高強度螺栓的重復(fù)使用次數(shù)及疲勞壽命問題

1、塔 式起重機 高 強 度 螺栓 的重 復(fù)使用 次數(shù)及 疲勞壽命 問 題上 海市建材業(yè) 質(zhì)量 監(jiān) 督管理 中心上 海 紡 織 高 等專 科 學(xué)校機械 系賈國喻莊 幼敏內(nèi)容摘要 本文從 高強度螺檢的 緊固原 理 出發(fā), 說明 塔機 上 高強 度螺檢一般 不 可 多次重 復(fù)使 用 的 原 因,并論證 重復(fù)使 用 次數(shù)并不 受疲勞壽命限 制。關(guān)鍵詞 塔機 高強度螺栓 疲勞壽命咭 成 一 21 引 言高強 度 螺栓 聯(lián) 接 是 一 種優(yōu) 越 的鋼

2、 結(jié) 構(gòu)聯(lián) 接 形式, 它具有施工 簡便、易拆換、受力好、耐疲勞、不 松動等優(yōu)點, 所以 目前 已成為塔式起重 機 (以下 簡稱塔機)安裝 的主要聯(lián)接手段。 由于 塔機 在完成 了一 個施工 任務(wù) 后要拆卸 并在下次 使用 時重新安裝, 于是就有了拆卸后 的高強度螺栓能否在下次安裝時再次使用 以及 能 重復(fù)使用幾 次的問題。 由于 緊固件 的使用關(guān) 系到塔機工作的安全 性 以及 施工單位 的經(jīng)濟效益, 因此 必須對 高強 度螺栓 的重

3、復(fù)使用 問題 有一 明確的認識。 建筑 行業(yè) 標 準 JG / 巧0 5 7. 4 。一 199 5 中 已明文 規(guī)定 : 高強 度螺栓螺母使用后拆卸下再 次使用,一般 不得 超過 兩次。 但其 中道理 一些從事塔機設(shè)計的人員 和施 工管理 的人 員并不 真正 了解, 以致于 目前執(zhí)行標準的 情況不 甚 理 想。 據(jù)調(diào)查, 在上 海地 區(qū)百分 之九 十 以上 的塔機 高強度 緊 固件都任其反復(fù)使用, 直 到斷裂為 止, 這對塔機的安全工

4、作是個潛在的危險。 調(diào)查 中發(fā)現(xiàn)的 另 一個 問題是, 有關(guān)執(zhí) 行標 準較 好的工程 技術(shù) 人員 不恰 當?shù)貜?疲勞壽命的角度來對標準 中 的規(guī)定 進行 解 釋, 即 提 出塔機 高強度 螺 栓一般安 全使用 的疲 勞壽命約 為五 年, 因此 每次 施 工1 8 個月左右的塔機, 其高強 度螺栓重 復(fù)使用 次數(shù)便只有兩次, 而每次施工 期較 短 的塔機, 其高強度螺栓重復(fù)使用次 數(shù) 可 以放 寬。 筆者 以為在 這 種說法 中,對高強

5、度螺栓疲勞壽命 的估計是 不夠正 確的, 也 是與實 際不符的, 因此 并 不 能 引導(dǎo) 人 們?nèi)フ?確執(zhí) 行 標準, 為此擬 以本 文 與 有 關(guān) 工 程 技 術(shù) 人 員 進 行 探討。應(yīng) 當指 出, 關(guān)齡 高強 度螺栓 聯(lián)接, 國內(nèi)外 已經(jīng)積 累 了大量 的研究 成果, 其設(shè)計與 施工 問題基 本都獲解決,《 建設(shè)機械技術(shù)與管理) l 熨 巡 , 年第 4 期但國 內(nèi)在 塔機 上使用 高強 度 螺栓 的時 間較 短, 本 文旨在將正

6、確的理論引人該工 程實際。2 從 緊固原理看高強度螺栓的重復(fù)使用 問題高強 度螺栓聯(lián)接有摩擦 型、 張拉型和 承 壓 型三種, 塔機上使用 的屬 于前兩種 聯(lián)接型式, 都是利 用被聯(lián)接板 之間 的摩 擦力 來傳遞 載荷 的。 為 了能 比普遍受拉螺栓聯(lián)接獲得更 好的 聯(lián) 接強 度、聯(lián) 接 剛 性 和聯(lián)接效率, 塔機 上高強度 螺栓必 須 按 正確 的方 法進 行緊固, 以精確地獲得很 高的聯(lián)接預(yù) 緊力。 高強度螺栓常用 的緊 固方法是扭

