攤鋪機(jī)熨平板連接螺栓組的受力分析

王友寶

摘 要：由于攤鋪機(jī)熨平板連接螺栓的數(shù)量會影響拼裝效率，為了給減少連接螺栓數(shù)量的設(shè)計(jì)提供理論支持，對攤鋪機(jī)熨平板的連接螺栓受力較大的2種工況，即正常施工工況和懸掛工況進(jìn)行探討，并對連接螺栓的受力進(jìn)行了理論分析，得出了連接螺栓的最大受力、預(yù)緊力及擰緊力矩，并在此基礎(chǔ)上提出了連接螺栓組的設(shè)計(jì)原則。此外，結(jié)合實(shí)例對連接螺栓組的連接強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析。

關(guān)鍵詞：攤鋪機(jī)；熨平板；連接螺栓；受力分析與計(jì)算

中圖分類號：U415.52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：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

按加長方式，攤鋪機(jī)熨平板一般分為機(jī)械拼裝式和液壓伸縮式，機(jī)械拼裝式顧名思義就是將各相鄰熨平板裝置用連接螺栓拼裝起來[12]。在實(shí)際應(yīng)用中，施工方通常需要根據(jù)具體施工要求將熨平板拼裝成不同的寬度，而連接螺栓的數(shù)量嚴(yán)重影響拼裝效率。目前國產(chǎn)攤鋪機(jī)上2個相鄰熨平板裝置間的連接螺栓數(shù)量普遍超過10個，而一些進(jìn)口攤鋪機(jī)的連接螺栓數(shù)量僅為4～6個。

本文針對具體工況對連接螺栓組的設(shè)計(jì)，包括螺栓的數(shù)量、分布方式、預(yù)緊力、擰緊力矩等進(jìn)行全面的理論分析，并針對具體實(shí)例進(jìn)行計(jì)算，可為減少連接螺栓數(shù)量的設(shè)計(jì)提供理論支持。

1 連接螺栓組分析

熨平板連接螺栓組的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：確定連接螺栓的數(shù)量、規(guī)格與分布，確定連接螺栓的預(yù)緊力大小與擰緊力矩。

1.1 計(jì)算假設(shè)

為了計(jì)算方便作以下假設(shè)，并論證其合理性。

（1）假設(shè)連接螺栓組的形心與熨平板架連接面的形心重合。實(shí)際應(yīng)用中很多熨平板架的連接面為矩形，通過合理布置連接螺栓即可滿足此要求；另外，即使連接螺栓組的形心與熨平板架連接面的形心不重合，也可以通過添加安全系數(shù)的方式來解決，本文的分析仍具有一般性。

（2）假設(shè)螺栓僅發(fā)生彈性變形，各螺栓的預(yù)緊力相等，接合面的壓強(qiáng)均布?？梢哉J(rèn)為在實(shí)際應(yīng)用中這些條件都是符合的[3]。

（3）假設(shè)熨平板架的連接面無變形，從而受到翻轉(zhuǎn)力矩時，每個連接螺栓的拉伸變形量及軸向力與其到對稱軸線的距離成正比。板架連接面產(chǎn)生變形時，各螺栓拉長量更接近，螺栓受力更平均，承載能力相比板架連接面不變形時更強(qiáng)，故假設(shè)偏于安全[4]。

（4）假設(shè)熨平板架的連接面上壓應(yīng)力最大處仍小于其許用壓應(yīng)力，接合面受壓最大處滿足不壓潰條件。由于熨平板架連接面的截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于連接螺栓的截面積，連接螺栓受拉失效要先于接合面壓潰，所以在實(shí)際應(yīng)用中可以認(rèn)為接合面總是滿足不壓潰條件。

（5）假設(shè)熨平板架連接面上n個連接螺栓按下述方式布置：x軸通過連接面中心且以攤鋪前進(jìn)方向?yàn)檎?，y軸通過連接面中心且以向上為正向，第i（i=1，2，…，n）個連接螺栓的坐標(biāo)為（xi、yi），板架連接面寬度為W，高度為H，如圖1所示。

圖1 連接螺栓布置示意

1.2 擰緊力矩與預(yù)緊力

在正常施工工況和懸掛工況中，加長段熨平板既受橫向力R的作用，又受翻轉(zhuǎn)力矩M的作用。熨平板的連接螺栓均要進(jìn)行預(yù)緊，連接螺栓的預(yù)緊力產(chǎn)生的連接面間的摩擦力，足以平衡加長段熨平板所受的橫向力。

通常根據(jù)螺栓的擰緊力矩系數(shù)K計(jì)算對應(yīng)預(yù)緊力F′所需的擰緊力矩T，即

式中：d為螺紋公稱直徑。

有文獻(xiàn)指出，擰緊力矩系數(shù)通?？扇?.2，但由于表面摩擦系數(shù)不同會有一定的偏差[5]。采用力矩扳手控制的預(yù)緊力誤差一般有±25%[6]，故對于擰緊力矩T，其名義預(yù)緊力F′n、最小預(yù)緊力F′min和最大預(yù)緊力F′max分別為

