趙友軍，李鈺

（1.西安煤礦機(jī)械有限公司，陜西西安710032；2.西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安710054）

高強(qiáng)度螺栓緊固技術(shù)在采煤機(jī)中的應(yīng)用研究

趙友軍1，2，李鈺1

（1.西安煤礦機(jī)械有限公司，陜西西安710032；2.西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安710054）

煤礦井下采掘機(jī)械承受交變載荷和振動(dòng)非常嚴(yán)重，對(duì)螺紋緊固件擰緊性能有很大影響。研究當(dāng)前電牽引采煤機(jī)分段式機(jī)身的螺栓緊固技術(shù)，通過(guò)螺栓緊固基本原理分析，建立了扭轉(zhuǎn)力矩和預(yù)緊力數(shù)學(xué)模型，對(duì)高強(qiáng)度螺栓扭矩力矩控制法、大直徑高強(qiáng)度螺栓液壓緊固和超級(jí)螺母緊固法的特點(diǎn)、工作原理和擰緊性能進(jìn)行對(duì)比，給出了采煤機(jī)等重型機(jī)械高強(qiáng)度螺栓緊固的依據(jù)和建議。研究對(duì)提升采煤機(jī)機(jī)身螺栓緊固的可靠性具有重要意義。

采煤機(jī)；高強(qiáng)度螺栓；扭轉(zhuǎn)力矩控制；液壓螺母

為高強(qiáng)度螺栓提供適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力是一項(xiàng)艱巨的工作，不同行業(yè)領(lǐng)域或特定的應(yīng)用環(huán)境相應(yīng)選擇不同的緊固技術(shù)[1]。目前煤機(jī)行業(yè)，主流采煤機(jī)多采用分段式橫向機(jī)身布置，機(jī)身主要由牽引部、行走箱、電控箱等部件組成。采煤機(jī)工作過(guò)程中承受較大交變載荷和振動(dòng)，特別是在割矸石、過(guò)斷層期間，極易導(dǎo)致螺紋緊固件擰緊性能下降。如果由高強(qiáng)度螺栓連接的大部件間產(chǎn)生松動(dòng)，有可能導(dǎo)致嚴(yán)重安全事故。因此對(duì)采煤機(jī)用高強(qiáng)度螺栓緊固技術(shù)的研究十分必要。

1　螺栓緊固理論

根據(jù)GB/T 16823.2-1997《螺紋緊固件緊固通則》，為確保螺紋連接體的可靠性，實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)功能，預(yù)緊力應(yīng)由實(shí)際使用條件和強(qiáng)度計(jì)算決定。預(yù)緊力的下限值須保證被連接件在工作過(guò)程中始終可靠貼合；預(yù)緊力的上限則由螺栓、螺母和被連接件的強(qiáng)度決定，保證螺栓及被連接件在預(yù)緊和工作過(guò)程中，不會(huì)發(fā)生拉長(zhǎng)、剪斷和疲勞斷裂等破壞，典型的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是螺栓的預(yù)緊力上限不超過(guò)屈服強(qiáng)度的90%.在安裝使用中，選取適當(dāng)?shù)臄Q緊方法并準(zhǔn)確控制緊固力矩十分必要。扭矩力矩控制是最常用的緊固方法之一，根據(jù)力偶平衡條件可推導(dǎo)出扭-拉關(guān)系式，從而確定擰緊力矩的大小，并進(jìn)一步得到扭矩系數(shù)k的表達(dá)式[5]。

式中，d為螺紋公稱直徑；F0為預(yù)緊力；K為擰緊力矩系數(shù)；T為擰緊力矩。

式中，d2為螺紋中徑；φ為螺紋升角；ρv為螺紋當(dāng)量摩擦角；μ為螺母與被聯(lián)接件支承面間的摩擦因數(shù)；DW為支承面摩擦扭矩的等效直徑；d0為接觸的支承面內(nèi)徑。

2　高強(qiáng)度螺栓扭轉(zhuǎn)力矩控制

采煤機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，要求各連接件間的緊固螺栓具有較高的緊固性能。螺栓連接預(yù)緊力越大，其承載能力就越大，接頭的效率也就越高。高強(qiáng)度螺栓屈服強(qiáng)度高，且具有較高的預(yù)緊力[3]。如某高強(qiáng)度螺栓8.8級(jí)產(chǎn)品的屈服點(diǎn)可達(dá)640 N/mm2.經(jīng)SPS-安布內(nèi)科橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)的防松振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)螺栓軸向預(yù)緊力由0.25 δs增加到0.45 δs時(shí)，防松效果提高13.2倍[4]。當(dāng)預(yù)緊力達(dá)到0.75 δs時(shí)防松效果還將大大提高。

近年伴隨國(guó)內(nèi)鑄造水平及熱處理水平提升，作為螺紋連接基體材料的采煤機(jī)殼體材料性能顯著提高。如殼體韌性達(dá)140 J/cm2，提高近100%，使高強(qiáng)度螺栓的材料強(qiáng)度可以得到充分利用，螺栓預(yù)緊力得以大幅提高。

