大型箕斗大六角高强螺栓节点的分析与应用.pdf

丝 机 械 2 0 0 4年第 1 0 期 日 试验 研 究 钮 文 章编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 4 1 0 ． 0 0 2 0 0 6 大 型箕 斗大 六角高强螺栓节点 的分析与应 用 刘 春峰 ，李修 虔 ，董 金存’ ，崔风禄 ，张志 ，范 贵喜’ 。刘 金生 ，韩 延伟 1 ． 山东 煤矿 泰安 机械 厂 ，山东 泰 安 2 7 1 0 0 0 ；2 ． 枣庄矿 业集 团公 司 ，山东 枣庄 2 7 7 0 0 0 ； 3 ． 潞 安矿 业集 团公 司 ，山西 长治 O 4 6 4 0 4 ；4 ． 开滦 矿业集 团公 司 ，河北 唐 山 0 6 3 0 1 8 摘要 详 细分析 大六 角头 高强螺栓联接的主要 特点 ， 并将 其用 于大型提 煤箕斗设 计和 实践 后 ， 总结提 升容 器联接节点按承压型设计 时， 安全 系数 不小于煤矿安 全规程规 定的 1 3 ， 同时将 接点 按 摩擦型 高强螺栓设 计 时， 安全 系数应 不小于 4这个设计原 则 ． 对设计和制造 大型箕斗或罐笼 有相 当的 指 导 意 义 。 关键词 大六 角头高强螺栓 ；承压型 ；摩擦 型 ；间歇加 载 中 图 号 T H1 3 1 文 献 标 识 码 A 1 引言 很 长时间 以来 ， 我 国在罐笼 、 箕 斗等提升容器 的 承载节点设 计 中 。 都 是采用 铆接 和铰 制孔高 强螺 栓 联接方式 ， 存 在着不安全 因素 ， 且 经济性差 。现采用 主要承载节点按大 六角 头摩擦 型高 强螺 栓 以下 简 称高绳螺栓 联接方式设计 的 4 0 t 、 2 4 t 、 3 4 t 箕 斗 ， 在 制造安装后至今 已安全使用 4～7 a 。理论和实践 都 证 明 ， 大型箕斗 主要 承载节 点应 用高 强度 螺栓联 接 是安全可靠 的。 2 高 强度螺栓 联接原理及承载 力设计值 高 强度 螺栓 联接按 其设 计和传 力要求 不 同， 分 为摩擦型和承压 型 2种 摩 擦 型联接 只靠 联接板 间 的强大摩擦力来传递 剪力 。 并 以摩擦力被克服 ， 板件 间有相对 滑动趋 势为联 接 的承载 力极 限状 态 。 称 之 为“ 正 常使用状 态一接头主滑动” 。承压型联接靠 联 接 板件 间的强大摩擦力 和螺栓杆受 剪来共 同传递剪 力 ， 以螺栓杆被 剪断 或栓孔 被压 坏 为联接 的承 载力 极 限状 态 ， 称 之为“ 承 载能力极限状态 一联接接头破 坏 螺栓或联接 板 破坏 ” 。事实 上高 强度螺 栓 的摩 擦 型和承压型联接 ， 是依据 同样 的高 强度 螺栓联 接 接 头受 大小不 同的荷载 ， 使 联接 接 头处于 不 同的变 形 阶段 而规定 的不 同的拉 剪承 载设计 值而 区分 的 ， 如 图 1所 示 。 ～ 一 一 ， 0 一 置 l 薹 C 7- ／ l 专 ，厂 j 眨 ■ ． ／／ 篷 I ／ 萋 l j ， ’ ／ ⋯L 一 一j 一 一 图 1 面 强 螺 栓 联 接 荷 载 和 变 形 的 关 系 Fi g． 1 The r e l at i o n be t we e n h i g h s t r e n gt h b ol t c on ne c t i o ns a nd di s t o r t i o n 摩擦 型高强度 螺栓 联接 是 以“ 正常使 用状 态一 接头主滑动 ” 这种极 限状 态作 为破坏极 限状态 的 ， 滑 动载荷 R ， 为极 限载荷 。在 摩擦型联接阶段 ， 载荷靠 联接板面 的摩擦传 力 ， 螺栓 和孔壁 并不 承受 剪 力和 承压力 ， 几 乎 没 有 变形 。 