糧食輸送設備裝配式通廊的螺栓防松脫處理成本分析及優選

◎單 良，鮑小義，王長鳳，王玲玲，尹鴻翔

（中糧工科迎春農牧機械（山東）有限公司，山東 東營 257092）

糧食的存儲、流通、生產加工等行業在轉運中都會使用到輸送設備。工藝設計時,需要綜合考慮項目的車流道路、工藝單元銜接、管道避讓、凈空高度、消防間距等問題，輸送設備常采用架空裝配式通廊設計方式。現階段，隨著BIM 等鋼結構的交互設計軟件應用越來越廣泛，糧食輸送設備裝配式通廊工廠預制化生產加工方式越來越多地代替了現場焊接的生產加工方式。糧食輸送設備裝配式通廊工廠預制化生產加工方式因其具有綠色環保、材料利用率高、構件標準化生產速度快、表面防腐處理等級高、耐久年限長、質量更穩定等特點，逐漸占據相關行業的優勢地位。

在實際工程應用中，糧食輸送設備裝配式通廊的構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目和改擴建項目的招標要求均被明確提出。但是，我們注意到，普通螺栓由于其表面處理后，緊固時的螺紋界面摩擦系數基本不隨大氣暴露的時間延長而增大，同時，輸送設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產生。因此，裝配式通廊在工作狀態中裝配螺栓的松動問題變得更為突出，需要采用結合設備支座減震處理和螺栓的防松處理等方法。

1 糧食輸送設備裝配式通廊連接螺栓松動成因分析

螺栓松動是指螺栓在連接時沿軸線方向的預緊力降低，從而導致螺栓失效，也是螺栓失效的重要表現形式之一。雖然螺栓的螺紋可以達到自鎖的條件，也有摩擦力的存在，但是松動現象還是會出現。造成松動的原因分析如下：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，連接將不會發生松動。變荷載、沖擊和振動是造成松動的重要原因。許多緊固件被用在有沖擊或者振動的環境下，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大幅降低，有時甚至產生摩擦力瞬間消失的情況，從而破壞了整個連接系統原有的力平衡，導致螺紋副難以達到自鎖條件，從而出現微量滑動的現象。在緊螺母方向發生位移要比在較松螺母方向發生位移克服更多的阻力，所以滑動發生在緊螺母方向上的可能性較小，這樣反復滑動從而會導致螺栓發生松動。此外，螺栓與被連接的零件在較大應力的作用下會發生變形，螺栓相互接觸面（如各支承面、螺紋牙側面、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，使局部發生塑性變形，且在構件使用過程中已發生的塑性形變可能會繼續發展，導致連接預緊力持續下降，最終致使連接副的嚙合面正壓力降低，減弱自鎖性能，同時在外部環境的作用下，松動速度加快[1]。

摩擦力的穩定存在是使螺栓一直保持擰緊狀態的關鍵因素，螺紋嚙合面及螺帽承力面的擰緊力矩受摩擦力的影響，進而影響擰緊力矩產生的軸向應變引起的預緊力。當螺帽擰緊到螺栓上后，摩擦力的存在是阻止螺母旋轉松脫的根本原因。所以，摩擦力的存在是螺栓防松的基本因素，而通過共振狀態下的螺栓預緊力松弛試驗探究螺栓松動過程，結合螺紋嚙合面的掃描電鏡形貌圖可以分析摩擦系數對松動過程的影響，同時解析摩擦系數變化的微觀原因[2]。

學者們結合理論、有限元仿真研究總結了橫向振動下螺栓臨界松動的規律，并通過試驗驗證了仿真結果的可靠性[3]。結果顯示：一是周期性的橫向振動是導致螺栓旋轉松動的主要載荷形式，而橫向振動條件下螺紋面和端面的局部滑移累積則是產生螺栓旋轉松動的主要形式。橫向振動的位移幅值越大，螺栓松動越快，但存在一個臨界位移，根據胡陽等[4]的研究成果明顯界限振幅為0.2 mm，振幅小于0.2 mm 時，夾緊力僅因塑性變形形變而少量衰減，不會失效；振幅高于0.2 mm 時，螺栓發生旋轉松動，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過程影響較小，縱向振動幾乎不會產生旋轉松動，扭轉振動必須在滿足條件時才會導致螺栓旋轉松動，而由于彎曲振動導致的旋轉松動在本質上類似于橫向振動，即被連接件與連接件間產生了橫向相對滑移。三是連續的沖擊載荷可能導致嚴重的旋轉松動產生，被連接件和連接件二者材料的熱膨脹系數相差較大時，交變溫度載荷也將誘發明顯的旋轉松動[4]。

綜上所述，產生螺栓松動的主要原因是螺栓預緊力降低和螺紋接觸面摩擦力降低，而造成上述兩項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。

