、安裝、運(yùn)輸、維修水平及提高生產(chǎn)效率等，游樂設(shè)施在連接裝配中廣泛應(yīng)用螺栓連接。螺栓連接是緊固件連接中最基本的一種結(jié)構(gòu)形式，具有便于標(biāo)準(zhǔn)化大批量生產(chǎn)、構(gòu)造簡(jiǎn)單、便于拆裝、成本低、可互換等優(yōu)點(diǎn)[1]。高強(qiáng)度螺栓是大型游樂設(shè)施重要的連接件，直接影響到游樂設(shè)施的承載能力、使用壽命和安全性能[2]。同時(shí)也是容易發(fā)生失效的地方，螺栓失效的形式為：安裝過程中發(fā)生滑絲、扭斷；游樂設(shè)施運(yùn)行中發(fā)生的螺栓斷裂。螺栓失效甚至?xí)斐稍O(shè)備的倒塌，嚴(yán)重威脅到乘人的生命安全。

2003年6月4日，新疆某公園內(nèi)正在運(yùn)行中的阿拉伯飛毯，由于螺栓斷裂使得軸承蓋脫落，設(shè)備傾斜，導(dǎo)致乘客受傷；2018年7月15日，巴基斯坦卡拉奇一處游樂園的大擺錘在運(yùn)行過程中突然墜落，造成一名8歲女孩死亡、至少11人受傷，事故原因是懸臂高強(qiáng)度螺栓斷裂。

游樂設(shè)施的重要組成部分是鋼結(jié)構(gòu)，在大型鋼結(jié)構(gòu)的連接中，普遍使用高強(qiáng)度螺栓，如觀覽車的支撐結(jié)構(gòu)、搖頭飛椅的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等。因此，在游樂設(shè)施的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，需對(duì)連接部位的高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行精確的計(jì)算，以保證游樂設(shè)施運(yùn)行的安全性和可靠性。

1 螺栓工作拉力

1.1 高強(qiáng)度螺栓載荷分析

高強(qiáng)度螺栓依靠預(yù)緊力，使連接件之間壓緊產(chǎn)生靜摩擦力來傳遞外力，外力作用下，螺栓桿與孔壁并不接觸，連接的承載能力取決于鏈結(jié)構(gòu)件接觸面間摩擦力的大小，應(yīng)力流通過接觸面平順傳遞，無應(yīng)力集中現(xiàn)象，其承載能力的極限狀態(tài)是接觸面開始發(fā)生剪切滑動(dòng)，由于高強(qiáng)度螺栓不受剪切和擠壓，所以高強(qiáng)度螺栓本身不會(huì)發(fā)生疲勞破壞，故無需驗(yàn)證高強(qiáng)度螺栓的疲勞強(qiáng)度[3]。

大型游樂設(shè)施運(yùn)行中承受著各種沖擊載荷，承受沖擊載荷的鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度螺栓不宜直接承受剪切力[4]，因此游樂設(shè)施用高強(qiáng)度螺栓僅需校核拉伸應(yīng)力，即僅需考慮軸向載荷。

游樂設(shè)施高強(qiáng)度連接螺栓，在螺栓軸向通常受到2種工作載荷：彎矩M對(duì)單個(gè)螺栓產(chǎn)生的最大工作拉力Fa，設(shè)備自重、運(yùn)行載荷等對(duì)單個(gè)螺栓產(chǎn)生的軸向工作載荷Fb。因此，高強(qiáng)度連接螺栓的總工作拉力：

Fl=Fa±Fb

(1)

式中：正號(hào)表示軸向力受拉，負(fù)號(hào)表示軸向力受壓。

因此高強(qiáng)度螺栓的外拉力Fl必須小于預(yù)緊力F0，確保連接件在M作用下，其連接面始終保持緊密貼合。

1.2 彎矩產(chǎn)生的工作拉力

當(dāng)高強(qiáng)度螺栓群受到彎矩M時(shí)，一側(cè)受壓，另一側(cè)受拉，受壓一側(cè)依靠零部件相互擠壓承載，受拉一側(cè)依靠高強(qiáng)度螺栓自身的強(qiáng)度承載，受壓區(qū)與受拉區(qū)的交線為中性軸，可按照中性軸位于螺栓群重心軸線來計(jì)算，即每個(gè)螺栓受到的拉力F與螺栓到中性軸的距離R成正比，可知距中性軸最遠(yuǎn)的螺栓受到的彎矩產(chǎn)生的工作拉力最大[5]。螺栓群的力學(xué)模型如圖1所示，根據(jù)線性關(guān)系可得：

(2)

式中：n為受拉區(qū)螺栓的個(gè)數(shù)。

圖1 螺栓群力學(xué)模型

根據(jù)力矩平衡條件可得[6]：

M=F1R1+F2R2+…+FnRn

(3)

由公式(3)可得，彎矩M對(duì)單個(gè)螺栓產(chǎn)生的最大工作拉力Fa[7]：

(4)

