塔式起重機(jī)高強(qiáng)度螺栓力學(xué)特性研究①

王國華 張楠

摘 要：為了分析塔式起重機(jī)高強(qiáng)度螺栓的機(jī)械特性，采用理論分析和有限元分析對高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行研究，得到了預(yù)緊后的螺栓組應(yīng)力，加載后的螺栓組應(yīng)力和加載后的螺栓部分應(yīng)力云圖。分析結(jié)果表明：計(jì)算的安全系數(shù)為，比載荷組合B所需安全系數(shù)1.34大，螺栓聯(lián)接具有一定的可靠性。

關(guān)鍵詞：塔式起重機(jī) 高強(qiáng)度螺栓 力學(xué)特性 理論分析 有限元分析

中圖分類號：TH213.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（b）-0135-02

塔式起重機(jī)部件之間主要采用的聯(lián)接方式是螺栓聯(lián)接和銷軸連接。近年來，起重機(jī)大多數(shù)的安全事故基本上都是由于塔式起重機(jī)部件之間聯(lián)接不可靠導(dǎo)致的。塔式起重機(jī)中采用高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接的地方主要有：塔身節(jié)之間的聯(lián)接，回轉(zhuǎn)支承由多個(gè)高強(qiáng)度螺栓與上下支座相連，其強(qiáng)度是沒有問題的，它主要是通過預(yù)緊來控制上支座以上部分的變形與晃動(dòng)，一旦螺栓聯(lián)接失效，必將導(dǎo)致嚴(yán)重的事故[1～3]。本文主要對部件與部件之間所采用的高強(qiáng)度聯(lián)接螺栓進(jìn)行力學(xué)特性的分析與研究，本文的研究對塔式起重機(jī)關(guān)鍵聯(lián)接件的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的意義。

1 高強(qiáng)度螺栓力學(xué)特性理論分析

塔式起重機(jī)的高強(qiáng)度螺栓在工作中要求其具有可靠的連接強(qiáng)度和良好的旋合性。[4-6]圖1（a）表示螺栓的初始狀態(tài)，圖1（b）表示預(yù)緊力作用下的連接體系。設(shè)螺栓和連接套的彈性系數(shù)分別為和，，是在預(yù)緊力作用下的螺栓和連接套變形。無載荷作用時(shí)，螺栓預(yù)拉力F1與連接套預(yù)壓力F2相等，即預(yù)緊力。

由圖1（c）可知，外載荷為拉力時(shí)，螺栓被拉長，連接套壓縮量減少，螺栓伸長值與連接套壓縮減少值相等，并用表示；外載荷為壓力時(shí)，螺栓伸長量減少，連接套壓縮量增加，螺栓伸長量的減少值與連接套壓縮量增加值是相等的，同樣用表示。F1、F2表示在外載荷F作用時(shí)，螺栓所受的拉力和連接套結(jié)合面處所受的壓力有：

（1）

（2）

根據(jù)靜力平衡條件有：

（3）

圖1（d）可以表示上述計(jì)算，縱坐標(biāo)表示螺栓聯(lián)接體系的作用力，橫坐標(biāo)表示螺栓聯(lián)接體系的變形量。AD表示高強(qiáng)度螺栓彈性曲線。BC表示連接套彈性曲線。高強(qiáng)度螺栓在A點(diǎn)處的預(yù)緊力等于零；而B點(diǎn)處預(yù)拉力F1與連接套預(yù)壓力F2相等；由于拉力F 的作用，螺栓被拉伸到達(dá)D點(diǎn)，螺栓拉力為；對應(yīng)的，連接套壓縮量減少了到達(dá)E點(diǎn)，連接套所受壓力為。此圖也可以描述載荷分配情況。令，，則有：

（4）

2 高強(qiáng)度螺栓力學(xué)特性有限元分析

2.1 高強(qiáng)度螺栓有限元單元

在Autodesk Inventor中建立高強(qiáng)度螺栓的幾何模型，并將模型導(dǎo)入ANSYS中，選用實(shí)體單元solid45。采用單元prets179模擬螺栓預(yù)緊狀態(tài)。利用接觸單元Target170和Contact173模擬螺栓與連接套之間的接觸，連接套與連接套之間的接觸以及主弦桿與主弦桿之間的接觸。

2.2 高強(qiáng)度螺栓的材料模型和邊界條件

材料的彈性模量為，泊松比為，材料密度是。分析中，定義網(wǎng)格大小為5 mm，劃分網(wǎng)格后施加適當(dāng)?shù)牧W(xué)和位移邊界條件。高強(qiáng)度螺栓有限元模型如圖2所示，其有限元加載模型如圖3所示。

2.3 高強(qiáng)度螺栓有限元結(jié)果分析

已知螺栓大小為，取螺栓屈服強(qiáng)度的75%計(jì)算預(yù)緊力，由螺栓截面積知。施加預(yù)緊力后，計(jì)算得出的應(yīng)力與理論應(yīng)力之間存在小偏差，計(jì)算的應(yīng)力比理論應(yīng)力大，分析受載后的螺栓應(yīng)力云圖可知螺栓和連接套的應(yīng)力趨勢可以判斷螺栓的安全性，最大應(yīng)力值為600 MPa，塔身采用高強(qiáng)度螺栓，屈服強(qiáng)度為，由計(jì)算得到的安全系數(shù)為，比載荷組合B所需安全系數(shù)1.34大。因此，保證了聯(lián)接的可靠性。

3 結(jié)論

高強(qiáng)度螺栓在塔式起重機(jī)聯(lián)接中雖是一個(gè)不起眼的部件，但是它起著重要的作用，當(dāng)它發(fā)生破壞導(dǎo)致失效時(shí)，會導(dǎo)致整個(gè)塔式起重機(jī)機(jī)構(gòu)無法正常工作。本文對塔式起重機(jī)高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行力學(xué)特性的分析，同時(shí)對預(yù)緊力與外載荷下的螺栓組進(jìn)行應(yīng)力分析，得出力學(xué)拉伸性能是高強(qiáng)度螺栓設(shè)計(jì)和使用的關(guān)鍵。本文的研究對塔式起重機(jī)的高強(qiáng)度螺栓日后更為深入的研究提供了理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]段鵬文，李俊海，夏恒超.塔式起重機(jī)不平衡力矩控制方法的探討[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然版，2000，19（6）：644-646.

[2]段鵬文，劉玉洪，李俊海.塔式起重機(jī)塔頭結(jié)構(gòu)的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然版，2001，20（2）：222-224.

[3]王春華，喬梁.基于ANSYS的單主梁門式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)分析[J].微計(jì)算機(jī)信息，2010，26（11）：185-187.

[4]張質(zhì)文，虞和謙.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2001.

[5]胡宗武，閻以誦.起重機(jī)動(dòng)力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)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.