淺析塔式起重機(jī)高強(qiáng)度螺栓連接副

張義益　楊開(kāi)淼　虞杰

[摘要]連接副是機(jī)械結(jié)構(gòu)中的重要結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于所有機(jī)械。高強(qiáng)度螺栓連接作為塔式起重機(jī)的重要連接副，它的性能直接影響著塔機(jī)的安全，因此應(yīng)該引起足夠的重視。本文主要通過(guò)理論分析，講述了在塔機(jī)安裝過(guò)程中連接副安裝應(yīng)該注意的事項(xiàng)。

[關(guān)鍵詞]高強(qiáng)度螺栓 預(yù)緊力 塔式起重機(jī)

[中圖分類號(hào)]TH2 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1672-5158（2013）06-0176-01

塔機(jī)工作狀態(tài)極為復(fù)雜，長(zhǎng)期處于高強(qiáng)度、超負(fù)荷工作狀態(tài)，因此對(duì)它的連接副的穩(wěn)定性提出了一定的要求，許多安裝單位未能規(guī)范作業(yè)程序?yàn)槭鹿事裣铝穗[患。2010年7月，我院檢驗(yàn)人員在對(duì)浙江某公司安裝的4臺(tái)塔式起重機(jī)進(jìn)行安裝監(jiān)督檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，其回轉(zhuǎn)支承與基座連接采用m²4的10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓連接，除采用雙螺母防松外（厚螺母在內(nèi)側(cè)，薄螺母在外側(cè)），另加了普通彈簧墊圈，該公司對(duì)塔機(jī)連接副的安裝違反了多條規(guī)定。本文探討了塔式起重機(jī)連接副的選擇和安裝要求，規(guī)范作業(yè)流程，以保證塔機(jī)的工作安全性。

一、高強(qiáng)度螺栓

建筑結(jié)構(gòu)的主構(gòu)件的螺栓連接，一般均采用高強(qiáng)螺栓連接，不可重復(fù)使用，一般用于永久連接，通過(guò)螺栓桿內(nèi)很大的擰緊預(yù)拉力把連接板的板件夾緊，足以產(chǎn)生很大的摩擦力，從而提高連接的整體性和剛度。高強(qiáng)度螺栓連接具有施工簡(jiǎn)單、受力性能好、可拆換、耐疲勞、以及在動(dòng)力荷載作用下不致松動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，是很有發(fā)展前途的連接方法。與普通螺栓不同，高強(qiáng)度螺栓是用特制的扳手上緊螺帽，使螺栓產(chǎn)生巨大而又受控制的預(yù)拉力，通過(guò)螺帽和墊板，對(duì)被連接件也產(chǎn)生了同樣大小的預(yù)壓力。在預(yù)壓力作用下，沿被連接件表面就會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦力，顯然，只要軸力小于此摩擦力，構(gòu)件便不會(huì)滑移，連接就不會(huì)受到破壞，這就是高強(qiáng)度螺栓連接的原理。

它是靠連接件接觸面間的摩擦力來(lái)阻止其相互滑移的，為使接觸面有足夠的摩擦力，有兩方面的影響因素必須提高構(gòu)件的夾緊力和增大。

（1）構(gòu)件接觸面的摩擦系數(shù)。試驗(yàn)表明，摩擦系數(shù)主要受接觸面的形式和構(gòu)件的材質(zhì)影響。為了增大接觸面的摩擦系數(shù)，施工時(shí)常采用應(yīng)噴砂、用鋼絲刷清理等方法對(duì)連接范圍內(nèi)構(gòu)件接觸面進(jìn)行處理。

（2）構(gòu)件間的夾緊力是靠對(duì)螺栓施加預(yù)拉力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以螺栓必須采用高強(qiáng)度鋼制造，這也就是稱為高強(qiáng)度螺栓連接的原因，安裝過(guò)程中施工單位應(yīng)注意預(yù)緊力的控制。

二、高強(qiáng)度螺栓的正確安裝方式

1、根據(jù)GB/T 1231-2006《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件》，“每一連接副包括1個(gè)螺栓、1個(gè)螺母、2個(gè)墊圈，并應(yīng)分屬同批制造”，即這兩個(gè)墊圈應(yīng)采用符合GB/T 1230-2006《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度墊圈》的高強(qiáng)度墊圈；

2、對(duì)頂螺母是靠增大摩擦力來(lái)防松的另一方法。如下圖所示，當(dāng)擰上一個(gè)螺母時(shí)，螺母螺紋牙形的上側(cè)與螺栓螺紋牙接觸，擰上第二個(gè)螺母（稱為副螺母或防松螺母）后，第一個(gè)螺母（主螺母）變?yōu)槁菁y牙形的下側(cè)與螺栓牙接觸，而第二個(gè)螺母螺紋牙形的上側(cè)與螺栓螺紋牙接觸。因此，螺栓上的軸向載荷全部或大部由副螺母的螺紋牙承受。同時(shí)可以看出，只有當(dāng)副螺母的擰緊力矩大于或等于主螺母的擰緊力矩時(shí)，副螺母才會(huì)受載，才能產(chǎn)生防松作用。同樣的道理，對(duì)于采用對(duì)頂螺母防松的螺栓連接，不應(yīng)把薄螺母作為副螺母，因?yàn)楦甭菽甘亲鳛橹饕惺茌d荷的部件。為了不裝錯(cuò)，再考慮到扳手厚度比薄螺母厚，主副螺母都使用標(biāo)準(zhǔn)螺母較好。對(duì)頂螺母防松效果是最好的，但會(huì)造成螺栓長(zhǎng)度增加、螺母數(shù)量增多，連接尺寸和質(zhì)量增加。在安裝過(guò)程中，要遵循初擰、復(fù)擰、終擰三步驟進(jìn)行，以保證安裝質(zhì)量。