当载荷 达 到 滑 动载 荷 时 。 接头发生主滑动 ， 变形剧增 ， 载荷几乎不变 ， 但接 头并没有丧失承 载能 力。主滑 动发 生 之后 ， 螺栓 和 孔壁接 触 ， 这时载荷靠 螺栓受剪 、 孔壁 承压及联接板 之间的摩擦力共 同传递 ， 变 形在 开始 时呈现 比较 明 显 的弹性特征 ， 载荷达 到极 限载荷 R 。时接 头破坏 ， 从接头主滑动到接 头破 坏称 之为 承压联 接段 ， 承压 型高 强度 螺栓联接指 的就是这一 阶段 。 钢结构设计 规范 规定 ， 每个 摩擦 型高 强度 螺 栓的抗 剪承载力设计值 N 0 ． 9 n P 1 式 中 n 传力摩擦面数 ； 摩擦 面的抗滑移 系数 ； P 每个高强度螺栓 主预拉力 。 实际上每个摩擦 型高强度 螺栓在联接板间受力 不一 定均匀相 等 ， 故将其 乘系数 0 ． 9作为摩 擦 型高 强度螺栓 的抗 剪承载力设计值 ， 则传递 剪力 Ⅳ所需 螺栓数 目 N 一 2 为防止承压型高强度螺 栓联接在标准载荷值作 用下 ， 产生滑动 ， 同时 给联接 一定 的强 度储备 ， 承压 型高强度 螺栓抗剪承 载力设 计值 不能高于该螺栓按 摩擦 型计算所 得 的抗剪承 载力设 计值 的 1 ． 3倍 ， 即 承压 型高强度螺栓抗 剪承载力设计值 N 1 ． 3 0 ． 9 n f P1 ． 1 7 n f P 3 这 时的抗剪 承 载力设 计值 并 不是 R 而是 图 1 中小 于 R 的 R R1 ． 1 7 R ， 事实上 此时接 头还远 未达到破 坏状态 。从 图 1还可 以看 出， 以出现滑 动 作 为承载能力极 限状 态 ， 螺栓 的潜 力不 能充 分发挥 出来 ， 螺栓数量需要 比以破坏作为极 限状态 载荷达 到 R ． 。 增加很 爹 。国 内外 的研 究资 料 表明 ， 当高 强 度螺 栓 的杆径 和孔 径差 1 ． 5时 ， 从 理论 上说 可能最 大的滑 动量是 3 l T t n l 。但 实际 上平 均滑 动 量都 小 于 0 ． 8 ， 1 I I l ， 很 多 时候 联接 在 活载荷 作 用下 并 不滑 动 ， 原 因可能是有制 造误差 以及 安装 时 ， 存在 的微小不 对 中而使拧螺栓前 已有 恒载作 用 ， 螺杆 已经 和 孔壁 维普资讯 2 0 0 4年第 l 0期 大型箕斗大六角高强螺栓节点 的分析与应用 刘春峰 ， 等 ．2 1． 接触 ， 处 于承压状态 。一般说来 ， 活荷载作用下滑 动 如此之小 ， 对结构产生影 响很 小。 承 压型从 设计上 规定 的能保 证正 常使用状 态 ， 联接不致产 生滑移 的高强螺栓抗剪 承载力设计值公 式 中的系数 1 ． 3 ， 和上述 联 接实 践 总结 中说 明承 压 型高强 螺栓 在一定的范 围内大于产 生主滑动的荷 载 R ， 时不 至出现滑动仍可 承受动荷载 。鉴于此 ， 应该 推广应用 承压型 的联 接 ， 充 分发 挥高 强螺栓 的承 载 潜力 ， 以降低结构 造价 ， 这 也是 下面要 阐明的 “ 采 用 摩擦型高 强螺栓设计 ， 同时 要验算 按 承压 型设计 时 的安全 系数” 这 一设 计原则的理论基础 。 3 高 强螺栓联 接的主要特点 3 ． 1 有恒定预拉 力和承 受很 大的轴向力 1 高强螺栓 有恒 定 的预拉力 这 可 以保证 被 联接件之间不 出现滑 动 摩擦型 或在正常使用阶段 不出现滑动 承压 型 ， 结构 不致 因联 接滑 动而 出现 非弹性变形 ； 防止板与板之 间拉开 ， 从而减少锈蚀危 险 ； 提 高联接抵 抗疲 劳破 损 的性能 ； 很 好地 防松 ， 承 受 0 ． 