塔式起重機標準節連接套布置

王勇玲，陳黎峰

(浙江省特種設備檢驗研究院，浙江 杭州 310012)

1 概 述

塔式起重機(以下簡稱塔機)塔身標準節的連接主要有螺栓連接、銷軸連接和瓦套連接等幾種形式。其中，螺栓連接因其為標準件，具有采購更換方便的特點，因此在中小型塔機中得到廣泛的應用。螺栓連接在行業內又稱高強度螺栓連接，具體連接方式為將高強度螺栓穿過上下兩個塔身標準節連接套孔，按照螺栓緊固的要求將每個螺栓擰緊到規定力矩，從而將塔身標準節相互間連成一個整體，實現載荷的無沖擊傳遞，高強度螺栓主要承受拉壓應力!用。

在實際使用中我們發現，中小型塔機中大量使用桁架結構的塔身，它由4根主弦桿和水平、斜支撐桿組成，其連接套布置形式如圖1所示，連接套端面與主弦桿的端面齊平，直接焊接在主弦桿的3個角上（或在角的附近），最外1個角不焊任何東西，起到塔機標準節自升降過程中套架導輪的導軌作用。

這種通過連接套方式連接標準節，傳遞力的形式，其在連接套焊接位置有焊接應力和應力集中現象，同時存在交變應力，易使主弦桿與連接套的焊接部位產生疲勞裂紋，嚴重的甚至導致塔身主弦桿斷裂折斷，造成整機傾翻事故。如圖2所示為某塔機在使用時，在連接套熱影響區和應力集中薄弱位置出現了嚴重的裂紋。

2 連接套常規布置及分析

塔機設計圖紙要求，連接套端面與主弦桿端面齊平，如圖3所示。在制造加工過程中，加工順序應為連接套焊接——端面銑平，由于主弦桿壁薄，連接套壁厚，主弦桿連同連接套一起在端面切削加工時，端面對銑刀的阻力不一，導致銑刀軸向力大小略有不同（主弦桿位置軸向力小，連接套位置軸向力大），由于設備的自身精度問題，待銑削完成后，出現端面不齊平，銑床裝配精度越低，連接套突出端面現象越明顯，如圖3所示。此時，標準節在安裝后出現如圖4所示的配合情況，我們針對該種工況對其進行受力分析。

1）當塔機上部受到垂直載荷、彎矩和扭矩作用后，通過塔機標準節主弦桿傳遞到某連接截面上，出現主弦桿母材由均勻受力向集中通過連接套與主弦桿之間的焊縫受力轉變，緊接著由焊縫受力向連接套受力傳遞，再通過連接套傳遞到下一連接套及往后繼續。

2）不管塔身標準節是承受拉應力還是壓應力，力都是從連接套和主弦桿之間的焊縫傳遞，對于主弦桿，存在嚴重的應力集中問題，容易使主弦桿在焊縫位置的母材出現疲勞。目前絕大部分小型塔機圖紙都為這種設計形式，很難避免應力集中問題。

3）當塔機標準節主弦桿承受壓應力時，連接套受力情況為：上部承受焊縫向下的剪切應力，下部承受向上的軸力，兩力大小相等，方向相反，同時由于該兩力作用點不在同一軸線上，存在一彎矩，受力圖如圖4a所示。當該截面主弦桿承受計算最大壓應力時，應力大小為該截面以上塔機自重和連接螺栓預緊力總和。由于塔機高度高，自重大，因此該壓應力大。當塔身承受上部最大彎矩下，連接套所處的最不利情況是，所有上部壓應力載荷集中作用在該主弦桿上，導致該主弦桿上的連接套焊縫及其熱影響區位置的母材受力過大，出現屈服斷裂失效現象。

4）當塔機標準節主弦桿承受拉應力時，連接套受力情況為：上部承受螺栓尾部向下的軸向壓應力，焊縫位置承受主弦桿向上的剪切應力，同時，該兩力還產生一彎矩，受力圖如圖4b所示。當該主弦桿承受計算最大拉應力時，拉應力大小為該截面以上主弦桿對該連接套的拉力和連接螺栓預緊力之和。

從QTZ125B(C)F0/23B(C)塔式起重機安裝使用說明書中查得：該塔機固定式時，工作狀態：主弦桿最大壓應力108t、最大拉應力為68t（相差40t）；非工作狀態：主弦桿最大壓應力為192t、最大拉應力為157t（相差35t），拉應力遠小于壓應力。

塔機標準節的連接在設計計算時，僅考慮連接套的拉應力，而沒有對其承受的壓應力進行核算。因此在制造加工過程中出現端面不平問題后，塔機主弦桿與連接套的焊接區域在使用過程中出現局部超載現象，同時還承受間歇性的拉壓交變應力，使得該區域出現疲勞，最后發生斷裂破壞問題。

3 連接套的合理布置及分析

為了避免實際使用時連接套所承受到的附加壓應力，設計時可將連接套往主弦桿中間位置移動約1～2mm，只要保證在端面切削時，僅切削主弦桿母材，而不對連接套進行切削即可，如圖5所示。這樣，在主弦桿端面加工后，由于母材厚度均勻，端面平面度能滿足要求。使用時，標準節與標準節間的主弦桿端面直接接觸。

當標準節主弦桿受到壓應力時，垂直作用力不通過連接套及其連接螺栓，而是直接通過主弦桿傳遞到下一標準節主弦桿上，考慮主弦桿的彈性變形，此時連接套的受力為小于螺栓的預緊力，減小了連接套及其焊接位置的受力，該力大小遠小于連接套常規布置時所受的力，同時，主弦桿截面受力均勻，能保證標準節的連接更加安全可靠。當標準節主弦桿受到拉應力時，連接套受力情況與常規布置時一致。

通過合理化布置連接套后，標準節的連接強度大大降低，更能保證設備的使用安全；在標準節的連接設計計算時，可僅對主弦桿受拉時進行強度核算，不必考慮受壓時的巨大作用力，但還必須對主弦桿進行受壓核算；在標準節端面切削加工時，可大大減少切削量，為企業和社會節約資源，為國家的節能事業做出了貢獻。

4 使用效果

經過近3年的使用，發現塔機標準節主弦桿母材在連接套焊縫位置的裂紋大大地減少，對塔機的安全起到了很大的作用。目前某市的所有塔機廠均對此種連接形式進行了修改，得到了廣泛的應用。

[1]GB/T 3811——2008，起重機設計規范[S].

[2]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，1993.

[3]范俊祥.塔式起重機[M].北京：中國建材工業出版社，2004.

[4]顧迪民.起重機械事故分析和對策[M].北京：人民交通出版社，2001.