王勇玲，陳黎峰

(浙江省特種設(shè)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(biāo)準(zhǔn)節(jié)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用。螺栓連接在行業(yè)內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接套孔，按照螺栓緊固的要求將每個螺栓擰緊到規(guī)定力矩，從而將塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)相互間連成一個整體，實現(xiàn)載荷的無沖擊傳遞，高強度螺栓主要承受拉壓應(yīng)力!用。

在實際使用中我們發(fā)現(xiàn)，中小型塔機中大量使用桁架結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)節(jié)自升降過程中套架導(dǎo)輪的導(dǎo)軌作用。

這種通過連接套方式連接標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，傳遞力的形式，其在連接套焊接位置有焊接應(yīng)力和應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時存在交變應(yīng)力，易使主弦桿與連接套的焊接部位產(chǎn)生疲勞裂紋，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)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(qū)和應(yīng)力集中薄弱位置出現(xiàn)了嚴(yán)重的裂紋。

2 連接套常規(guī)布置及分析

塔機設(shè)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(yīng)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(dǎo)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(shè)備的自身精度問題，待銑削完成后，出現(xiàn)端面不齊平，銑床裝配精度越低，連接套突出端面現(xiàn)象越明顯，如圖3所示。此時，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)在安裝后出現(xiàn)如圖4所示的配合情況，我們針對該種工況對其進(jìn)行受力分析。

1）當(dāng)塔機上部受到垂直載荷、彎矩和扭矩作用后，通過塔機標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿傳遞到某連接截面上，出現(xiàn)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(zhuǎn)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(xù)。

2）不管塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)是承受拉應(yīng)力還是壓應(yīng)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(yán)重的應(yīng)力集中問題，容易使主弦桿在焊縫位置的母材出現(xiàn)疲勞。目前絕大部分小型塔機圖紙都為這種設(shè)計形式，很難避免應(yīng)力集中問題。

3）當(dāng)塔機標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿承受壓應(yīng)力時，連接套受力情況為：上部承受焊縫向下的剪切應(yīng)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(dāng)該截面主弦桿承受計算最大壓應(yīng)力時，應(yīng)力大小為該截面以上塔機自重和連接螺栓預(yù)緊力總和。由于塔機高度高，自重大，因此該壓應(yīng)力大。當(dāng)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(yīng)力載荷集中作用在該主弦桿上，導(dǎo)致該主弦桿上的連接套焊縫及其熱影響區(qū)位置的母材受力過大，出現(xiàn)屈服斷裂失效現(xiàn)象。

4）當(dāng)塔機標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿承受拉應(yīng)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(yīng)力，焊縫位置承受主弦桿向上的剪切應(yīng)力，同時，該兩力還產(chǎn)生一彎矩，受力圖如圖4b所示。當(dāng)該主弦桿承受計算最大拉應(yīng)力時，拉應(yīng)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(yù)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(tài)：主弦桿最大壓應(yīng)力108t、最大拉應(yīng)力為68t（相差40t）；非工作狀態(tài)：主弦桿最大壓應(yīng)力為192t、最大拉應(yīng)力為157t（相差35t），拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于壓應(yīng)力。

塔機標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的連接在設(shè)計計算時，僅考慮連接套的拉應(yīng)力，而沒有對其承受的壓應(yīng)力進(jìn)行核算。因此在制造加工過程中出現(xiàn)端面不平問題后，塔機主弦桿與連接套的焊接區(qū)域在使用過程中出現(xiàn)局部超載現(xiàn)象，同時還承受間歇性的拉壓交變應(yīng)力，使得該區(qū)域出現(xiàn)疲勞，最后發(fā)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(yīng)力，設(shè)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)節(jié)與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間的主弦桿端面直接接觸。

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿受到壓應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)節(jié)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(yù)緊力，減小了連接套及其焊接位置的受力，該力大小遠(yuǎn)小于連接套常規(guī)布置時所受的力，同時，主弦桿截面受力均勻，能保證標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的連接更加安全可靠。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿受到拉應(yīng)力時，連接套受力情況與常規(guī)布置時一致。

通過合理化布置連接套后，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的連接強度大大降低，更能保證設(shè)備的使用安全；在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的連接設(shè)計計算時，可僅對主弦桿受拉時進(jìn)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(jìn)行受壓核算；在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)端面切削加工時，可大大減少切削量，為企業(yè)和社會節(jié)約資源，為國家的節(jié)能事業(yè)做出了貢獻(xiàn)。

4 使用效果

經(jīng)過近3年的使用，發(fā)現(xiàn)塔機標(biāo)準(zhǔn)節(jié)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(jìn)行了修改，得到了廣泛的應(yīng)用。

[1]GB/T 3811——2008，起重機設(shè)計規(guī)范[S].

[2]劉鴻文.材料力學(xué)[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(yè)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.