8 P的轴 向拉力时而不使联 接松 动。 2 预拉力 的确定预拉力有个限度 ， 由初 始拉 力 和初始扭矩 的共 同影响决定。摩 擦系数与预拉力 有关 ， 在预 拉力 的一 定 范 围 内 ， 随 预拉 力 增 大而 增 大。为充分发挥材料 强度和保证接触面间的摩擦系 数 ， 高强 螺栓 的预拉 力值应 尽 量接 近所用 钢材屈 服 点 ， 但要保 证螺栓不会在拧 紧过 程中屈 服甚 至断裂 。 高强 螺栓 被拧 紧至 承受 预拉力 时 ， 在预拉 力和 拧紧扭 矩 的共 同作 用 下 ， 等 效 应 力 是 ／ d 3 r ，据试验 分析 ， 1 7 1 ． 1 51 ． 2 5 。考虑 高强螺栓 没 有明显 的屈服 点 ， 高强螺栓 的预拉力 P值 以螺 栓的 抗拉 强度为准 ， 再考 虑必要 的系数 用螺栓 的有效 截 面计算 确 定。设 ．， ‘为 螺栓 材 料 的 抗拉 强 度 ， r p 1 3 按摩擦型承载力设计计 算 s N 三 Q 1 3 6 0 Q 0 0 0 4． 4 74 一 一 一- r ‘ - r ，，- r 2 悬挂板通过角钢与横 梁用 6 0个 M2 41 0 ． 9 级高强度 螺 栓联 接 ， 承受单 面剪 力 ， 计 算 结 果 同式 1 中数值 。 3 横梁用 6 0个 M2 08 ． 8级高 强度螺栓联接 ， 承受双面剪力 。 若承压型承载力设计计算 r 4N - 3 6． 0 7 h i P d 2 X X 2 0 X 6 0 ‘一乃7 c 2 乃 一 7 c 2 一Ju’ 口 S 石 6 6 4 1 8． 4 1 3 U 一一 ⋯一 1， ■ - ， 按摩擦型设计 承载力值计算 s 4 ．9 6N 1 3 6 0 0 0 0 4 一 一 一_ r 。 ／_ r 4 横梁与纵梁联接用 1 2 0个 M2 08 ． 8级 高强 度螺栓联接 ， 承受单面剪力 ， 计算结 果同 3 中数值 。 5 纵梁与立柱联接是用 1 1 2个 M2 08 ． 8级高 强度螺栓联接 ， 承受单 面剪力 4，4 X 1 3 6 0 00 o 3 8． 7 MPa s - l 7_ 2 1 3 按摩擦型承载力设计计算 s芋 6 3 4 ] r - T 丽 4 o j 4 维普资讯 2 0 0 4年第 l 0期 大型箕斗大六角高强螺栓节点 的分析与应用刘春峰 ， 等 ．2 5 ． 6 立柱与斗箱 断开处用 3 0个 M2 41 0 ． 9级高 强度螺 栓联 接 ， 承受 单 面 剪力 ， 箕 斗箱 及 闸门 自重 1 6 7 9 5 0 N， 有效载荷 3 9 2 2 6 0 N， 取值 N 5 6 0 2 1 0 N 。 4Ⅳ 4 5 60 21 0 41． 2 8 M P a S 一 L 2 2 0．1 6 1 3 若按摩擦 型承载力设计计算 s N Q 5 6 0 Q 2 1 0 垄 5 ．424 u 一 一 一J‘ - t 厶／ - t 6结 语 通 过与淮南矿业集 团张集矿 4 0 t 特 大型箕 斗和 永夏矿 区陈 四楼矿 2 5 t 大型箕 斗的设计 者分别就 2 种箕斗联 接节点作仔 细 论证 和研究 ， 最终确 定按上 述设计 原则进行 了设计 。设计 制造后的 4 0 t 箕斗和 2 5 t 箕 斗已安全运行 了 5 a和 7 a 。在此 基础 上 ， 对 济宁三号井 在用 3 4 t 箕 斗进行 了设计 研 究 ， 对 其备 用箕斗分体联接处按上述设计原则作了设计。变更 设计后 的备用 3 4 t 箕 斗 已挂罐 安全 运行 了 2 a多。 这些可靠的设计应用实践更证 明了这一设 计原则 的 正 确 性 。 参 考文献 [ 1 ] 侯 兆新 ， 等 ． 