1.3 連接螺栓組設(shè)計(jì)要求

當(dāng)各連接螺栓的預(yù)緊力為最小預(yù)緊力時，熨平板架的連接面間仍應(yīng)能產(chǎn)生足夠的摩擦力，即

式中：μ為熨平板架的連接面之間的摩擦系數(shù)；n為螺栓個數(shù)；kf為摩擦可靠性系數(shù)；R為熨平板受到的橫向力。

鋼與鋼之間的摩擦系數(shù)在有氧化膜時取027，表面清潔時取078[7]，此處取小值0.27。摩擦可靠性系數(shù)通常取1.2～1.5，此處取大值15。

受翻轉(zhuǎn)力矩M作用后，熨平板架連接面對稱軸線一側(cè)的連接螺栓被進(jìn)一步拉緊，螺栓的總軸向力進(jìn)一步增大，連接面對稱軸線另一側(cè)的連接螺栓被放松，其預(yù)緊力也進(jìn)一步減小。距離連接面對稱軸線最遠(yuǎn)的連接螺栓受力最大，其軸向載荷Fmax為

2 具體工況分析

2.1 正常施工工況分析

正常施工工況下，熨平板的自重與混合料對它的支承力相平衡[89]。整套熨平板在水平方向上受料堆的阻力、混合料對底面的摩擦力和大臂的拉力。若僅分析加長段熨平板，則其在水平方向上受料堆阻力、底板的摩擦力、連接螺栓的拉力以及加長段熨平板與主段熨平板連接面上的力。進(jìn)一步分析可知，前述連接面上的力包括連接面間的支承力以及摩擦力。假設(shè)加長段熨平裝置所受料堆阻力為F1，料堆阻力作用線到連接面的距離為L1，底面摩擦力為F2，底面摩擦力作用線到連接面的距離為L2，連接面間的支承力為N1，連接面間的摩擦力為f1，螺栓拉力合力為T1，具體如圖2所示。其中，x軸正向表示攤鋪前進(jìn)方向，z軸表示攤鋪寬度方向，連接面間的支撐力N1和螺栓拉力合力T1的大小均與各連接螺栓預(yù)緊力之和相等，連接面間的摩擦力f1與料堆阻力F1和底面摩擦力F2之和相等。

2.2 懸掛工況分析

在懸掛工況下，攤鋪機(jī)帶整套熨平板且不施工（例如進(jìn)行轉(zhuǎn)場作業(yè)），整套熨平板通過大臂懸掛于大臂掛銷上。若僅分析加長段熨平板，主要受力包括自重G1、連接螺栓的拉力合力T2以及加長段熨平板與主段熨平板架連接面之間的力。進(jìn)一步分析，連接面上的力主要包括連接面間的支撐力N2和連接面間的摩擦力f2，如圖3所示。其中y軸表示豎直方向，z軸表示攤鋪寬度方向，連接面間的支撐力N2以及螺栓拉力合力T2的大小均與各連接螺栓預(yù)緊力之和相等，連接面間的摩擦力f2與加長段熨平板自重相等。

3 實(shí)例計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 實(shí)例計(jì)算

下面以一款原連接螺栓數(shù)量為13個的12 m熨平板為例進(jìn)行計(jì)算說明，其熨平板架連接面的尺寸為W=0.5 m，H=0.45 m。以連接螺栓數(shù)量減至6個為設(shè)計(jì)目標(biāo)，則6個連接螺栓在熨平板架連接面上的坐標(biāo)分別為（0.225，-0.2）、（0225，0）、（0225，0.2）、（-0.225，-0.2）、（-0.225，0）、（-0225，0.2），如圖4所示。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)以上分析可知，若要減少連接螺栓的數(shù)量，連接螺栓組的設(shè)計(jì)需遵循以下原則。

（1）盡量增大熨平板架連接面的尺寸，并將連接螺栓分布在離對稱軸線盡可能遠(yuǎn)的地方，即熨平板架連接面的邊緣。

（2）由于最大翻轉(zhuǎn)力矩發(fā)生于正常施工工況，所以將連接螺栓布置于熨平板架連接面的前后兩側(cè)邊緣。

（3）采用力矩扳手控制預(yù)緊力的偏差比較大，如果能采取一些措施減小偏差（如采用摩擦系數(shù)一致性更好的螺栓和墊片），進(jìn)而獲得更準(zhǔn)確的擰緊力矩系數(shù)等，將有利于減少連接螺栓的數(shù)量。

（4）采用更高強(qiáng)度等級和更大公稱直徑的連接螺栓。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合攤鋪機(jī)熨平板連接螺栓受力較大的2種工況，對連接螺栓組的設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面分析，得出了連接螺栓的最大受力、預(yù)緊力及擰緊力矩，在此基礎(chǔ)上提出了減少連接螺栓數(shù)量的設(shè)計(jì)原則，并以常見的12 m熨平板為例進(jìn)行了計(jì)算分析。文中的計(jì)算分析結(jié)果和提出的連接螺栓組的設(shè)計(jì)原則可以為熨平板的連接螺栓組設(shè)計(jì)提供理論支持，根據(jù)實(shí)例所得出的結(jié)果可直接應(yīng)用于現(xiàn)有熨平板的設(shè)計(jì)。

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[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]