1.3 總工作拉力

游樂設(shè)施運(yùn)行過程中，在設(shè)備自重和運(yùn)行載荷作用下，沿螺栓連接面法向產(chǎn)生軸向力FN。在立柱連接螺栓面上會(huì)產(chǎn)生擠壓的軸向力，如海盜船、大擺錘、摩天輪立柱連接法蘭部位；在擺臂連接螺栓面會(huì)產(chǎn)生拉伸的軸向力，如大擺錘的懸臂連接法蘭部位。則設(shè)備自重和運(yùn)行載荷產(chǎn)生的工作拉力：

(5)

式中：n0為螺栓的總數(shù)。

高強(qiáng)度連接螺栓的總工作拉力：

(6)

2 螺栓總拉力

高強(qiáng)度螺栓承受預(yù)緊力和工作拉力，螺栓承受的總拉力并不等于預(yù)緊力和工作拉力之和。螺栓的總拉力Fz除和預(yù)緊力F0、工作拉力Fl有關(guān)外，還受到螺栓剛度及被連接件剛度等因素的影響[3]，螺栓的總拉力：

Fz=F0+γFl

(7)

式中：γ為螺栓的相對(duì)剛度，金屬墊片(或無墊片)0.2～0.3[3]，取值0.25。

則在總拉力的作用下，還需增加30%以考慮扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力影響，于是螺栓危險(xiǎn)截面的計(jì)算應(yīng)力為：

(8)

式中：d為螺栓有效直徑。

螺栓危險(xiǎn)截面的拉伸強(qiáng)度條件為：

σca≤[σ]

(9)

式中：[σ]為螺栓材料的許用應(yīng)力，安全系數(shù)取1.2[3]，則10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓為750 MPa，8.8級(jí)高強(qiáng)度螺栓為533 MPa。

3 實(shí)例計(jì)算

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，游樂設(shè)施在人們?nèi)粘Ｉ畹阮I(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，海盜船是一種觀覽車類游藝機(jī)，是一種繞水平軸往復(fù)擺動(dòng)的游樂項(xiàng)目。“海盜船”因?yàn)槠渫庑畏鹿糯１I船而得名，主要由立柱、船體、驅(qū)動(dòng)部件和護(hù)欄等部件組成，設(shè)備簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 海盜船設(shè)備簡(jiǎn)圖1.立柱 2.船體 3.護(hù)欄 4.驅(qū)動(dòng)部件

以24座海盜船為計(jì)算對(duì)象，海盜船有4根立柱，立柱上下兩節(jié)用法蘭連接，法蘭結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，受拉側(cè)4個(gè)螺栓(R1=388 mm，R2=161 mm)。每根立柱有8組M16(8.8級(jí)，有效直徑d=14 mm)的高強(qiáng)度螺栓連接，螺栓的預(yù)緊力F0=35.5 kN。考慮自重和運(yùn)行載荷的影響，法蘭部位的軸向力FN=3.2 kN(受壓)，彎矩M=20 kN·m，校核高強(qiáng)度螺栓的強(qiáng)度。

圖3 海盜船立柱連接法蘭

由公式(4)計(jì)算彎矩M產(chǎn)生的最大工作拉力：

由公式(5)計(jì)算單個(gè)螺栓的軸向力(受壓)：

由公式(1)計(jì)算單個(gè)螺栓的總工作拉力：

Fl=22-0.4=21.6 (kN)

總工作拉力21.6 kN小于預(yù)緊力35.5 kN，表明海盜船立柱法蘭連接面始終保持緊密貼合。

由公式(7)計(jì)算單個(gè)螺栓的總拉力：

Fz=35.5+0.25×21.6=40.9 (kN)

由公式(8)計(jì)算單個(gè)螺栓的計(jì)算應(yīng)力：

計(jì)算應(yīng)力345 MPa小于許用應(yīng)力533 MPa，結(jié)果表明，海盜船立柱連接高強(qiáng)度螺栓滿足應(yīng)力強(qiáng)度的條件。

4 結(jié) 語

大型游樂設(shè)施連接用高強(qiáng)度螺栓的計(jì)算精確與否，關(guān)系到游樂設(shè)施的安全運(yùn)營(yíng)和乘人的生命安全[8]。根據(jù)工程力學(xué)理論，通過力矩平衡原理，對(duì)螺栓最大工作拉力的計(jì)算公式進(jìn)行詳細(xì)推導(dǎo)，給出了高強(qiáng)度螺栓應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算和校核評(píng)價(jià)方法，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行計(jì)算，最終得出海盜船立柱連接高強(qiáng)度螺栓的計(jì)算應(yīng)力。其計(jì)算方法和結(jié)果可為游樂設(shè)施高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)力計(jì)算和校核評(píng)價(jià)提供了參考，對(duì)于提高設(shè)計(jì)能力具有現(xiàn)實(shí)意義。