塔式起重机高强度螺栓力学特性研究①

王国华 张楠

摘 要：为了分析塔式起重机高强度螺栓的机械特性，采用理论分析和有限元分析对高强度螺栓进行研究，得到了预紧后的螺栓组应力，加载后的螺栓组应力和加载后的螺栓部分应力云图。分析结果表明：计算的安全系数为，比载荷组合B所需安全系数1.34大，螺栓联接具有一定的可靠性。

关键词：塔式起重机 高强度螺栓 力学特性 理论分析 有限元分析

中图分类号：TH213.3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（b）-0135-02

塔式起重机部件之间主要采用的联接方式是螺栓联接和销轴连接。近年来，起重机大多数的安全事故基本上都是由于塔式起重机部件之间联接不可靠导致的。塔式起重机中采用高强度螺栓联接的地方主要有：塔身节之间的联接，回转支承由多个高强度螺栓与上下支座相连，其强度是没有问题的，它主要是通过预紧来控制上支座以上部分的变形与晃动，一旦螺栓联接失效，必将导致严重的事故[1～3]。本文主要对部件与部件之间所采用的高强度联接螺栓进行力学特性的分析与研究，本文的研究对塔式起重机关键联接件的优化设计具有重要的意义。

1 高强度螺栓力学特性理论分析

塔式起重机的高强度螺栓在工作中要求其具有可靠的连接强度和良好的旋合性。[4-6]图1（a）表示螺栓的初始状态，图1（b）表示预紧力作用下的连接体系。设螺栓和连接套的弹性系数分别为和，，是在预紧力作用下的螺栓和连接套变形。无载荷作用时，螺栓预拉力F1与连接套预压力F2相等，即预紧力。

由图1（c）可知，外载荷为拉力时，螺栓被拉长，连接套压缩量减少，螺栓伸长值与连接套压缩减少值相等，并用表示；外载荷为压力时，螺栓伸长量减少，连接套压缩量增加，螺栓伸长量的减少值与连接套压缩量增加值是相等的，同样用表示。F1、F2表示在外载荷F作用时，螺栓所受的拉力和连接套结合面处所受的压力有：

（1）

（2）

根据静力平衡条件有：

（3）

图1（d）可以表示上述计算，纵坐标表示螺栓联接体系的作用力，横坐标表示螺栓联接体系的变形量。AD表示高强度螺栓弹性曲线。BC表示连接套弹性曲线。高强度螺栓在A点处的预紧力等于零；而B点处预拉力F1与连接套预压力F2相等；由于拉力F 的作用，螺栓被拉伸到达D点，螺栓拉力为；对应的，连接套压缩量减少了到达E点，连接套所受压力为。此图也可以描述载荷分配情况。令，，则有：

（4）

2 高强度螺栓力学特性有限元分析

2.1 高强度螺栓有限元单元

在Autodesk Inventor中建立高强度螺栓的几何模型，并将模型导入ANSYS中，选用实体单元solid45。采用单元prets179模拟螺栓预紧状态。利用接触单元Target170和Contact173模拟螺栓与连接套之间的接触，连接套与连接套之间的接触以及主弦杆与主弦杆之间的接触。

2.2 高强度螺栓的材料模型和边界条件

材料的弹性模量为，泊松比为，材料密度是。分析中，定义网格大小为5 mm，划分网格后施加适当的力学和位移边界条件。高强度螺栓有限元模型如图2所示，其有限元加载模型如图3所示。

2.3 高强度螺栓有限元结果分析

已知螺栓大小为，取螺栓屈服强度的75%计算预紧力，由螺栓截面积知。施加预紧力后，计算得出的应力与理论应力之间存在小偏差，计算的应力比理论应力大，分析受载后的螺栓应力云图可知螺栓和连接套的应力趋势可以判断螺栓的安全性，最大应力值为600 MPa，塔身采用高强度螺栓，屈服强度为，由计算得到的安全系数为，比载荷组合B所需安全系数1.34大。因此，保证了联接的可靠性。

3 结论

高强度螺栓在塔式起重机联接中虽是一个不起眼的部件，但是它起着重要的作用，当它发生破坏导致失效时，会导致整个塔式起重机机构无法正常工作。本文对塔式起重机高强度螺栓进行力学特性的分析，同时对预紧力与外载荷下的螺栓组进行应力分析，得出力学拉伸性能是高强度螺栓设计和使用的关键。本文的研究对塔式起重机的高强度螺栓日后更为深入的研究提供了理论基础。

参考文献

[1]段鹏文，李俊海，夏恒超.塔式起重机不平衡力矩控制方法的探讨[J].辽宁工程技术大学学报：自然版，2000，19（6）：644-646.

[2]段鹏文，刘玉洪，李俊海.塔式起重机塔头结构的可靠性优化设计[J].辽宁工程技术大学学报：自然版，2001，20（2）：222-224.

[3]王春华，乔梁.基于ANSYS的单主梁门式起重机的结构分析[J].微计算机信息，2010，26（11）：185-187.

[4]张质文，虞和谦.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，2001.

[5]胡宗武，阎以诵.起重机动力学[M].北京：机械工业出版社，1988.

[6]Chen Jin.Dynamic response with repeat to base movement of spring frame supported cantilevered simple beam with concentrated mass[J].Computers& Structures，1997，63（5）：977-985.