粮食输送设备装配式通廊的螺栓防松脱处理成本分析及优选

◎单 良，鲍小义，王长凤，王玲玲，尹鸿翔

（中粮工科迎春农牧机械（山东）有限公司，山东 东营 257092）

粮食的存储、流通、生产加工等行业在转运中都会使用到输送设备。工艺设计时,需要综合考虑项目的车流道路、工艺单元衔接、管道避让、净空高度、消防间距等问题，输送设备常采用架空装配式通廊设计方式。现阶段，随着BIM 等钢结构的交互设计软件应用越来越广泛，粮食输送设备装配式通廊工厂预制化生产加工方式越来越多地代替了现场焊接的生产加工方式。粮食输送设备装配式通廊工厂预制化生产加工方式因其具有绿色环保、材料利用率高、构件标准化生产速度快、表面防腐处理等级高、耐久年限长、质量更稳定等特点，逐渐占据相关行业的优势地位。

在实际工程应用中，粮食输送设备装配式通廊的构件宜做到热镀锌的表面处理。热镀锌表面处理的装配式通廊在目前新建项目和改扩建项目的招标要求均被明确提出。但是，我们注意到，普通螺栓由于其表面处理后，紧固时的螺纹界面摩擦系数基本不随大气暴露的时间延长而增大，同时，输送设备所采用的刮板输送、皮带输送、管道气体输送等形式均有振动产生。因此，装配式通廊在工作状态中装配螺栓的松动问题变得更为突出，需要采用结合设备支座减震处理和螺栓的防松处理等方法。

1 粮食输送设备装配式通廊连接螺栓松动成因分析

螺栓松动是指螺栓在连接时沿轴线方向的预紧力降低，从而导致螺栓失效，也是螺栓失效的重要表现形式之一。虽然螺栓的螺纹可以达到自锁的条件，也有摩擦力的存在，但是松动现象还是会出现。造成松动的原因分析如下：在静载荷条件下，螺栓仅受到轴向荷载的作用，而同时由于螺纹升角作用的存在，拧松螺母与拧紧螺母二者所用扭矩不同，一般情况下，松动力矩是拧紧力矩的80%左右，在无附加扭矩的情况下，连接将不会发生松动。变荷载、冲击和振动是造成松动的重要原因。许多紧固件被用在有冲击或者振动的环境下，由于零件存在惯性短，并和其相连的零件间存在作用力，使得螺纹副与螺母二者支承面的摩擦系数大幅降低，有时甚至产生摩擦力瞬间消失的情况，从而破坏了整个连接系统原有的力平衡，导致螺纹副难以达到自锁条件，从而出现微量滑动的现象。在紧螺母方向发生位移要比在较松螺母方向发生位移克服更多的阻力，所以滑动发生在紧螺母方向上的可能性较小，这样反复滑动从而会导致螺栓发生松动。此外，螺栓与被连接的零件在较大应力的作用下会发生变形，螺栓相互接触面（如各支承面、螺纹牙侧面、被连接的零件接触面）因表面的波纹度、粗糙度及形位误差等因素，使局部发生塑性变形，且在构件使用过程中已发生的塑性形变可能会继续发展，导致连接预紧力持续下降，最终致使连接副的啮合面正压力降低，减弱自锁性能，同时在外部环境的作用下，松动速度加快[1]。

摩擦力的稳定存在是使螺栓一直保持拧紧状态的关键因素，螺纹啮合面及螺帽承力面的拧紧力矩受摩擦力的影响，进而影响拧紧力矩产生的轴向应变引起的预紧力。当螺帽拧紧到螺栓上后，摩擦力的存在是阻止螺母旋转松脱的根本原因。所以，摩擦力的存在是螺栓防松的基本因素，而通过共振状态下的螺栓预紧力松弛试验探究螺栓松动过程，结合螺纹啮合面的扫描电镜形貌图可以分析摩擦系数对松动过程的影响，同时解析摩擦系数变化的微观原因[2]。