钢 结构 工 程施 工 验收 规 范 实施 指 南 [ M] ． 北 京 中 国 建筑 工业 出版 社 。 2 0 0 2 ． [ 2 ] 王伯 琴 ， 等 ． 高强度 螺栓联 接 [ M] ． 北京 冶金 工业 出版社 。 1 9 9 1 ． [ 3 ] B O 古兹 马诺 瓦奇 ， N 威 廉斯 ． 钢 结构 设 计 [ M] ． 北 京 人 民 交通 出版社 ． 1 9 8 5 ． [ 4 ] 翟洪 绪 ． 实 用铆工 手册 [ M] ． 北京 化学 工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 5 ] 徐 占发 ， 王茹 ． 建 筑 钢 结构 与 构件 设 计 [ M] ． 北 京 中 国 建筑 工业 出版社 ． 2 0 0 3 ． [ 6 ] 包头 钢铁设 计 院， 等 ． 钢结 构 设 计与 计算 [ M] ． 北 京 机 械 工业 出 版社 。 2 O 0 4． [ 7 】 陈绍 蕃 ． 钢结 构设计 原理 [ M】 ． 北 京 中国建筑 工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 8 ] 吴建 有 ． 钢 结构设 计原理 [ M] ． 北 京 中国建筑 工业 出版社 ， 2 0 0 1 ． 作者 简介 刘 春峰 1 9 6 3一 ， 山东 泰安 人 ， 高级 工 程 师 ， 毕业 于 充 州矿 区职工大 学和 中国机械 工程师 进修 大学 ， 发表论 文多篇 ， 从 事 快速定 量装 车技 术和洗选 、 矿井 设备 的研究 ． 收 稿 日期 2 0 0 4 ． 0 8 ． 0 9 The t he or y a n a l y s e s a nd d e s i g n e d a pp l i e d t ha t a pp l y t h e b i g s i x a ng l e h i g hs t r e ng t h b o l t t o ma i n l o a db e a r i n g j o i n po i n t o f l a r g e 。s i z e s k i p s LI U Ch u n - f e n g ，U Xi u q i a n ，DONG J i n c u rt 3 ，CUI F e n g ，Z HANG Z h i ． ，F AN Gu i - x i 3 ，LI U J i n s h e n g ，HAN Ya n - we l 1 ． C o a l Mi n e M a c h i n e r y T a i ’ a l l F a c t o ry S h a n d o n g ， T a i ’ a N 2 7 1 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． Z a o z h u a n g C o a l Mi n e G r o u p C o r p ， Z a o z h u a n g 2 7 7 0 0 0 ， C h i na ； 3 ． h ’ a n C o a l M i n e G rou p C o r p ， C h a n g z h i O 4 6 4 O 4 ， C h i na ； 4． K a H u a n C o a l M i n e G rou p C o r p ， T a n g s h a n 0 6 3 0 1 8 ， C h i n a Abs t r a c t Th i s pa p e r d e t a i l s t h e c h a r a c t e r i s t i c o f bi g s i x a n g l e h i g hs t r e n g t h b o l t 。