目前采煤機(jī)各連接件間的高強(qiáng)度螺栓連接尤其螺栓尺寸在M24以上的螺栓連接多采用扭轉(zhuǎn)力矩控制，即給定螺栓緊固力矩，并為螺栓緊固提供明確操作規(guī)范。如某搖臂行星頭M27×765、12.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓，設(shè)計(jì)安裝扭轉(zhuǎn)力矩為1533 N·m，按四部緊固法進(jìn)行緊固。第一次為初擰，擰緊力矩一般不少于安裝力矩的30%；第二次緊固力矩為安裝扭矩的70%；第三次緊固力矩為100%安裝擰緊力矩；第四次為檢查緊固，以最終擰緊力矩檢查所有緊固螺栓。其余關(guān)鍵連接位置高強(qiáng)度螺栓亦標(biāo)明安裝扭轉(zhuǎn)力矩要求，并在相關(guān)操作規(guī)范中，明確緊固細(xì)則。

通過(guò)扭轉(zhuǎn)力矩控制，緊固高強(qiáng)度螺栓方便、有效，但螺栓僅能承受最大屈服強(qiáng)度的70%，另外30%左右會(huì)因?yàn)榫o固扭力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力而丟失[6]。

3　液壓螺母緊固

液壓螺母完全改變了傳統(tǒng)的螺紋緊固方式，把傳統(tǒng)的扭矩鎖緊改為軸向拉伸鎖緊，即是用液壓螺母借助于超高壓油泵的動(dòng)力，將緊固螺栓軸向拉長(zhǎng)，接近材料的屈服點(diǎn)，利用材料自身的彈性將螺紋鎖緊。根據(jù)預(yù)緊力產(chǎn)生原則的不同，螺栓緊固可分為旋轉(zhuǎn)緊固法（如扭轉(zhuǎn)力矩控制，通過(guò)旋轉(zhuǎn)預(yù)緊器直接產(chǎn)生預(yù)緊力）和預(yù)緊法（如液壓法，不使用預(yù)緊器緊固螺栓，而是通過(guò)外力直接將螺栓扣緊）。而液壓高強(qiáng)度螺栓采用的是預(yù)緊法來(lái)緊固螺栓。

液壓螺母是國(guó)外90年代發(fā)展起來(lái)的一種新型強(qiáng)力緊固元件，經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤礦、發(fā)電、石油、冶金、航空及化工等眾多重型機(jī)械領(lǐng)域。煤礦機(jī)械中的采煤機(jī)既要滿足向井下運(yùn)輸?shù)男枰?，又要滿足各部件之間的連接可靠性，還要滿足經(jīng)常維修而進(jìn)行的拆裝需要，采用液壓螺母就可以很輕松地實(shí)現(xiàn)大型設(shè)備各箱體之間的可靠連接并確保設(shè)備在正常工作中不松動(dòng)地使用安全性。目前國(guó)內(nèi)新型液壓防松螺母已研制成功，并在采煤機(jī)的應(yīng)用中得到了實(shí)踐驗(yàn)證，效果很好。

如圖1所示為液壓防松螺母的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它由一個(gè)帶螺母的缸體、塞體、螺環(huán)（鎖緊背帽）和組合密封等組成，塞體上裝有最大可承受200 MPa工作壓力的超高壓密封，液壓螺母內(nèi)的缸體注入高壓油后，推動(dòng)螺母缸體向拉緊螺栓的方向移動(dòng)，使螺栓產(chǎn)生彈性變形而被撥長(zhǎng)，與螺環(huán)之間產(chǎn)生一個(gè)間隙（即彈性變形量），此時(shí)螺環(huán)向缸體側(cè)擰緊，貼緊缸體螺母，使間隙消失，然后撤去壓力油，阻止螺桿不能回縮，從而達(dá)到了高預(yù)緊力鎖緊的防松效果[7]。

圖1　液壓螺母工作原理

液壓螺母通過(guò)控制液壓油的壓力產(chǎn)生相應(yīng)大小的預(yù)緊力，防止工作時(shí)出現(xiàn)超載或預(yù)緊力不足的情況，同時(shí)螺栓聯(lián)接組的所有螺栓被均勻壓緊至被聯(lián)接件。所以，緊固件不會(huì)出現(xiàn)傾斜、翹曲等現(xiàn)象，從而影響預(yù)緊力的真實(shí)值，大大提高了緊固件在振動(dòng)工況條件下的可靠性。由于采煤機(jī)受井下工作面空間限制，很多機(jī)體部位不能用長(zhǎng)套管扳手鎖緊，而常規(guī)旋轉(zhuǎn)緊固法需要有足夠操作空間，且工作中大部分的扭轉(zhuǎn)力用于克服摩擦力（高達(dá)90%），鎖緊大直徑螺母時(shí)效率很低，常常達(dá)不到預(yù)緊力要求。所以，采煤機(jī)使用液壓螺母可以在狹窄空間中有效地鎖緊緊固件，且操作簡(jiǎn)便、安全系數(shù)高。