学者们结合理论、有限元仿真研究总结了横向振动下螺栓临界松动的规律，并通过试验验证了仿真结果的可靠性[3]。结果显示：一是周期性的横向振动是导致螺栓旋转松动的主要载荷形式，而横向振动条件下螺纹面和端面的局部滑移累积则是产生螺栓旋转松动的主要形式。横向振动的位移幅值越大，螺栓松动越快，但存在一个临界位移，根据胡阳等[4]的研究成果明显界限振幅为0.2 mm，振幅小于0.2 mm 时，夹紧力仅因塑性变形形变而少量衰减，不会失效；振幅高于0.2 mm 时，螺栓发生旋转松动，夹紧力大幅衰减直至完全失效。二是较低的频率变化对于松动过程影响较小，纵向振动几乎不会产生旋转松动，扭转振动必须在满足条件时才会导致螺栓旋转松动，而由于弯曲振动导致的旋转松动在本质上类似于横向振动，即被连接件与连接件间产生了横向相对滑移。三是连续的冲击载荷可能导致严重的旋转松动产生，被连接件和连接件二者材料的热膨胀系数相差较大时，交变温度载荷也将诱发明显的旋转松动[4]。

综上所述，产生螺栓松动的主要原因是螺栓预紧力降低和螺纹接触面摩擦力降低，而造成上述两项约束条件降低的外界影响因素主要是螺栓紧固件连接处受到横向振动。

2 减轻振动传导和减少螺栓松动的方法

实际中能引起通廊横向往复位移的振动源包括设备的振动传导和通廊自身受到横向风振。

2.1 减轻设备振动传导

设备的振动荷载根据《建筑振动荷载标准》GB/T51228-2017 中对鼓风机、离心泵、电动机等粮食输送设备动力源横向振动荷载计算公式：Fvx=meω2（4.3.1-1）[5]，其中，m-旋转部件的总质量；e-转子质心与转轴几何中心的当量偏心距；ω-转子转动的角速度。由此可见，通廊上输送设备自身振动产生的荷载大小取决于设备动力源的选型和转速，在设备输送量确定的同时就已经确定。此种振动荷载不能从工艺设计和方案选型时减小，需要在输送设备的安装固定支座进行处理，以减轻设备振动向通廊结构主体的传导。

减轻粮食输送设备振动的支座处理常用的装置有：弹簧减震器、橡胶减震器、阻尼减震器、气囊减震器[6]。

弹簧减震器（图1）是一种对偏置反应敏感的减震装置，弹簧减震器主要适用于管道和设施的抗震性。弹簧减震器能高效地减少各种各样工作频率的振动和晃动，但在一定的水平上限定了设备和管路的一切正常温度和应力变形[7]。同时，由于弹簧自身具有往复性的特点，设计方案时要考虑到弹簧减震器对机构的额外振动和与设备的周期共振问题。弹簧减震器其机构简单，造价较低。

图1 弹簧减震器图

橡胶减震器（图2）是利用橡胶材料作为减震的元件，因其具有高弹性和高黏性，使得振动时虽然弹性形变很大，但弹性模量很小。依据冲击刚度大于动刚度大于静刚度的原则，橡胶材料有利于缓解冲击变形及动态变形。众所周知，应力-应变曲线形状为椭圆形滞后线，该形状面积为各个振动周期中转变为热量的振能，所以，可以根据所需目的，通过调整橡胶配方设计硬度满足减震原件的橡胶材料[8]。在对橡胶进行加工时还可根据使用要求选择合适形状，故橡胶具有可满足不同方向的刚度及强度等诸多优点，也使橡胶成为质优价廉的粮食输送设备减震器常用材料，但其抗空气污染与抗温转变工作能力较差，受环境温度、油、活性氧、阳光和有机化学溶液的腐蚀，导致特性变化和老化，容易产生松动，使用寿命较短。橡胶减震器其机构和制作工艺简单，造价较低。

图2 橡胶减震器图

阻尼减震器（图3）是结合上述两种减震器的优缺点研制的一种复合减震器，对阻尼弹簧、橡胶减震垫组合使用，克服其各自缺点，具有复合隔震降噪、固有频率低、隔震效果好的特性，对隔离设备振动，尤其是对隔离高频冲击的振动更为优越，是隔震的理想产品。阻尼减振器因对弹簧进行了喷塑处理，具有较佳耐候性，可有效增加使用寿命，且防振效果好。阻尼减振器的顶部、底部均装有防滑耐磨的橡胶材料和固定螺栓，使其安全性能大大提高，且安装方便。能够有效隔离各类输送设备的振动，整体具有铸钢外壳，可延长其使用寿命。因其复合性能和制作工艺较为复杂，造价较高。