an d i t i s a p p l i e d t o d e s i g n a n d p r a c - t i c e o f h e a v y s k i p．S u ms u D and r a i s e s s u c h t h a t t h e s a f e c o e ff i c i e n t o f j o i n t o f h o i s t i n g d e v i c es i s n o t l e s s t h an t h e n u mb e r l 3 i n C0 a l M i n e S a f e t y S t i p ul a t i o n wh e n i t i s d e s i g n e d i n p r e s s u r e l o a d b e a r i n g。an d i s n o t l e s s t h an the n u mb e r4 wh e n i t i s d e s i g n e d i n f r i c t i o n mo l d hi g h s t r e n gth b o l d．AI s o。t h e P a p e r p r o v i d e s f a c t s i l l u s t r a t i v e o f t h e p o i n t a n d i t i s a g u i d e t o de s i gn an d ma n u f a c t u re h e a v y s k i p s o r c a g e s． Ke y wo r d st he b i g s i x a n g l e hi g hs t r e n gth bo l t ；mo l d o f b e a r p res s ure l o a d；f r i c t i o n mo l d；i n t e r v a l l o a d 垂 芝 -， j曾3；虽_ 次 亮- -3 _ 1 哈 尔滨 市 宾县 义 和粘 合剂 厂 ①暖气 片专用型砂 增强光亮 剂 为黑色 、 无 粉尘 ， 完全取代 型砂 中的煤粉 。以煤粉 的 1 ／ 3用 量 即可达到 或超 过煤粉 的使用效果 ， 长期应用 ， 大大地减少型砂的含泥量 ， 增加透气性 ， 降低水份 ， 改善型砂性能 ， 减少新 砂补 加量 ， 使 由于煤粉加入量过 大所造成 的暖气 片渗水 现象 明显改善 。增加 了暖气 片 的光亮 度 和成品 率。 提高暖气 片档 次。 ②较高 的灰铸铁 、 球墨铸铁及铸钢件 型砂增强光亮剂 它可以完全取代 型砂 中的煤 粉、 碳酸钠 、 部分膨润 土及所有 附加 物 ， 在 型砂 中加 入光亮 剂可得到表面光 洁、 无粘砂 、 结疤 的优质铸件 。对改善铸造环境 ， 简化生 产工艺 ， 方便 管理 ， 减 轻工人劳动强度 ， 保 障工人身心健康起到重要作用 。 型砂增强光亮 剂是 由多种有机和无机组分组成 的呈深灰 色或灰 白色 的粉状 物。它无 毒 、 无 味 、 无粉 尘 、 无 污染 。它 可以提 高型砂 的湿压强度 、 透气性 、 韧性及流动性。降低 型砂 含泥量 、 水份 、 减少型砂对水份 的敏 感性 ， 提 高型砂性能 ， 减少型废 ， 防止铸件气孔 、 砂眼 、 冲砂 、 夹砂 、 结疤等铸件缺陷 ， 是 提高铸 件合格率 的首选 材料。 如贵厂想提高铸 件表面质量 ， 满足 出 口要求 ， 或想提高型砂性能 ， 降低气孔 、 砂 眼 、 夹砂