4　超級(jí)螺母緊固

預(yù)緊法緊固采煤機(jī)高強(qiáng)度螺栓，除用液壓螺母外，Superbolt超級(jí)螺母緊固也逐漸成為一種趨勢(shì)[8]。

超級(jí)螺母由一個(gè)帶著多個(gè)頂推螺栓的圓形螺母和超硬墊片組成，如圖2所示。工作前，先將硬墊片套入螺桿，再將圓螺母沿螺桿螺紋方向擰下，接觸到硬墊片即可。擰緊時(shí)，按照操作規(guī)程用手動(dòng)扳手?jǐn)Q緊頂緊螺釘。超級(jí)螺母將緊固力分散在多個(gè)頂推螺栓上，頂推螺栓直徑小，所需扭轉(zhuǎn)力矩小，但數(shù)量多，集中起來(lái)產(chǎn)生強(qiáng)大推力合力作用在硬墊片上，同時(shí)緊固件螺桿上也產(chǎn)生了一個(gè)同等的反作用力。如當(dāng)緊固一個(gè)直徑101.6 mm（4英寸），螺距為8TPI的螺栓時(shí)，其預(yù)緊力為310 MPa，當(dāng)采用普通螺母緊固時(shí)，所需緊固力矩為41.55k N·m，當(dāng)使用超級(jí)螺母時(shí)，則僅需296 N·m.

圖2　超級(jí)螺母工作原理

液壓螺母緊固當(dāng)液壓力消失后，螺栓將迅速回彈并扣緊螺母。因此約有三分之一的載荷會(huì)損失。螺栓僅能使用其屈服強(qiáng)度的66%，對(duì)于尺寸較長(zhǎng)螺栓，該數(shù)值可增加至80%.而超級(jí)螺母預(yù)緊時(shí)不會(huì)產(chǎn)生不良扭轉(zhuǎn)應(yīng)力或螺栓回彈力，螺栓可使用屈服強(qiáng)度的90%.超級(jí)螺母在汽輪機(jī)和化學(xué)反應(yīng)器等行業(yè)廣泛應(yīng)用，操作簡(jiǎn)單、便于維護(hù)，并以超長(zhǎng)無(wú)故障使用周期充分證明了其可靠性，但其價(jià)格較高。如圖3所示。

圖3　采煤機(jī)搖臂部超級(jí)螺母緊固

5　結(jié)束語(yǔ)

本文依據(jù)采煤機(jī)實(shí)際使用工況，介紹了幾種高強(qiáng)度螺栓緊固技術(shù)。在對(duì)螺栓緊固原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，說(shuō)明扭矩力矩控制法中預(yù)緊力和扭轉(zhuǎn)力矩的關(guān)系。并以此為依據(jù)，為實(shí)際使用中高強(qiáng)度螺栓緊固力矩的選擇和控制提供理論依據(jù)。當(dāng)高強(qiáng)度螺栓直徑達(dá)M39以上，應(yīng)用扭轉(zhuǎn)力矩控制預(yù)緊力轉(zhuǎn)化率僅為70%，選用液壓螺母、超級(jí)螺母的預(yù)緊力控制法控制高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，具有良好緊固效果。

[1]D A Barsness.Unlocking the Secrets of Thread-Locking[J]. Assembly Engineering.1990，33（1）：20-25.

[2]吳肇峰，王斌武，蘇慶勇.聯(lián)接振動(dòng)機(jī)械螺栓的選材與強(qiáng)化[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2004，（1）：35-40.

[3]王伯琴，陳錄如，陳先峰．高強(qiáng)度螺栓連接[M]．北京:冶金工業(yè)出版社，1991．

[4]穆金祿，胡貴瓊．高強(qiáng)度螺栓的安全度[J].橋梁建設(shè)，1996，（8）：20-24．

[5]成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：聯(lián)接與緊固[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：54-59．

High Strength Bolts Fastening Technology Used in Shearer

ZHAO You-jun1，2，LI Jue1
（1.Xi’an Coal Mining Machinery Co.，Ltd.，Shaanxi Xi’an 710032，China；2.School of Mechanical Engineering，Xi’an University of Science and echnology，Shaanxi Xi’an 710054，China）

Cyclic loading and vibration of mining machinery working underground in coal mine is very serious.It has a great influence on tighten performance of threaded fastener.In this paper，we researched the current bolt fastening technology in sectional fuselage of electric haulage shearer.After analysis of the basic principle of bolts，the mathematical model of the torque and the pre-tightening force was established.Then three fastening technology were compared from the structural features，the working principle and the tight performance.The technology include high strength bolt torque control，hydraulic fastening and super large diameter high strength bolt nut fastening method Finally，the suggestion for high strength bolts fastening were given to heavy machinery such as Shearer.This work has a great significance in enhancing the reliability of shearer’s body tight.

shearer；high-strength bolt；torque control；hydraulic nut

TD421

A

1672-545X（2016）10-0132-03

2016-07-15

趙友軍（1971-），男，陜西渭南人，在讀碩士，高級(jí)工程師，研究方向:機(jī)械制造及采煤機(jī)械。