浅析塔式起重机高强度螺栓连接副

张义益　杨开淼　虞杰

[摘要]连接副是机械结构中的重要结构，广泛应用于所有机械。高强度螺栓连接作为塔式起重机的重要连接副，它的性能直接影响着塔机的安全，因此应该引起足够的重视。本文主要通过理论分析，讲述了在塔机安装过程中连接副安装应该注意的事项。

[关键词]高强度螺栓 预紧力 塔式起重机

[中图分类号]TH2 [文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）06-0176-01

塔机工作状态极为复杂，长期处于高强度、超负荷工作状态，因此对它的连接副的稳定性提出了一定的要求，许多安装单位未能规范作业程序为事故埋下了隐患。2010年7月，我院检验人员在对浙江某公司安装的4台塔式起重机进行安装监督检验时发现，其回转支承与基座连接采用m²4的10.9级高强度螺栓连接，除采用双螺母防松外（厚螺母在内侧，薄螺母在外侧），另加了普通弹簧垫圈，该公司对塔机连接副的安装违反了多条规定。本文探讨了塔式起重机连接副的选择和安装要求，规范作业流程，以保证塔机的工作安全性。

一、高强度螺栓

建筑结构的主构件的螺栓连接，一般均采用高强螺栓连接，不可重复使用，一般用于永久连接，通过螺栓杆内很大的拧紧预拉力把连接板的板件夹紧，足以产生很大的摩擦力，从而提高连接的整体性和刚度。高强度螺栓连接具有施工简单、受力性能好、可拆换、耐疲劳、以及在动力荷载作用下不致松动等优点，是很有发展前途的连接方法。与普通螺栓不同，高强度螺栓是用特制的扳手上紧螺帽，使螺栓产生巨大而又受控制的预拉力，通过螺帽和垫板，对被连接件也产生了同样大小的预压力。在预压力作用下，沿被连接件表面就会产生较大的摩擦力，显然，只要轴力小于此摩擦力，构件便不会滑移，连接就不会受到破坏，这就是高强度螺栓连接的原理。

它是靠连接件接触面间的摩擦力来阻止其相互滑移的，为使接触面有足够的摩擦力，有两方面的影响因素必须提高构件的夹紧力和增大。

（1）构件接触面的摩擦系数。试验表明，摩擦系数主要受接触面的形式和构件的材质影响。为了增大接触面的摩擦系数，施工时常采用应喷砂、用钢丝刷清理等方法对连接范围内构件接触面进行处理。

（2）构件间的夹紧力是靠对螺栓施加预拉力来实现的，所以螺栓必须采用高强度钢制造，这也就是称为高强度螺栓连接的原因，安装过程中施工单位应注意预紧力的控制。

二、高强度螺栓的正确安装方式

1、根据GB/T 1231-2006《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》，“每一连接副包括1个螺栓、1个螺母、2个垫圈，并应分属同批制造”，即这两个垫圈应采用符合GB/T 1230-2006《钢结构用高强度垫圈》的高强度垫圈；

2、对顶螺母是靠增大摩擦力来防松的另一方法。如下图所示，当拧上一个螺母时，螺母螺纹牙形的上侧与螺栓螺纹牙接触，拧上第二个螺母（称为副螺母或防松螺母）后，第一个螺母（主螺母）变为螺纹牙形的下侧与螺栓牙接触，而第二个螺母螺纹牙形的上侧与螺栓螺纹牙接触。因此，螺栓上的轴向载荷全部或大部由副螺母的螺纹牙承受。同时可以看出，只有当副螺母的拧紧力矩大于或等于主螺母的拧紧力矩时，副螺母才会受载，才能产生防松作用。同样的道理，对于采用对顶螺母防松的螺栓连接，不应把薄螺母作为副螺母，因为副螺母是作为主要承受载荷的部件。为了不装错，再考虑到扳手厚度比薄螺母厚，主副螺母都使用标准螺母较好。对顶螺母防松效果是最好的，但会造成螺栓长度增加、螺母数量增多，连接尺寸和质量增加。在安装过程中，要遵循初拧、复拧、终拧三步骤进行，以保证安装质量。

