高强度螺栓紧固技术在采煤机中的应用研究

赵友军，李钰

（1.西安煤矿机械有限公司，陕西西安710032；2.西安科技大学机械工程学院，陕西西安710054）

高强度螺栓紧固技术在采煤机中的应用研究

赵友军1，2，李钰1

（1.西安煤矿机械有限公司，陕西西安710032；2.西安科技大学机械工程学院，陕西西安710054）

煤矿井下采掘机械承受交变载荷和振动非常严重，对螺纹紧固件拧紧性能有很大影响。研究当前电牵引采煤机分段式机身的螺栓紧固技术，通过螺栓紧固基本原理分析，建立了扭转力矩和预紧力数学模型，对高强度螺栓扭矩力矩控制法、大直径高强度螺栓液压紧固和超级螺母紧固法的特点、工作原理和拧紧性能进行对比，给出了采煤机等重型机械高强度螺栓紧固的依据和建议。研究对提升采煤机机身螺栓紧固的可靠性具有重要意义。

采煤机；高强度螺栓；扭转力矩控制；液压螺母

为高强度螺栓提供适当的预紧力是一项艰巨的工作，不同行业领域或特定的应用环境相应选择不同的紧固技术[1]。目前煤机行业，主流采煤机多采用分段式横向机身布置，机身主要由牵引部、行走箱、电控箱等部件组成。采煤机工作过程中承受较大交变载荷和振动，特别是在割矸石、过断层期间，极易导致螺纹紧固件拧紧性能下降。如果由高强度螺栓连接的大部件间产生松动，有可能导致严重安全事故。因此对采煤机用高强度螺栓紧固技术的研究十分必要。

1　螺栓紧固理论

根据GB/T 16823.2-1997《螺纹紧固件紧固通则》，为确保螺纹连接体的可靠性，实现其设计功能，预紧力应由实际使用条件和强度计算决定。预紧力的下限值须保证被连接件在工作过程中始终可靠贴合；预紧力的上限则由螺栓、螺母和被连接件的强度决定，保证螺栓及被连接件在预紧和工作过程中，不会发生拉长、剪断和疲劳断裂等破坏，典型的设计标准是螺栓的预紧力上限不超过屈服强度的90%.在安装使用中，选取适当的拧紧方法并准确控制紧固力矩十分必要。扭矩力矩控制是最常用的紧固方法之一，根据力偶平衡条件可推导出扭-拉关系式，从而确定拧紧力矩的大小，并进一步得到扭矩系数k的表达式[5]。

式中，d为螺纹公称直径；F0为预紧力；K为拧紧力矩系数；T为拧紧力矩。

式中，d2为螺纹中径；φ为螺纹升角；ρv为螺纹当量摩擦角；μ为螺母与被联接件支承面间的摩擦因数；DW为支承面摩擦扭矩的等效直径；d0为接触的支承面内径。

2　高强度螺栓扭转力矩控制

采煤机结构复杂，工作环境恶劣，要求各连接件间的紧固螺栓具有较高的紧固性能。螺栓连接预紧力越大，其承载能力就越大，接头的效率也就越高。高强度螺栓屈服强度高，且具有较高的预紧力[3]。如某高强度螺栓8.8级产品的屈服点可达640 N/mm2.经SPS-安布内科横向振动试验机的防松振动试验结果显示，当螺栓轴向预紧力由0.25 δs增加到0.45 δs时，防松效果提高13.2倍[4]。当预紧力达到0.75 δs时防松效果还将大大提高。

近年伴随国内铸造水平及热处理水平提升，作为螺纹连接基体材料的采煤机壳体材料性能显著提高。如壳体韧性达140 J/cm2，提高近100%，使高强度螺栓的材料强度可以得到充分利用，螺栓预紧力得以大幅提高。

目前采煤机各连接件间的高强度螺栓连接尤其螺栓尺寸在M24以上的螺栓连接多采用扭转力矩控制，即给定螺栓紧固力矩，并为螺栓紧固提供明确操作规范。如某摇臂行星头M27×765、12.9级高强度螺栓，设计安装扭转力矩为1533 N·m，按四部紧固法进行紧固。第一次为初拧，拧紧力矩一般不少于安装力矩的30%；第二次紧固力矩为安装扭矩的70%；第三次紧固力矩为100%安装拧紧力矩；第四次为检查紧固，以最终拧紧力矩检查所有紧固螺栓。其余关键连接位置高强度螺栓亦标明安装扭转力矩要求，并在相关操作规范中，明确紧固细则。

通过扭转力矩控制，紧固高强度螺栓方便、有效，但螺栓仅能承受最大屈服强度的70%，另外30%左右会因为紧固扭力产生的扭转应力而丢失[6]。

3　液压螺母紧固

液压螺母完全改变了传统的螺纹紧固方式，把传统的扭矩锁紧改为轴向拉伸锁紧，即是用液压螺母借助于超高压油泵的动力，将紧固螺栓轴向拉长，接近材料的屈服点，利用材料自身的弹性将螺纹锁紧。根据预紧力产生原则的不同，螺栓紧固可分为旋转紧固法（如扭转力矩控制，通过旋转预紧器直接产生预紧力）和预紧法（如液压法，不使用预紧器紧固螺栓，而是通过外力直接将螺栓扣紧）。而液压高强度螺栓采用的是预紧法来紧固螺栓。

