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摘要：螺栓连接结构简单，拆卸方便，成本低廉，广泛应用于各类机械结构中。但螺栓连接结构也存在着明显的缺点，由于防松措施不当、预紧力不足、螺栓等级选型错误且在振动环境中使用，松动现象时常发生，甚至是螺栓被剪断，引发重大安全事故。
关键词：升降机；制动器；连接螺栓；松动问题；措施
本文通过一台曳引式简易升降机制动器联轴器固定螺栓松动，对其联轴器螺栓进行静力学分析及强度理论校核，明确了松动原因，并提出相应的防松措施。为了更清楚地受力分析螺栓松动，推导出联轴器两端面滑移临界点公式，把松动过程分为制动器联轴器两端面不发生滑移和发生滑移两阶段。提出了把松动控制在第一阶段的相关措施，并应用第四强度理论校核了松动第二阶段螺栓的合应力和剪切应力强度，比较分析了松动第二阶段在不同数量螺栓下的受力特性，讨论了动应力作用下的影响及存在的隐患。
1设备的缺陷情况描述
2018年3月23日，对宁波庄宏亿轴承有限公司一台曳引式简易升降机实施定期检验过程中，发现该升降机电机输出轴与减速器输入轴之间的制动器联轴器连接松动（见图1），具体表现为：联轴器上螺栓1脱落，螺栓2和螺栓3的配合螺母脱落，螺栓4的配合螺母已经脱离防松弹垫表面，防松弹垫已经失去作用，导致电机输出轴与减速器输入轴有游动间隙，设备处于严重隐患中，若螺栓全部脱落，制动器将失效，很有可能发生剪切，坠落事故，后果不堪设想。
该联轴器螺栓连接方式为普通螺栓连接，螺栓与孔间有间隙，如图2所示。螺栓在预紧力足够的情况下，只受拉力。但发生上述情况后，预紧力缺失，螺栓松动脱落，联轴器中电机输出轴端面与制动轮端面（也就是减速器输入轴端面）产生相对滑移，螺栓受到横向剪切力。
经整体检验，盘车手轮固定松动，随着升降机的起制动，通过电机轴，给制动器处增加了振动。该升降机使用多年，且运输货物为轴承，长期运行于重载之下，故加剧了减速器齿轮间，轴键间等传动连接件间的磨损，加大了传动连接件间的配合间隙，再加上升降机控制方式为电源与电动机直接启动，这些干扰源导致振动加剧，相互作用导致系统处于耦合振动，使一些部件产生有害的弹性变形和塑性变形，造成疲劳，裂纹甚至断裂。
2螺栓松动原因分析
2.1安装同轴度检测
经检测，制动器制动轮径向跳动为0.02mm，符合标准GB/T24478—2009《电梯曳引机》的规定，制动轮的径向跳动值不大于制动轮直径的1/3000，故排除安装上的原因。
2.2螺栓强度校核
该联轴器选用的螺栓等级为4.8级M12，为普通碳素钢螺栓。假设螺栓预紧力F0合理，使联轴器两端面不发生滑移，则螺栓只受拉力，故对螺栓的拉应力进行校核。螺栓受拉应力公式为：
（1）
式中：F0——螺栓预紧力，N；
σ1——螺栓所受拉应力，MPa；
d——螺栓有效直径10.31，mm；
1.3——是为了考虑螺栓螺纹牙受螺旋摩擦，产生扭转切应力，而放大1.3倍的拉应力，只按拉应力计算螺栓强度。
查螺栓预紧力推荐表M12预紧力矩推荐表值为30N?m，根据公式T=μF0D可得F0=16667N，代入式（1）得σ1=250MPa。
根据文献，控制预紧力时，安全系数S取1.2～1.5。当S取1.2时，4.8级螺栓许用拉应力[σ]=400×0.8/1.2=266MPa，σ1与[σ]已相当接近；但当S取1.28以上时，螺栓所受拉应力均大于许用应力，不满足强度校核。
2.3塑性变形情况
