摊铺机熨平板连接螺栓组的受力分析

王友宝

摘 要：由于摊铺机熨平板连接螺栓的数量会影响拼装效率，为了给减少连接螺栓数量的设计提供理论支持，对摊铺机熨平板的连接螺栓受力较大的2种工况，即正常施工工况和悬挂工况进行探讨，并对连接螺栓的受力进行了理论分析，得出了连接螺栓的最大受力、预紧力及拧紧力矩，并在此基础上提出了连接螺栓组的设计原则。此外，结合实例对连接螺栓组的连接强度进行了计算分析。

关键词：摊铺机；熨平板；连接螺栓；受力分析与计算

中图分类号：U415.52 文献标志码：B

Force Analysis of Connecting Bolts of Paver Screed

WANG Youbao

（Dynapac （China） Compaction & Paving Equipment Co. Ltd.， Tianjin 301700， China）

Abstract： Given that the numbers of connecting bolts of paver screed closely affect the assembly efficiency， two working conditions in which the connecting bolts bear large forces， namely the normal working condition and the suspension condition， were discussed to provide theoretical basis for using less connecting bolts in design. Force analysis was conducted， and the maximum force and preload and tightening torque were obtained， based on which the design principle of connecting bolts was proposed. In addition， the connecting strength was calculated in practical cases.

Key words： paver； screed； connecting bolt； force analysis and calculation

0 引 言

按加长方式，摊铺机熨平板一般分为机械拼装式和液压伸缩式，机械拼装式顾名思义就是将各相邻熨平板装置用连接螺栓拼装起来[12]。在实际应用中，施工方通常需要根据具体施工要求将熨平板拼装成不同的宽度，而连接螺栓的数量严重影响拼装效率。目前国产摊铺机上2个相邻熨平板装置间的连接螺栓数量普遍超过10个，而一些进口摊铺机的连接螺栓数量仅为4～6个。

本文针对具体工况对连接螺栓组的设计，包括螺栓的数量、分布方式、预紧力、拧紧力矩等进行全面的理论分析，并针对具体实例进行计算，可为减少连接螺栓数量的设计提供理论支持。

1 连接螺栓组分析

熨平板连接螺栓组的设计目标是：确定连接螺栓的数量、规格与分布，确定连接螺栓的预紧力大小与拧紧力矩。

1.1 计算假设

为了计算方便作以下假设，并论证其合理性。

（1）假设连接螺栓组的形心与熨平板架连接面的形心重合。实际应用中很多熨平板架的连接面为矩形，通过合理布置连接螺栓即可满足此要求；另外，即使连接螺栓组的形心与熨平板架连接面的形心不重合，也可以通过添加安全系数的方式来解决，本文的分析仍具有一般性。

（2）假设螺栓仅发生弹性变形，各螺栓的预紧力相等，接合面的压强均布。可以认为在实际应用中这些条件都是符合的[3]。

（3）假设熨平板架的连接面无变形，从而受到翻转力矩时，每个连接螺栓的拉伸变形量及轴向力与其到对称轴线的距离成正比。板架连接面产生变形时，各螺栓拉长量更接近，螺栓受力更平均，承载能力相比板架连接面不变形时更强，故假设偏于安全[4]。

（4）假设熨平板架的连接面上压应力最大处仍小于其许用压应力，接合面受压最大处满足不压溃条件。由于熨平板架连接面的截面积远远大于连接螺栓的截面积，连接螺栓受拉失效要先于接合面压溃，所以在实际应用中可以认为接合面总是满足不压溃条件。

（5）假设熨平板架连接面上n个连接螺栓按下述方式布置：x轴通过连接面中心且以摊铺前进方向为正向，y轴通过连接面中心且以向上为正向，第i（i=1，2，…，n）个连接螺栓的坐标为（xi、yi），板架连接面宽度为W，高度为H，如图1所示。

图1 连接螺栓布置示意

1.2 拧紧力矩与预紧力

在正常施工工况和悬挂工况中，加长段熨平板既受横向力R的作用，又受翻转力矩M的作用。熨平板的连接螺栓均要进行预紧，连接螺栓的预紧力产生的连接面间的摩擦力，足以平衡加长段熨平板所受的横向力。

通常根据螺栓的拧紧力矩系数K计算对应预紧力F′所需的拧紧力矩T，即

式中：d为螺纹公称直径。

有文献指出，拧紧力矩系数通常可取0.2，但由于表面摩擦系数不同会有一定的偏差[5]。采用力矩扳手控制的预紧力误差一般有±25%[6]，故对于拧紧力矩T，其名义预紧力F′n、最小预紧力F′min和最大预紧力F′max分别为