液压螺母是国外90年代发展起来的一种新型强力紧固元件，经过几年的发展已经广泛应用于煤矿、发电、石油、冶金、航空及化工等众多重型机械领域。煤矿机械中的采煤机既要满足向井下运输的需要，又要满足各部件之间的连接可靠性，还要满足经常维修而进行的拆装需要，采用液压螺母就可以很轻松地实现大型设备各箱体之间的可靠连接并确保设备在正常工作中不松动地使用安全性。目前国内新型液压防松螺母已研制成功，并在采煤机的应用中得到了实践验证，效果很好。

如图1所示为液压防松螺母的内部结构，它由一个带螺母的缸体、塞体、螺环（锁紧背帽）和组合密封等组成，塞体上装有最大可承受200 MPa工作压力的超高压密封，液压螺母内的缸体注入高压油后，推动螺母缸体向拉紧螺栓的方向移动，使螺栓产生弹性变形而被拨长，与螺环之间产生一个间隙（即弹性变形量），此时螺环向缸体侧拧紧，贴紧缸体螺母，使间隙消失，然后撤去压力油，阻止螺杆不能回缩，从而达到了高预紧力锁紧的防松效果[7]。

图1　液压螺母工作原理

液压螺母通过控制液压油的压力产生相应大小的预紧力，防止工作时出现超载或预紧力不足的情况，同时螺栓联接组的所有螺栓被均匀压紧至被联接件。所以，紧固件不会出现倾斜、翘曲等现象，从而影响预紧力的真实值，大大提高了紧固件在振动工况条件下的可靠性。由于采煤机受井下工作面空间限制，很多机体部位不能用长套管扳手锁紧，而常规旋转紧固法需要有足够操作空间，且工作中大部分的扭转力用于克服摩擦力（高达90%），锁紧大直径螺母时效率很低，常常达不到预紧力要求。所以，采煤机使用液压螺母可以在狭窄空间中有效地锁紧紧固件，且操作简便、安全系数高。

4　超级螺母紧固

预紧法紧固采煤机高强度螺栓，除用液压螺母外，Superbolt超级螺母紧固也逐渐成为一种趋势[8]。

超级螺母由一个带着多个顶推螺栓的圆形螺母和超硬垫片组成，如图2所示。工作前，先将硬垫片套入螺杆，再将圆螺母沿螺杆螺纹方向拧下，接触到硬垫片即可。拧紧时，按照操作规程用手动扳手拧紧顶紧螺钉。超级螺母将紧固力分散在多个顶推螺栓上，顶推螺栓直径小，所需扭转力矩小，但数量多，集中起来产生强大推力合力作用在硬垫片上，同时紧固件螺杆上也产生了一个同等的反作用力。如当紧固一个直径101.6 mm（4英寸），螺距为8TPI的螺栓时，其预紧力为310 MPa，当采用普通螺母紧固时，所需紧固力矩为41.55k N·m，当使用超级螺母时，则仅需296 N·m.

图2　超级螺母工作原理

液压螺母紧固当液压力消失后，螺栓将迅速回弹并扣紧螺母。因此约有三分之一的载荷会损失。螺栓仅能使用其屈服强度的66%，对于尺寸较长螺栓，该数值可增加至80%.而超级螺母预紧时不会产生不良扭转应力或螺栓回弹力，螺栓可使用屈服强度的90%.超级螺母在汽轮机和化学反应器等行业广泛应用，操作简单、便于维护，并以超长无故障使用周期充分证明了其可靠性，但其价格较高。如图3所示。

图3　采煤机摇臂部超级螺母紧固

5　结束语

本文依据采煤机实际使用工况，介绍了几种高强度螺栓紧固技术。在对螺栓紧固原理进行分析的基础上，说明扭矩力矩控制法中预紧力和扭转力矩的关系。并以此为依据，为实际使用中高强度螺栓紧固力矩的选择和控制提供理论依据。当高强度螺栓直径达M39以上，应用扭转力矩控制预紧力转化率仅为70%，选用液压螺母、超级螺母的预紧力控制法控制高强度螺栓预紧力，经实践检验，具有良好紧固效果。

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

[2]吴肇峰，王斌武，苏庆勇.联接振动机械螺栓的选材与强化[J].林业机械与木工设备，2004，（1）：35-40.

[3]王伯琴，陈录如，陈先峰．高强度螺栓连接[M]．北京:冶金工业出版社，1991．

[4]穆金禄，胡贵琼．高强度螺栓的安全度[J].桥梁建设，1996，（8）：20-24．

[5]成大先．机械设计手册：联接与紧固[M]．北京：化学工业出版社，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

赵友军（1971-），男，陕西渭南人，在读硕士，高级工程师，研究方向:机械制造及采煤机械。