7、矩 法 和 轉(zhuǎn)角法。 扭矩 法 是 以擰緊扭 矩 M 與預(yù) 緊力 凡 的關(guān) 系 為依 據(jù) 的。 在 高 強 度螺栓出現(xiàn) 以前就已經(jīng) 知道 : M = k· d· 凡 式中k 為扭矩 系數(shù), d 為螺 紋公稱 直徑。式中 、 = 杏 ‘ 。 + 小 奈·d。 — 螺紋 中徑 ;d。 — 螺母和墊 圈接觸 面 的平 均直徑 ;p。 — 螺紋槽當量 摩擦角 ;入— 螺紋 升角 ;產(chǎn)。 — 螺母和 墊 圈間的摩擦系

8、數(shù)所 謂扭矩 法就是將扭矩 系數(shù) 當作定 值, 通 過 控制擰 緊扭矩 從而控制預(yù) 緊力 的一種 緊 固方 法, 顯 然這種方法 必須以扭矩 系數(shù)始終保持計算時 的定值前提, 否則即使擰緊扭矩施 加很精確, 也 無法得 到精確的預(yù) 緊力, 但試驗 和 現(xiàn)場使用 經(jīng)驗都證 實扭 矩 系 數(shù)具 有不穩(wěn)定 的性 質(zhì)。 當將 一 個 擰 緊 的螺 栓聯(lián) 接 松開后 再 次擰緊時, 扭矩 系數(shù)即下 降。 圖 1 所 示 為 日本 的試驗結(jié)果, 表

9、明扭 矩 系 數(shù) 隨重 復(fù)擰 緊次 數(shù)的增 加 而降低的情形, 這 是 由于重復(fù)擰 緊時摩擦表面被磨光,l9川, 已 知 該螺栓 的屈服極 限 人 : = 108 0 M p a , 強度極限 。。 二 12 0 M p h, 預(yù) 緊力(取 保證載荷值)凡 二6 7 3 K N, 公稱 應(yīng)力 面 積 A 二 69 4 ~2 。 粗 估 疲 勞壽命可按 如下步 驟進行 :(l ) 應(yīng) 力振幅 幾一般可 取 應(yīng) 力 幅 為 o. 3a o

10、: , 則應(yīng) 力 振 幅 a 。 二栓 的重 復(fù)使用次數(shù)問題是一 種誤解。口(伽 !口 目硯悶份翻0. 3 萬甄 2口 口 }!口 }1}}口 } 日} } 口 { 日}口 口 田 口 門 曰走}口 }川 口 } 日} } 口 }川 口 口 田 日 口 口刁圈 叫 }】 口 } }}} } 口 { 日}口 口 田 口 日 口 }!口 }}m 曰目 }} 口 }日 }口 口 壓 「 } } } 川 ! 時、、 袱 }= 16 2 用r P

11、 a 護 2 “ 砂 2 “ 護 之 “ 一 ‘ 2 “ 擴 2 “ 擴(2 ) 下 限應(yīng) 力。 = 凡_一 ~ AJ 潮6 7 3 x IJ69 4二 9 7 0 趙甲a(3 ) 平均應(yīng) 力 。?？?。 二 a ~ + J 。 二 97 0 + 16 2 = 1 132 M Pa( 4 ) 應(yīng) 力水 平 口 ‘。 , 二 幾。 。 + 再 。。1 一 風 式 中 凡d =以上 兩式中各系數(shù)為 :有效應(yīng) 力集中參數(shù) 凡 = 3. 5 (「

12、 3 ] 表 1. 5 一 3 )絕對尺 寸影 響系數(shù) : 。 二 0. 77 ( 「 3 〕 表 1. 2一4 )表 面加 工系數(shù) 夕, = 0. 4 2 (〔 3 」 表 1. 2一 5) ;表 面強化系數(shù) 民 = 1. 8([ 3 ] 表 1. 2一7 ) ;鋼 材平均應(yīng) 力影 響系數(shù) 六 二 o. 18 ( 「 3」 表 1. 1所以 凡= + 俞一 ‘ , 六= ’· 29a ‘ = 3. 2 9 x 16 2 +