1.3 连接螺栓组设计要求

当各连接螺栓的预紧力为最小预紧力时，熨平板架的连接面间仍应能产生足够的摩擦力，即

式中：μ为熨平板架的连接面之间的摩擦系数；n为螺栓个数；kf为摩擦可靠性系数；R为熨平板受到的横向力。

钢与钢之间的摩擦系数在有氧化膜时取027，表面清洁时取078[7]，此处取小值0.27。摩擦可靠性系数通常取1.2～1.5，此处取大值15。

受翻转力矩M作用后，熨平板架连接面对称轴线一侧的连接螺栓被进一步拉紧，螺栓的总轴向力进一步增大，连接面对称轴线另一侧的连接螺栓被放松，其预紧力也进一步减小。距离连接面对称轴线最远的连接螺栓受力最大，其轴向载荷Fmax为

2 具体工况分析

2.1 正常施工工况分析

正常施工工况下，熨平板的自重与混合料对它的支承力相平衡[89]。整套熨平板在水平方向上受料堆的阻力、混合料对底面的摩擦力和大臂的拉力。若仅分析加长段熨平板，则其在水平方向上受料堆阻力、底板的摩擦力、连接螺栓的拉力以及加长段熨平板与主段熨平板连接面上的力。进一步分析可知，前述连接面上的力包括连接面间的支承力以及摩擦力。假设加长段熨平装置所受料堆阻力为F1，料堆阻力作用线到连接面的距离为L1，底面摩擦力为F2，底面摩擦力作用线到连接面的距离为L2，连接面间的支承力为N1，连接面间的摩擦力为f1，螺栓拉力合力为T1，具体如图2所示。其中，x轴正向表示摊铺前进方向，z轴表示摊铺宽度方向，连接面间的支撑力N1和螺栓拉力合力T1的大小均与各连接螺栓预紧力之和相等，连接面间的摩擦力f1与料堆阻力F1和底面摩擦力F2之和相等。

2.2 悬挂工况分析

在悬挂工况下，摊铺机带整套熨平板且不施工（例如进行转场作业），整套熨平板通过大臂悬挂于大臂挂销上。若仅分析加长段熨平板，主要受力包括自重G1、连接螺栓的拉力合力T2以及加长段熨平板与主段熨平板架连接面之间的力。进一步分析，连接面上的力主要包括连接面间的支撑力N2和连接面间的摩擦力f2，如图3所示。其中y轴表示竖直方向，z轴表示摊铺宽度方向，连接面间的支撑力N2以及螺栓拉力合力T2的大小均与各连接螺栓预紧力之和相等，连接面间的摩擦力f2与加长段熨平板自重相等。

3 实例计算与结果分析

3.1 实例计算

下面以一款原连接螺栓数量为13个的12 m熨平板为例进行计算说明，其熨平板架连接面的尺寸为W=0.5 m，H=0.45 m。以连接螺栓数量减至6个为设计目标，则6个连接螺栓在熨平板架连接面上的坐标分别为（0.225，-0.2）、（0225，0）、（0225，0.2）、（-0.225，-0.2）、（-0.225，0）、（-0225，0.2），如图4所示。

3.2 结果分析

根据以上分析可知，若要减少连接螺栓的数量，连接螺栓组的设计需遵循以下原则。

（1）尽量增大熨平板架连接面的尺寸，并将连接螺栓分布在离对称轴线尽可能远的地方，即熨平板架连接面的边缘。

（2）由于最大翻转力矩发生于正常施工工况，所以将连接螺栓布置于熨平板架连接面的前后两侧边缘。

（3）采用力矩扳手控制预紧力的偏差比较大，如果能采取一些措施减小偏差（如采用摩擦系数一致性更好的螺栓和垫片），进而获得更准确的拧紧力矩系数等，将有利于减少连接螺栓的数量。

（4）采用更高强度等级和更大公称直径的连接螺栓。

4 结 语

本文结合摊铺机熨平板连接螺栓受力较大的2种工况，对连接螺栓组的设计进行了全面分析，得出了连接螺栓的最大受力、预紧力及拧紧力矩，在此基础上提出了减少连接螺栓数量的设计原则，并以常见的12 m熨平板为例进行了计算分析。文中的计算分析结果和提出的连接螺栓组的设计原则可以为熨平板的连接螺栓组设计提供理论支持，根据实例所得出的结果可直接应用于现有熨平板的设计。

参考文献：

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[责任编辑：杜卫华]