由于该升降机制动器螺栓处于耦合振动中，在轴向交变载荷作用下，螺纹接触面容易发生塑性变形，夹紧力下降。经现场检测发现，螺栓2的螺纹表面由于磨损，已露出金属光泽，表面间带有金属磨屑，且螺纹带有轻微塑性变形。综上所述，此升降机制动器螺栓松动主要原因为2个：1）预紧力不足；2）预紧力合理的情况下，螺栓强度安全裕度不足，再加上制动器螺栓处于振动环境中，受到交变载荷应力，普通碳素钢螺纹牙易发生变形及磨损，螺栓夹紧力下降，故发生松动现象。
3螺栓松动过程探讨
3.1松动两阶段定义
制动器联轴器螺栓在推荐预紧力下，联轴器两端面不发生滑移，但螺栓在受交变载荷且螺纹牙强度不足的情况下，螺纹牙发生变形磨损，夹紧力下降，随着松动加剧，夹紧力不断下降，致使两端面最大静摩擦力不断减小，当最大静摩擦力不足以抵消联轴器所受扭力时，两端面便发生滑移。定义两端面不滑移阶段为松动第一阶段，发生滑移阶段为松动第二阶段。
3.2滑移临界点的公式推导
若螺栓施加合适的预紧力F0，使联轴器两端面不发生滑移则：
因此可得如下结论：
1）f-CF=0是螺栓松动处于第一阶段还是第二阶段的临界点。当f≥CF时，螺栓松动过程处于第一阶段，联轴器靠两端面间的摩擦力来传递扭矩，螺栓只受到拉应力作用。
2）最大静摩擦力f越大，螺栓受力越远离松动临界点，螺栓紧固性越好。由式（3）可得，螺栓数目一定情况下，螺栓的夹紧力在预紧力F0时，最大静摩擦力f最大，但随着螺栓逐渐松动，夹紧力下降，导致f下降，若不采取紧固措施，f下降至松动临界点CF时，松动过程即由第一阶段过渡到第二阶段。
3.3控制在松动第一阶段的意义及措施
已知P=7.5kW，R=0.06m，n=960r/min，代入式（4），得F=1243N。
又已知n0=4；μ=0.15；取C=1.2，代入式（5），得临界点值CF=1492N。
处于松动临界点的螺栓夹紧力F0′，由式（3）、式（5）计算可得F0′=2486N，螺栓夹紧力由预紧力16667N到2486N，由松动第一阶段过渡到第二阶段，夹紧力下降量大，两端面静摩擦力不足以承受扭力。随着升降机的起制动，联轴器两端面产生滑移，对螺栓将会产生冲击，螺栓可能受剪切断，或者随时完全松动脱落。
综上所述，即使发生松动，也要把松动控制在第一阶段，即增大最大静摩擦力f，故由式（3），控制在松动第一阶段的措施有：1）增加联轴器固定螺栓数目n0；2）在满足螺栓强度校核的前提下，增大预紧力F0；3）增加联轴器两半端面间的最大静摩擦系数μ。
结论
制动器联轴器螺栓可选用6.8级机械构造用碳钢螺栓，提高螺纹牙强度，减小变形及磨损，增加固定可靠性。固定盘车手轮，加强曳引机蜗轮蜗杆等传动部件润滑，调整制动轮联轴器，电机输出轴，减速器输入轴的同轴度，提高机构装配精度，以减少系统振动。也可采用减载销，减载套筒等减载装置，来增加振动变载下的螺栓固定可靠性，提高承载能力。在确保满足螺栓满足拉应力强度校核下，施加合适的预紧力。螺栓松动过程以f＝CF为滑移临界点，松动第二阶段，螺栓夹紧力大大下降，电机输出轴和减速器输入轴已存在游动间隙，且制动器联轴器连接螺栓不仅会受到交变载荷应力，还将受到较大的冲击剪切力，不仅会加快松动过程，且有可能切断螺栓，故可通过增加螺栓个数、增大预紧力等措施，把松动控制在第一阶段。
参考文献
[1]吴方春.施工升降机制动器故障原因探讨[J].浙江建筑，2006（01）：28+19.
[2]张赤诚.升降机制动器的受力计算[J].探矿工程，2007（02）：12-16.
论文作者:王江峰
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第14期
论文发表时间:2018/10/11
标签：螺栓论文; 联轴器论文; 端面论文; 制动器论文; 应力论文; 升降机论文; 静摩擦力论文; 《建筑学研究前沿》2018年第14期论文;