淺析塔式起重機高強度螺栓連接副

張義益　楊開淼　虞杰

[摘要]連接副是機械結構中的重要結構，廣泛應用于所有機械。高強度螺栓連接作為塔式起重機的重要連接副，它的性能直接影響著塔機的安全，因此應該引起足夠的重視。本文主要通過理論分析，講述了在塔機安裝過程中連接副安裝應該注意的事項。

[關鍵詞]高強度螺栓 預緊力 塔式起重機

[中圖分類號]TH2 [文獻標識碼]A [文章編號]1672-5158（2013）06-0176-01

塔機工作狀態極為復雜，長期處于高強度、超負荷工作狀態，因此對它的連接副的穩定性提出了一定的要求，許多安裝單位未能規范作業程序為事故埋下了隱患。2010年7月，我院檢驗人員在對浙江某公司安裝的4臺塔式起重機進行安裝監督檢驗時發現，其回轉支承與基座連接采用m²4的10.9級高強度螺栓連接，除采用雙螺母防松外（厚螺母在內側，薄螺母在外側），另加了普通彈簧墊圈，該公司對塔機連接副的安裝違反了多條規定。本文探討了塔式起重機連接副的選擇和安裝要求，規范作業流程，以保證塔機的工作安全性。

一、高強度螺栓

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

它是靠連接件接觸面間的摩擦力來阻止其相互滑移的，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件的夾緊力和增大。

（1）構件接觸面的摩擦系數。試驗表明，摩擦系數主要受接觸面的形式和構件的材質影響。為了增大接觸面的摩擦系數，施工時常采用應噴砂、用鋼絲刷清理等方法對連接范圍內構件接觸面進行處理。

（2）構件間的夾緊力是靠對螺栓施加預拉力來實現的，所以螺栓必須采用高強度鋼制造，這也就是稱為高強度螺栓連接的原因，安裝過程中施工單位應注意預緊力的控制。

二、高強度螺栓的正確安裝方式

1、根據GB/T 1231-2006《鋼結構用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術條件》，“每一連接副包括1個螺栓、1個螺母、2個墊圈，并應分屬同批制造”，即這兩個墊圈應采用符合GB/T 1230-2006《鋼結構用高強度墊圈》的高強度墊圈；

2、對頂螺母是靠增大摩擦力來防松的另一方法。如下圖所示，當擰上一個螺母時，螺母螺紋牙形的上側與螺栓螺紋牙接觸，擰上第二個螺母（稱為副螺母或防松螺母）后，第一個螺母（主螺母）變為螺紋牙形的下側與螺栓牙接觸，而第二個螺母螺紋牙形的上側與螺栓螺紋牙接觸。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。同時可以看出，只有當副螺母的擰緊力矩大于或等于主螺母的擰緊力矩時，副螺母才會受載，才能產生防松作用。同樣的道理，對于采用對頂螺母防松的螺栓連接，不應把薄螺母作為副螺母，因為副螺母是作為主要承受載荷的部件。為了不裝錯，再考慮到扳手厚度比薄螺母厚，主副螺母都使用標準螺母較好。對頂螺母防松效果是最好的，但會造成螺栓長度增加、螺母數量增多，連接尺寸和質量增加。在安裝過程中，要遵循初擰、復擰、終擰三步驟進行，以保證安裝質量。

三、正確選擇墊圈型式

在工程應用中，根據S/b即剛度不同進行分類，可以將彈簧墊圈分為三種，輕型彈簧墊圈（GB859）、標準型彈簧墊圈、重型彈簧墊圈。根據《彈簧墊圈對受軸向載荷的緊螺栓聯接承載能力的影響》，彈簧墊圈由其幾何形狀，可以認為它是一個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JG/T 5057.40-1995《建筑機械與設備高強度緊固件技術條件》，“A6.2當使用8.8級或9.8級螺栓時，一般不允許采用彈簧墊圈防松。使用其他性能等級的螺栓，絕不允許采用彈簧墊圈防松”。根據該標準，其他性能等級的螺栓是指性能等級為10.9和12.9的螺栓。為何如此規定，原因在于彈簧墊圈的應力面積小，8.8級以上等級螺栓副的預緊力和工作中承受的載荷大，單位面積的壓強大，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。

下面我們以m²4的10.9級高強度螺栓為例進行理論分析。

根據JG/T 5057.40-1995《建筑機械與設備高強度緊固件技術條件》表A4查得，m²4的10.9級高強度螺栓預緊力值為230kN，根據GB/T 931987《標準型彈簧墊圈》，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，施加預緊力230kN后彈簧墊圈應力為856.7N/mm²。

根據GB/T 1222-2007《彈簧鋼》，65Mn的抗拉強度不小于980 N/mm²。根據《機械設計》，65Mn的Ⅲ類彈簧許用切應力為0.5倍抗拉強度，即490 N/mm²<856.7N/mm²，彈簧墊圈被壓碎。

因此實際使用中如果采用了彈簧墊圈，就會出現兩種情況：

（1）按照設計預緊力擰緊，則導致彈簧墊圈被壓碎，連接失效，時間長了連接副出現間隙；

（2）施加的預緊力不夠，保證彈簧墊圈不被壓碎，但是螺栓容易產生松動。

無論哪種情況，均會導致回轉支承與基座之間產生間隙，將導致塔機重心前移，塔身所受彎矩大幅度增加，可能導致事故發生。

因此螺栓、螺母、墊圈配合使用時，塔機在安裝螺栓時禁止使用彈簧墊圈，而應選用經過調質的平墊圈。許多人在認識上有個誤區，認為彈簧墊片能起到防松的作用，因而一般選用它做墊圈，其實不然，彈簧墊片無法滿足強度要求，易出現元件失效等缺陷。

高強度螺栓連接間隙非常小，且對安裝面的平面度和剛性要求極高，若使用彈簧墊圈就會破壞螺栓受力的中心性，如右圖所示，同時也減少螺母對連接零件的施壓面積和剛性，降低螺栓的連接強度。實踐證明，選用經調質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，當有的部位擰緊軸向力很大時，易使墊圈壓成碟形，這時可改用材料和提高硬度來解決。

四、結論

綜上所述，該公司在安裝過程中存在如下失誤，如不及時整改，將成為日后的事故隱患：（1）對頂螺母安裝順序錯誤；（2）彈簧墊圈選型不正確；（3）彈簧墊圈數量不足。高強度螺栓連接副作為塔式起重機上重要部件的主要連接方式，它的工作穩定性直接影響了整機工作的安全性，為此應確保安裝質量。在日常工作過程中應加強對連接副的檢查，特別是應力集中的部位，應定期對其預緊力進行檢查，防止出現松動，對墊圈磨損或者出現疲勞失效的，應及時更換匹配的部件。