三、正確選擇墊圈型式

在工程應(yīng)用中，根據(jù)S/b即剛度不同進(jìn)行分類，可以將彈簧墊圈分為三種，輕型彈簧墊圈（GB859）、標(biāo)準(zhǔn)型彈簧墊圈、重型彈簧墊圈。根據(jù)《彈簧墊圈對(duì)受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接承載能力的影響》，彈簧墊圈由其幾何形狀，可以認(rèn)為它是一個(gè)彈簧簧絲斷面為矩形的單圈圓柱螺旋壓縮彈簧。所以，它的力學(xué)特性在壓平之前，完全可以用圓柱螺旋壓縮彈簧的分析方法。

根據(jù)JG/T 5057.40-1995《建筑機(jī)械與設(shè)備高強(qiáng)度緊固件技術(shù)條件》，“A6.2當(dāng)使用8.8級(jí)或9.8級(jí)螺栓時(shí)，一般不允許采用彈簧墊圈防松。使用其他性能等級(jí)的螺栓，絕不允許采用彈簧墊圈防松”。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，其他性能等級(jí)的螺栓是指性能等級(jí)為10.9和12.9的螺栓。為何如此規(guī)定，原因在于彈簧墊圈的應(yīng)力面積小，8.8級(jí)以上等級(jí)螺栓副的預(yù)緊力和工作中承受的載荷大，單位面積的壓強(qiáng)大，在使用中容易造成連接面被壓塌、彈簧墊圈粉碎，使連接副松動(dòng)。

下面我們以m²4的10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓為例進(jìn)行理論分析。

根據(jù)JG/T 5057.40-1995《建筑機(jī)械與設(shè)備高強(qiáng)度緊固件技術(shù)條件》表A4查得，m²4的10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力值為230kN，根據(jù)GB/T 931987《標(biāo)準(zhǔn)型彈簧墊圈》，d=24.5～25.5mm（取大值偏安全），S（b）=6mm，則彈簧墊圈壓平后受力截面積為268.47mm²，施加預(yù)緊力230kN后彈簧墊圈應(yīng)力為856.7N/mm²。

根據(jù)GB/T 1222-2007《彈簧鋼》，65Mn的抗拉強(qiáng)度不小于980 N/mm²。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》，65Mn的Ⅲ類彈簧許用切應(yīng)力為0.5倍抗拉強(qiáng)度，即490 N/mm²<856.7N/mm²，彈簧墊圈被壓碎。

因此實(shí)際使用中如果采用了彈簧墊圈，就會(huì)出現(xiàn)兩種情況：

（1）按照設(shè)計(jì)預(yù)緊力擰緊，則導(dǎo)致彈簧墊圈被壓碎，連接失效，時(shí)間長(zhǎng)了連接副出現(xiàn)間隙；

（2）施加的預(yù)緊力不夠，保證彈簧墊圈不被壓碎，但是螺栓容易產(chǎn)生松動(dòng)。

無(wú)論哪種情況，均會(huì)導(dǎo)致回轉(zhuǎn)支承與基座之間產(chǎn)生間隙，將導(dǎo)致塔機(jī)重心前移，塔身所受彎矩大幅度增加，可能導(dǎo)致事故發(fā)生。

因此螺栓、螺母、墊圈配合使用時(shí)，塔機(jī)在安裝螺栓時(shí)禁止使用彈簧墊圈，而應(yīng)選用經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)的平墊圈。許多人在認(rèn)識(shí)上有個(gè)誤區(qū)，認(rèn)為彈簧墊片能起到防松的作用，因而一般選用它做墊圈，其實(shí)不然，彈簧墊片無(wú)法滿足強(qiáng)度要求，易出現(xiàn)元件失效等缺陷。

高強(qiáng)度螺栓連接間隙非常小，且對(duì)安裝面的平面度和剛性要求極高，若使用彈簧墊圈就會(huì)破壞螺栓受力的中心性，如右圖所示，同時(shí)也減少螺母對(duì)連接零件的施壓面積和剛性，降低螺栓的連接強(qiáng)度。實(shí)踐證明，選用經(jīng)調(diào)質(zhì)的平墊圈比彈簧墊圈的效果要好得多。

平墊圈通常是各種形狀的薄件，用于減少摩擦、防止泄漏、隔離、防止松脫或分散壓力，當(dāng)有的部位擰緊軸向力很大時(shí)，易使墊圈壓成碟形，這時(shí)可改用材料和提高硬度來(lái)解決。

四、結(jié)論

綜上所述，該公司在安裝過(guò)程中存在如下失誤，如不及時(shí)整改，將成為日后的事故隱患：（1）對(duì)頂螺母安裝順序錯(cuò)誤；（2）彈簧墊圈選型不正確；（3）彈簧墊圈數(shù)量不足。高強(qiáng)度螺栓連接副作為塔式起重機(jī)上重要部件的主要連接方式，它的工作穩(wěn)定性直接影響了整機(jī)工作的安全性，為此應(yīng)確保安裝質(zhì)量。在日常工作過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)連接副的檢查，特別是應(yīng)力集中的部位，應(yīng)定期對(duì)其預(yù)緊力進(jìn)行檢查，防止出現(xiàn)松動(dòng)，對(duì)墊圈磨損或者出現(xiàn)疲勞失效的，應(yīng)及時(shí)更換匹配的部件。