塔機回轉支承高強螺栓強度校核的探討

李 蕾/LI Lei（山東國弘重工機械有限公司，山東 淄博 256401）

塔機回轉支承高強螺栓強度校核的探討

李 蕾/LI Lei
（山東國弘重工機械有限公司，山東 淄博 256401）

[摘 要]本文推導出計算高強螺栓最大外拉力的公式，結合相關標準，引用高強螺栓許用外拉力作為回轉支承高強螺栓外拉力的上限，并以此開發了回轉支承螺栓的校核小程序，從而使回轉支承高強螺栓的計算更加簡單、方便，并用有限元方法驗證了此程序和方法的正確性。

[關鍵詞]塔式起重機；回轉支承；高強螺栓；結構計算

塔機的回轉支承是塔機回轉機構的重要部件，承受彎矩、壓力和扭矩，其強度校核尤其重要，其選型和校核計算可以根據規范GB/T 13752-1992《塔式起重機設計規范》中的公式來進行。然而，規范中介紹的回轉支承高強螺栓的強度校核方法雖然簡便易行，但偏于保守，并且沒有考慮螺栓桿長度的因素，而實際上螺栓的拉伸段長度影響高強螺栓承受外拉力的能力，而且此影響還比較明顯。

1 螺栓最大拉力的公式推導

1.1 在彎矩M作用下產生的最大螺栓拉力

當高強螺栓群受到彎矩M時（作用方向使螺栓受拉，見圖1），由于高強度螺栓的外拉力N必須小于預拉力Pg，確保連接件在M作用下，其接觸面始終保持緊密貼合。故可按中性軸位于螺柱群重心軸線上來計算，即每個螺栓受到的力N與螺栓到中性軸的距離y成正比

圖1　 回轉支承高強螺栓的力學模型

代入力矩平衡條件，則

則有

離中性軸最遠的螺栓受力最大，其值為

其中，n為螺栓個數。

1.2 在彎矩M和壓力FN作用下螺栓的拉力

2 螺栓強度的校核[1]

在受拉連接中,單個摩擦型高強螺栓沿螺桿軸向的許用承載力[Pt]按下式計算，且不宜大于Pg

式中 σsl— 高強螺栓鋼材的屈服點，有確切數據按值選取，也可按表1中最低值選取；

At—螺栓的有效面積，在表1中選取；

β— 載荷分配系數，與連接板總厚度L和螺栓（公稱）直徑d有關，按下式計算：L/d≥3時β=（0.26-0.026L/d）+0.15，L/d＜3時β=（0.17-0.057L/d）+0.33；

n——安全系數。

即外拉力在螺栓連接中不得大于[Pt]。

表1　 結果比較

3 實例計算

3.1 實例描述

以某廠的P7524平頭塔機回轉支承高強螺栓斷裂事件為例，斷裂事故發生在新增加的35m臂長的工況，最大幅度起吊8.9t，經過計算，該工況比原設計的彎矩M大很多。

3.2 實例的原始參數

螺栓斷裂工況的原始參數：d=24mm；L=35mm；n=60；D=1 810mm；M=3 118 000Nm（最大值），FN=710 000N。

原設計工況的原始參數：d=24mm；L=35mm；n=60；D=1 810mm；M=2 408 000Nm（最大值）；FN=710 000N。

其中，d為螺栓桿直徑，L為螺栓拉伸長度，n為螺栓個數，M為回轉支承受到的最大力矩，FN為回轉支承受到的最大壓力。

3.3 本文方法計算的結果

3.3.1 螺栓斷裂工況的計算結果

將本文的計算方法寫成小程序，結果如圖2所示，螺栓最大外拉力為103 010.1N，螺栓許用外拉力為102 986.3N，最大值大于許用值，所以M24-10.9高強螺栓的強度不滿足該工況。

3.3.2 原設計最危險工況的計算結果

計算結果如圖3所示，螺栓最大外拉力為76 859.12N，螺栓許用外拉力為102 986.3N，最大值小于許用值，所以M24-10.9高強螺栓強度滿足該工況。

3.4 有限元方法驗證

為了精確計算高強螺栓外拉力，建模時不施加螺栓預緊力。

3.4.1 螺栓斷裂工況的計算結果

該工況的螺栓軸向力如圖4所示，變形比例放大8 000倍，變形大小也反映了外拉力的大小，Mx處的螺栓受到的拉力最大，為98 778N。

3.4.2 原設計最危險工況的計算結果

該工況的螺栓軸向力如圖5所示，變形比例放大8 000倍，Mx處的螺栓受到的拉力最大，為73 524N。

3.5 兩種方法的結果比較

由表1可以看出，本文的解析法和有限元方法所得出的結果相差4%左右，驗證了本文方法的正確性，也驗證了開發的小程序的可靠性。

圖2　 軟件界面（螺栓斷裂工況的計算結果）

圖3　 軟件界面（原設計最危險工況的計算結果）

圖4　 螺栓斷裂工況的外拉力云圖

圖5　 原設計最危險工況的外拉力云圖

4 結 論

本文根據工程力學理論，推導了回轉支承高強螺栓最大拉力的計算公式，以基于螺栓型號、強度等級、螺栓桿長度的高強螺栓許用外拉力為上限，介紹了一種比較精確的校核回轉支承高強螺栓的方法，依據此方法寫成計算小程序，做成人機界面，使得計算方便快捷，并運用于一個實際工程算例，然后用有限元方法驗證了本文方法和程序的正確可靠。

[參考文獻]

[1] GB/T 3811—2008，起重機設計規范[S]．

[2] GB/T 13752—1992，塔式起重機設計規范[S]．

（編輯 賈澤輝）

［中圖分類號］TH212；TH213.3

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366（2015）02-0048-03

［收稿日期］2014-12-10

Discussion of intensity check to high strength bolts of tower crane slewing support