高强度螺栓在斗轮堆取料机结构中的应用

庄乾霞 赵华志

华电重工股份有限公司

1 引言

斗轮堆取料机属于大型、连续、高效的散料装卸机械，广泛应用于大型散货码头、钢铁、水泥、火力发电和矿山等企业的散料输送系统中，是散料输送系统的核心[1]。由于运输过程中的限制，斗轮堆取料机钢结构经常需解体运输，到达现场后运用摩擦型高强度螺栓进行连接，因此高强度螺栓的使用对斗轮堆取料机钢结构而言至关重要。

2 摩擦型高强度螺栓国内外应用标准比较

目前国内外摩擦型高强度螺栓组应用的标准见表1，国内大件钢结构连接主要使用表1国标GB/T标准的螺栓组，国际上以使用表1中ISO标准的居多[2]。值得注意的是，表1中的各个标准的螺栓所采用的预紧力标准不同，国标采用的预紧力标准与德标DIN标准的螺栓的预紧力相同，德标的预紧力标准为DIN18800-7，而ISO标准的螺栓的预紧力使用的标准为EN 1090-2，与前者比较，螺栓所用的预紧力不一致。

表1 摩擦型高强度螺栓组应用标准

3 摩擦型高强度螺栓的表面处理

高强度螺栓的表面处理目前国内外主要有4种方法：发黑(发蓝)、磷化、达克罗、热浸锌，热浸锌工艺目前不宜用于国标标准的螺栓[3]。4种工艺的特点如下：

发黑是金属热处理的一种常用手段，原理是使金属表面产生一层氧化膜，以隔绝空气，达到防锈目的。外观要求不高时可以采用发黑处理，钢制件的表面发黑处理，也有被称之为发蓝的。

磷化是一种化学与电化学反应形成磷酸盐化学转化膜的过程，所形成的磷酸盐转化膜称之为磷化膜。磷化的目的主要是给基体金属提供保护，在一定程度上防止金属被腐蚀；用于涂漆前打底，提高漆膜层的附着力与防腐蚀能力，在金属冷加工工艺中起减摩润滑使用。

达克罗涂层外观为均匀的银灰色，涂层中含有80%的薄锌片和铝片，其余为铬酸盐，具有优良的性能，如极强的抗腐蚀性。

热浸锌使熔融金属与铁基体反应而产生合金层，从而使基体和镀层二者相结合。热镀锌具有镀层均匀，附着力强，使用寿命长等优点。

在斗轮堆取料机设备中，目前从使用情况和综合性价比来看，高强螺栓磷化的表面处理应用较为广泛；如果设备要求抗腐蚀性能较高时，可采用达克罗，达克罗的经济成本比较高，但是性能优良；外观要求不高时可以采用发黑处理；热浸锌工艺目前没有应用到国标标准的高强螺栓中，因为热浸锌工艺会降低螺栓的性能等级，同时影响螺栓的外形尺寸。在国外，目前有使用热浸锌表面处理的高强螺栓，这就对螺栓材料和工艺方法有一定的要求。

4 摩擦型高强度螺栓连接的布置

螺栓的布置分并列式和错列式两种，在斗轮堆取料机的钢结构中，因设计和工艺简单，采用并列式布置较多；错列式布置可以减少对钢板截面的削弱，从而减少螺栓数目，通常用于型钢肢宽需要布置2条螺栓线的连接，并列式和错列式布置见图1。

图1 螺栓布置形式

斗轮堆取料机钢结构以大型工字截面为主，其中盖板受力主要为拉压方向，受力相对较大；腹板受力以剪力为主，受力相对较小。因此盖板多采用3排螺栓连接形式，腹板一般采用2排螺栓连接形式，可满足受力要求。设计时先确定高强螺栓的直径大小，根据螺栓直径大小确定螺栓布置的间距，高强度螺栓的布置间距应符合表2的要求。

表2 高强度螺栓的布置间距标准

表中，d为螺栓孔径，t为连接板厚度。

5 摩擦型高强度螺栓连接强度的计算

摩擦型高强度螺栓连接是利用高强度螺栓的预拉伸，使被连接构件之间相互压紧而产生静摩擦力来传递剪力。在斗轮堆取料机设备钢结构中，以最常见的工字梁钢结构盖板连接为例，高强度螺栓连接的强度计算公式为：

Ta=μF/νT

(1)

式中，Ta为单个螺栓所传递的剪力，kN；μ为摩擦系数，按钢结构喷砂处理，一般取0.45；F为螺栓的预紧力，kN；νT为连接的安全系数，一类工况νT取1.4，二类工况νT取1.25，三类工况νT取1.1。

螺栓的扭紧力矩公式如下：

Ma=1.1CdtF

(2)

式中，Ma为螺栓的扭紧力矩，kNm；C为连接的扭矩系数,视螺纹间的摩擦和螺母与垫圈间的摩擦情况而异，当螺栓、螺母和垫圈经皂化、磷化处理时，取C=0.1-0.15,当螺栓、螺母和垫圈未作处理时，取C=0.15-0.2；dt为螺栓的公称直径，m；F为螺栓的预紧力，kN。

以堆取料机钢结构常用的工字型截面梁为例，在梁的盖板和腹板分段连接处布置高强度螺栓。工字梁的盖板以受拉或受压为主，盖板的螺栓强度校核公式为：

nTa=δSbt/1 000

(3)

式中，n为盖板连接螺栓的数量；Ta为单个螺栓所传递的剪力，kN；δS为盖板钢结构材料的拉压屈服极限应力，MPa；b为盖板的宽度；t为盖板的厚度。

不同于工字梁的盖板，工字梁的腹板以受剪力为主，腹板的螺栓强度校核公式为：

nTa=τSht/1 000

(4)

式中，n为腹板连接螺栓的数量；τS为腹板钢结构材料的抗剪屈服极限应力，MPa。

以上阐述了堆取料机设备钢结构中的高强度螺栓连接典型的计算方法，在实际螺栓连接设计中，还需要考虑连接母板开孔后的强度，以及多排螺栓连接时，每排螺栓所受的剪力不同等实际工况，具体可以参考FEMⅡ和其他相关标准。

6 结语

高强度螺栓在大型钢结构设备设计中普遍采用，以堆取料机的钢结构设计为例介绍了高强螺栓连接应用的几个重要方面，可为类似工程案例的高强度螺栓设计计算提供参考。