图3 阻尼减震器图

气囊减震器（图4）是一种充气型减震器，是利用气压阻力来防震产品，适用于精密设备和对振动敏感的装备上的空气弹簧技术。空气弹簧是一种帘线增强的橡胶囊，内充压缩空气，利用气体的可压缩性起弹簧作用的减震橡胶制品，有长枕式、葫芦式和隔膜式等类型。与金属弹簧类的减振器相比，具有质量轻、舒适性高、耐疲劳、使用寿命长等优点，且气囊减震器同时具有减震和消音双重作用。其高度、承载能力及刚度均可调，自身固有振动频率较低，隔绝高频振动及隔噪声效果好；可利用空气的阻尼作用，使用寿命较长，但在上述四种减震器中气囊减震器造价最高。

图4 气囊减震器图

2.2 防止通廊拼接螺栓松脱方法

横向风振等效风荷载标准值根据《建筑结构荷载规范》GB／5009-2012 中计算公式：wLK=gw0μzCL（1+R2L）-2（H.2.2 条）[9]，其各项参数取值受工程所在地自然条件和通廊本身结构特性决定，室外通廊必然受到横向风振影响。因此，必须采取装配式通廊连接螺栓的防松脱方法，分类列表如表1。

表1 螺栓防松脱处理方法及适用表

3 不同设备状况的处理方法成本分析及优选

根据上述各种减震器的特点，考虑输送设备的工作质量和自身减震器变形的要求总结优选：吊挂式弹簧减震器适用于轻质物料风送和液体的输送管道，选型时应考虑避开设备与减震器的共振周期；橡胶减震器适用于厂房内架空通廊和封闭通廊等不受阳光照射、温差较小、无腐蚀性大气环境等条件的各类粮食输送设备；有外壳保护的阻尼减震器适用于直接室外暴露环境、有各类排放的室内环境的输送设备；气囊减震器因在粮食输送设备使用中性价比较低，除设备支座和使用环境有较高的减震要求外一般不采用。

粮食输送设备装配式通廊紧固螺栓自身防松处理方法选择：由于通廊全部采用镀锌防腐处理，且设备、通廊等在整体设备全寿命周期内有检修更换的需要，因此，点焊螺栓的防松处理方法一般不采用；对于重要性连接节点和装配后需要封闭处紧固螺栓，因其不易于检查更换和安全标准高，发生螺栓松脱后损失巨大等原因，应采用机械防松措施。应用于装配式通廊时开销螺栓和开槽螺母配合使用插销时会增加工作量，降低装配效率，因此，采用高硬度内齿止动垫片是性价比较高的优选方法；普通的螺栓连接和易于检查的连接处宜采用摩擦防松处理中自锁螺母，其装配简便、成本低廉，安装后应作防松标记，利于后期维护检查。

4 结语

粮食输送设备装配式通廊由于其跨度大、结构自重轻、占地面积小、施工周期短、工业化程度高、耐久年限长、绿色环保等诸多优势，在粮食行业生产中越来越多地被采用。结构体系本身多采用桁架或刚架结构，其受力计算已经很成熟，结构设计的安全性较高，并且计算机制图软件的应用对结构图纸分解后易于工厂化加工，其成品装配误差小，标准化程度高，质量稳定。

现有通廊构筑物多采用焊接和紧固螺栓连接，而装配式通廊结构全部采用紧固螺栓连接。《建筑振动荷载标准》GB/T 51228-2017 中对各类设备按动力形式分别给出振动荷载的计算方法，但实际使用中参建方对通廊在各种应用环境下紧固螺栓防松的影响研究较少。调查中许多设备支座直接固定在通廊结构上，使得设备的振动直接传递到通廊结构主体；同时，通廊的装配螺栓仅采用普通螺栓与螺母连接，无任何防松措施，无后期检查检验标记且竣工验收时仅对紧固件的预紧程度和装配节点的表面处理进行外观检查，也会忽略螺栓防松措施的影响。各方面的忽视均会造成通廊紧固件松脱的隐患，大大增加了通廊结构的不安全性和长期使用的不稳定性。

本文结合实际工作中接触的粮食行业输送设备特点和使用环境情况分析，得出相关的优选措施，希望对使用、建设、设计、施工等各方提供参考方案，同时，可以对其他行业的此类结构形式、连接构造的处理等提供相关借鉴。