2 減輕振動傳導和減少螺栓松動的方法

實際中能引起通廊橫向往復位移的振動源包括設備的振動傳導和通廊自身受到橫向風振。

2.1 減輕設備振動傳導

設備的振動荷載根據《建筑振動荷載標準》GB/T51228-2017 中對鼓風機、離心泵、電動機等糧食輸送設備動力源橫向振動荷載計算公式：Fvx=meω2（4.3.1-1）[5]，其中，m-旋轉部件的總質量；e-轉子質心與轉軸幾何中心的當量偏心距；ω-轉子轉動的角速度。由此可見，通廊上輸送設備自身振動產生的荷載大小取決于設備動力源的選型和轉速，在設備輸送量確定的同時就已經確定。此種振動荷載不能從工藝設計和方案選型時減小，需要在輸送設備的安裝固定支座進行處理，以減輕設備振動向通廊結構主體的傳導。

減輕糧食輸送設備振動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）是一種對偏置反應敏感的減震裝置，彈簧減震器主要適用于管道和設施的抗震性。彈簧減震器能高效地減少各種各樣工作頻率的振動和晃動，但在一定的水平上限定了設備和管路的一切正常溫度和應力變形[7]。同時，由于彈簧自身具有往復性的特點，設計方案時要考慮到彈簧減震器對機構的額外振動和與設備的周期共振問題。彈簧減震器其機構簡單，造價較低。

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，使得振動時雖然彈性形變很大，但彈性模量很小。依據沖擊剛度大于動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態變形。眾所周知，應力-應變曲線形狀為橢圓形滯后線，該形狀面積為各個振動周期中轉變為熱量的振能，所以，可以根據所需目的，通過調整橡膠配方設計硬度滿足減震原件的橡膠材料[8]。在對橡膠進行加工時還可根據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度等諸多優點，也使橡膠成為質優價廉的糧食輸送設備減震器常用材料，但其抗空氣污染與抗溫轉變工作能力較差，受環境溫度、油、活性氧、陽光和有機化學溶液的腐蝕，導致特性變化和老化，容易產生松動，使用壽命較短。橡膠減震器其機構和制作工藝簡單，造價較低。

圖2 橡膠減震器圖

阻尼減震器（圖3）是結合上述兩種減震器的優缺點研制的一種復合減震器，對阻尼彈簧、橡膠減震墊組合使用，克服其各自缺點，具有復合隔震降噪、固有頻率低、隔震效果好的特性，對隔離設備振動，尤其是對隔離高頻沖擊的振動更為優越，是隔震的理想產品。阻尼減振器因對彈簧進行了噴塑處理，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備的振動，整體具有鑄鋼外殼，可延長其使用壽命。因其復合性能和制作工藝較為復雜，造價較高。

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品，適用于精密設備和對振動敏感的裝備上的空氣彈簧技術。空氣彈簧是一種簾線增強的橡膠囊，內充壓縮空氣，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，具有質量輕、舒適性高、耐疲勞、使用壽命長等優點，且氣囊減震器同時具有減震和消音雙重作用。其高度、承載能力及剛度均可調，自身固有振動頻率較低，隔絕高頻振動及隔噪聲效果好；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

橫向風振等效風荷載標準值根據《建筑結構荷載規范》GB／5009-2012 中計算公式：wLK=gw0μzCL（1+R2L）-2（H.2.2 條）[9]，其各項參數取值受工程所在地自然條件和通廊本身結構特性決定，室外通廊必然受到橫向風振影響。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 不同設備狀況的處理方法成本分析及優選

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

糧食輸送設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，且設備、通廊等在整體設備全壽命周期內有檢修更換的需要，因此，點焊螺栓的防松處理方法一般不采用；對于重要性連接節點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準高，發生螺栓松脫后損失巨大等原因，應采用機械防松措施。應用于裝配式通廊時開銷螺栓和開槽螺母配合使用插銷時會增加工作量，降低裝配效率，因此，采用高硬度內齒止動墊片是性價比較高的優選方法；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，安裝后應作防松標記，利于后期維護檢查。

4 結語

糧食輸送設備裝配式通廊由于其跨度大、結構自重輕、占地面積小、施工周期短、工業化程度高、耐久年限長、綠色環保等諸多優勢，在糧食行業生產中越來越多地被采用。結構體系本身多采用桁架或剛架結構，其受力計算已經很成熟，結構設計的安全性較高，并且計算機制圖軟件的應用對結構圖紙分解后易于工廠化加工，其成品裝配誤差小，標準化程度高，質量穩定。

現有通廊構筑物多采用焊接和緊固螺栓連接，而裝配式通廊結構全部采用緊固螺栓連接。《建筑振動荷載標準》GB/T 51228-2017 中對各類設備按動力形式分別給出振動荷載的計算方法，但實際使用中參建方對通廊在各種應用環境下緊固螺栓防松的影響研究較少。調查中許多設備支座直接固定在通廊結構上，使得設備的振動直接傳遞到通廊結構主體；同時，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，無后期檢查檢驗標記且竣工驗收時僅對緊固件的預緊程度和裝配節點的表面處理進行外觀檢查，也會忽略螺栓防松措施的影響。各方面的忽視均會造成通廊緊固件松脫的隱患，大大增加了通廊結構的不安全性和長期使用的不穩定性。

本文結合實際工作中接觸的糧食行業輸送設備特點和使用環境情況分析，得出相關的優選措施，希望對使用、建設、設計、施工等各方提供參考方案，同時，可以對其他行業的此類結構形式、連接構造的處理等提供相關借鑒。