三、正确选择垫圈型式

在工程应用中，根据S/b即刚度不同进行分类，可以将弹簧垫圈分为三种，轻型弹簧垫圈（GB859）、标准型弹簧垫圈、重型弹簧垫圈。根据《弹簧垫圈对受轴向载荷的紧螺栓联接承载能力的影响》，弹簧垫圈由其几何形状，可以认为它是一个弹簧簧丝断面为矩形的单圈圆柱螺旋压缩弹簧。所以，它的力学特性在压平之前，完全可以用圆柱螺旋压缩弹簧的分析方法。

根据JG/T 5057.40-1995《建筑机械与设备高强度紧固件技术条件》，“A6.2当使用8.8级或9.8级螺栓时，一般不允许采用弹簧垫圈防松。使用其他性能等级的螺栓，绝不允许采用弹簧垫圈防松”。根据该标准，其他性能等级的螺栓是指性能等级为10.9和12.9的螺栓。为何如此规定，原因在于弹簧垫圈的应力面积小，8.8级以上等级螺栓副的预紧力和工作中承受的载荷大，单位面积的压强大，在使用中容易造成连接面被压塌、弹簧垫圈粉碎，使连接副松动。

下面我们以m²4的10.9级高强度螺栓为例进行理论分析。

根据JG/T 5057.40-1995《建筑机械与设备高强度紧固件技术条件》表A4查得，m²4的10.9级高强度螺栓预紧力值为230kN，根据GB/T 931987《标准型弹簧垫圈》，d=24.5～25.5mm（取大值偏安全），S（b）=6mm，则弹簧垫圈压平后受力截面积为268.47mm²，施加预紧力230kN后弹簧垫圈应力为856.7N/mm²。

根据GB/T 1222-2007《弹簧钢》，65Mn的抗拉强度不小于980 N/mm²。根据《机械设计》，65Mn的Ⅲ类弹簧许用切应力为0.5倍抗拉强度，即490 N/mm²<856.7N/mm²，弹簧垫圈被压碎。

因此实际使用中如果采用了弹簧垫圈，就会出现两种情况：

（1）按照设计预紧力拧紧，则导致弹簧垫圈被压碎，连接失效，时间长了连接副出现间隙；

（2）施加的预紧力不够，保证弹簧垫圈不被压碎，但是螺栓容易产生松动。

无论哪种情况，均会导致回转支承与基座之间产生间隙，将导致塔机重心前移，塔身所受弯矩大幅度增加，可能导致事故发生。

因此螺栓、螺母、垫圈配合使用时，塔机在安装螺栓时禁止使用弹簧垫圈，而应选用经过调质的平垫圈。许多人在认识上有个误区，认为弹簧垫片能起到防松的作用，因而一般选用它做垫圈，其实不然，弹簧垫片无法满足强度要求，易出现元件失效等缺陷。

高强度螺栓连接间隙非常小，且对安装面的平面度和刚性要求极高，若使用弹簧垫圈就会破坏螺栓受力的中心性，如右图所示，同时也减少螺母对连接零件的施压面积和刚性，降低螺栓的连接强度。实践证明，选用经调质的平垫圈比弹簧垫圈的效果要好得多。

平垫圈通常是各种形状的薄件，用于减少摩擦、防止泄漏、隔离、防止松脱或分散压力，当有的部位拧紧轴向力很大时，易使垫圈压成碟形，这时可改用材料和提高硬度来解决。

四、结论

综上所述，该公司在安装过程中存在如下失误，如不及时整改，将成为日后的事故隐患：（1）对顶螺母安装顺序错误；（2）弹簧垫圈选型不正确；（3）弹簧垫圈数量不足。高强度螺栓连接副作为塔式起重机上重要部件的主要连接方式，它的工作稳定性直接影响了整机工作的安全性，为此应确保安装质量。在日常工作过程中应加强对连接副的检查，特别是应力集中的部位，应定期对其预紧力进行检查，防止出现松动，对垫圈磨损或者出现疲劳失效的，应及时更换匹配的部件。