13、0. 18 x 113 2 = 7 3 6. 7 4 M P’ a( 5 ) 鋼 的近 似 , N 曲線當應(yīng) 力循環(huán) 次數(shù) N 二 IJ 時, a _ 1 二 0. 2 7 ( 。。 +a 0 2 ) = 6 15. 6 淚, a ; 當 刃 = l護 時, a _ l, * o. g a 。 =r o s o P a。在雙對 數(shù)坐標紙 上 連接這 兩 點得 鋼 的 口 _ ,曲線 中 的斜直線部分, 如圖 4 所 示。 由圖知, 應(yīng)

14、力水平 a ‘ = 7 3 6. 7 4 川r P a 時的破壞 循環(huán) 次數(shù)約 為從 二 s xl了。( 6 ) 佑 計 高 強度 螺栓的壽命一般, 塔機 一 年的工作循環(huán) 次數(shù) 可定 為 2 1 儀X)次, 若以此作為高強度螺栓 的年壽命要求, 則可算得12. 9 級 M 3 高強 度螺栓 的疲 勞壽命為 5 x l了/ 2 1 《 X )二 2 4 年。以上疲 勞 壽命約 估算較 為粗糙, 但對 估計高強度 螺栓 壽命的數(shù)量 級還

15、是可取 的。 可見, 塔機 上高強度螺栓的疲勞 壽命遠 不止 五年, 因此 從 疲 勞壽 命的觀點出發(fā), 用塔 機經(jīng) 歷 的工 程 時 間長 短來 解 釋其 螺《 建設(shè)機械技術(shù)與管理) l ( 理〕年第 4 期圖 4 鋼的 。一 N 近似曲線塔機 上 使用 的 高強 度 螺栓 的抗 拉強 度極 限均在 so MP a 以上。 一般地說, 強度 越高的零件對應(yīng)力集 中越敏 感, 也就 越容易 發(fā)生疲 勞破壞, 加之塔 機遭受 的側(cè) 向變動

16、風 載、螺栓 遭 受 的 電腐蝕 和銹蝕均 會影 響高強度螺栓 的疲勞壽命, 從 這 一 點上 說對 高強度 螺栓 的疲 勞問題引起足 夠重視 是必要 的。 但 同時我們也不可不 注 意到高強度螺栓的兩 大特點, 一 是它 以滾碾法 制造, 應(yīng)力集 中大大 降低 ;二 是它 導(dǎo)人很高的預(yù) 緊力(下 限應(yīng) 力較高), 因此 在外載荷變動很大時也 能保持較小的應(yīng)力振幅。 國外試驗結(jié)果 表明, 影 響高強 度螺栓疲勞強 度的主 要 因 素正

17、是應(yīng)力振幅, 而平均應(yīng)力 和下 限應(yīng) 力 的影響甚 小, 所 以高的預(yù)緊力對其疲勞強 度 是極 其 有 利 的 (這 也就 是 高強度螺栓 為何 要精確地施 以 高 的預(yù) 緊力 的原 因之一 )。長期 的實踐也 證 明, 在高強 度螺栓 聯(lián) 接中由高強 度螺栓 本身發(fā) 生疲 勞 而使聯(lián)接 破壞 的情 況極 為少 見,有時, 強度級 別很 高的高強度螺栓 在使用 中會發(fā) 生脆斷, 但這往 往是延 滯斷裂 而并非疲勞斷裂 ( 塔機使用 的高

18、強度 螺栓 的 強度極 限均在 13田MP a 以下, 發(fā)生延 滯斷裂 的可能性也不大, 詳細可 見有關(guān)專著 )。4 結(jié)語綜上所 述, 高強度螺栓重復(fù)使用次數(shù)一 般不 受螺栓疲 勞壽命的限 制, 主要 是 受到 精確預(yù) 緊力 要 求的限制。 由于預(yù) 緊力值直接關(guān) 系到 高強 度螺栓 聯(lián)接的使用性 能, 因此 塔機施 工 管 理人 員必 須 按 照行 業(yè)規(guī)范, 切實做好高強度 螺栓重 量復(fù)使用 的管理工作。參 考文獻1. 建筑 工 業(yè)行業(yè)