高強度螺栓在斗輪堆取料機結構中的應用

莊乾霞 趙華志

華電重工股份有限公司

1 引言

斗輪堆取料機屬于大型、連續、高效的散料裝卸機械，廣泛應用于大型散貨碼頭、鋼鐵、水泥、火力發電和礦山等企業的散料輸送系統中，是散料輸送系統的核心[1]。由于運輸過程中的限制，斗輪堆取料機鋼結構經常需解體運輸，到達現場后運用摩擦型高強度螺栓進行連接，因此高強度螺栓的使用對斗輪堆取料機鋼結構而言至關重要。

2 摩擦型高強度螺栓國內外應用標準比較

目前國內外摩擦型高強度螺栓組應用的標準見表1，國內大件鋼結構連接主要使用表1國標GB/T標準的螺栓組，國際上以使用表1中ISO標準的居多[2]。值得注意的是，表1中的各個標準的螺栓所采用的預緊力標準不同，國標采用的預緊力標準與德標DIN標準的螺栓的預緊力相同，德標的預緊力標準為DIN18800-7，而ISO標準的螺栓的預緊力使用的標準為EN 1090-2，與前者比較，螺栓所用的預緊力不一致。

表1 摩擦型高強度螺栓組應用標準

3 摩擦型高強度螺栓的表面處理

高強度螺栓的表面處理目前國內外主要有4種方法：發黑(發藍)、磷化、達克羅、熱浸鋅，熱浸鋅工藝目前不宜用于國標標準的螺栓[3]。4種工藝的特點如下：

發黑是金屬熱處理的一種常用手段，原理是使金屬表面產生一層氧化膜，以隔絕空氣，達到防銹目的。外觀要求不高時可以采用發黑處理，鋼制件的表面發黑處理，也有被稱之為發藍的。

磷化是一種化學與電化學反應形成磷酸鹽化學轉化膜的過程，所形成的磷酸鹽轉化膜稱之為磷化膜。磷化的目的主要是給基體金屬提供保護，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，具有優良的性能，如極強的抗腐蝕性。

熱浸鋅使熔融金屬與鐵基體反應而產生合金層，從而使基體和鍍層二者相結合。熱鍍鋅具有鍍層均勻，附著力強，使用壽命長等優點。

在斗輪堆取料機設備中，目前從使用情況和綜合性價比來看，高強螺栓磷化的表面處理應用較為廣泛；如果設備要求抗腐蝕性能較高時，可采用達克羅，達克羅的經濟成本比較高，但是性能優良；外觀要求不高時可以采用發黑處理；熱浸鋅工藝目前沒有應用到國標標準的高強螺栓中，因為熱浸鋅工藝會降低螺栓的性能等級，同時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螺栓，這就對螺栓材料和工藝方法有一定的要求。

4 摩擦型高強度螺栓連接的布置

螺栓的布置分并列式和錯列式兩種，在斗輪堆取料機的鋼結構中，因設計和工藝簡單，采用并列式布置較多；錯列式布置可以減少對鋼板截面的削弱，從而減少螺栓數目，通常用于型鋼肢寬需要布置2條螺栓線的連接，并列式和錯列式布置見圖1。

圖1 螺栓布置形式

斗輪堆取料機鋼結構以大型工字截面為主，其中蓋板受力主要為拉壓方向，受力相對較大；腹板受力以剪力為主，受力相對較小。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。設計時先確定高強螺栓的直徑大小，根據螺栓直徑大小確定螺栓布置的間距，高強度螺栓的布置間距應符合表2的要求。

表2 高強度螺栓的布置間距標準

表中，d為螺栓孔徑，t為連接板厚度。

5 摩擦型高強度螺栓連接強度的計算

摩擦型高強度螺栓連接是利用高強度螺栓的預拉伸，使被連接構件之間相互壓緊而產生靜摩擦力來傳遞剪力。在斗輪堆取料機設備鋼結構中，以最常見的工字梁鋼結構蓋板連接為例，高強度螺栓連接的強度計算公式為：

Ta=μF/νT

(1)

式中，Ta為單個螺栓所傳遞的剪力，kN；μ為摩擦系數，按鋼結構噴砂處理，一般取0.45；F為螺栓的預緊力，kN；νT為連接的安全系數，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,視螺紋間的摩擦和螺母與墊圈間的摩擦情況而異，當螺栓、螺母和墊圈經皂化、磷化處理時，取C=0.1-0.15,當螺栓、螺母和墊圈未作處理時，取C=0.15-0.2；dt為螺栓的公稱直徑，m；F為螺栓的預緊力，kN。

以堆取料機鋼結構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度螺栓。工字梁的蓋板以受拉或受壓為主，蓋板的螺栓強度校核公式為：

nTa=δSbt/1 000

(3)

式中，n為蓋板連接螺栓的數量；Ta為單個螺栓所傳遞的剪力，kN；δS為蓋板鋼結構材料的拉壓屈服極限應力，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，腹板的螺栓強度校核公式為：

nTa=τSht/1 000

(4)

式中，n為腹板連接螺栓的數量；τS為腹板鋼結構材料的抗剪屈服極限應力，MPa。

以上闡述了堆取料機設備鋼結構中的高強度螺栓連接典型的計算方法，在實際螺栓連接設計中，還需要考慮連接母板開孔后的強度，以及多排螺栓連接時，每排螺栓所受的剪力不同等實際工況，具體可以參考FEMⅡ和其他相關標準。

6 結語

高強度螺栓在大型鋼結構設備設計中普遍采用，以堆取料機的鋼結構設計為例介紹了高強螺栓連接應用的幾個重要方面，可為類似工程案例的高強度螺栓設計計算提供參考。