塔式起重機(jī)塔身接頭連接方式的研究

楊志林

摘 要：塔式起重機(jī)塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的施工質(zhì)量直接影響了整機(jī)質(zhì)量和工作可靠性。就塔式起重機(jī)塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的連接方式進(jìn)行了研究，針對當(dāng)前塔機(jī)生產(chǎn)企業(yè)普遍采用的幾種連接方式進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，闡述了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，并對塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)接頭的設(shè)計(jì)、制造和選型使用提出了建議，旨在為塔式起重機(jī)塔身接頭設(shè)計(jì)選型提供參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：塔式起重機(jī)；塔身；標(biāo)準(zhǔn)節(jié)；高強(qiáng)度螺栓連接

中圖分類號：TH213.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.22.109

1 概述

塔式起重機(jī)（以下簡稱塔機(jī)）有很高的塔身和很長的臂架，可以提供一個(gè)很大的施工范圍，因此，廣泛應(yīng)用于建筑施工和工業(yè)起重領(lǐng)域。塔身一般由很多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組成。為了將新增加的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)與原有塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)可靠地連接在一起，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間要進(jìn)行連接。目前，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的連接主要有銷軸連接、螺栓連接兩種方式。在進(jìn)行塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接的過程中，除了接頭應(yīng)互相匹配外，還應(yīng)滿足一定的要求，比如連接方式必須可靠、操作簡單、經(jīng)濟(jì)效益好等。從國內(nèi)市場分析，螺栓連接型式在中小型塔式起重機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用，銷軸連接則主要應(yīng)用于中大型塔式起重機(jī)，兩種連接方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文將對其常見的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接接頭結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)、工藝、經(jīng)濟(jì)性、使用等方面進(jìn)行探討，從而為塔機(jī)塔身接頭的設(shè)計(jì)選型提供參考和依據(jù)。

2 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)接頭典型結(jié)構(gòu)

塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主要由主弦桿、腹桿、連接接頭及塔身通道等零件組成。主弦桿可直接采用各種軋制型鋼，也可由軋制型鋼或鋼板組合焊接而成。常用的型鋼有角鋼、圓管、實(shí)心圓鋼、方管、H形鋼等多種，某些時(shí)候因型鋼尺寸或截面特性不符合設(shè)計(jì)要求，也可采用焊接拼接截面，比如焊接方管、焊接H形鋼等，采用何種主肢截面取決于塔機(jī)的起重性能、供貨條件、經(jīng)濟(jì)效益及開發(fā)系列產(chǎn)品的規(guī)劃和需要。

塔身各相鄰標(biāo)準(zhǔn)節(jié)通過主弦桿上的接頭相互連接，因此，主弦桿的截面類型在很大程度上決定了所能采用接頭的合理結(jié)構(gòu)型式。根據(jù)組成標(biāo)準(zhǔn)節(jié)接頭連接件的不同，常見塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)接頭一般可分為高強(qiáng)度螺栓連接、銷軸連接、瓦套連接三種連接方式。

2.1 高強(qiáng)度螺栓連接

高強(qiáng)度螺栓連接又可分為2種類型，即摩擦型螺栓連接和承壓型螺栓連接。其中，摩擦型螺栓連接的制造工藝簡單、工作性能可靠、成本低廉，頗為生產(chǎn)廠家和廣大用戶所青睞，特別是在中小型塔機(jī)中應(yīng)用最為廣泛。

摩擦型螺栓連接有以下優(yōu)點(diǎn)：①連接螺栓采用較大的預(yù)緊力，能保證相鄰標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間的端面能緊密接觸，最大程度地消除了節(jié)間的間隙，保證了塔身的整體剛度；②能減小或消除標(biāo)準(zhǔn)節(jié)因制造原因產(chǎn)生的誤差，進(jìn)而消除對塔身的影響；③加工簡單，工藝要求不高，安裝方便快捷；④被連接零件通過焊接與主弦桿母材相連接，對母材無削弱，無需對連接部位進(jìn)行特殊加強(qiáng)處理。這些特點(diǎn)恰恰是某些銷軸連接所不具備的。

摩擦型螺栓連接的缺點(diǎn)為：①在使用M30以上高強(qiáng)度螺栓時(shí)，人力擰緊有一定困難，需借助專用工具才能擰緊；②多個(gè)螺栓連接必須考慮連接時(shí)螺栓受力不均以及高空安裝作業(yè)空間有限等。

因接頭具體結(jié)構(gòu)型式的差異，摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接接頭方式有各自適合的適用范圍，按目前實(shí)際使用情況說明如下。

圖1所示的接頭結(jié)構(gòu)由單角鋼、螺栓套焊接而成。由于主肢為單角鋼，一般可布置2個(gè)螺栓，通過合理布置螺栓位置，可使螺栓承拉時(shí)對主肢產(chǎn)生的局部彎矩較??；受角鋼型號大小的限制，采用這種接頭型式的塔機(jī)時(shí)，其起重力矩通常不會很大，一般在100 t·m以下為宜。

2.2 銷軸連接

銷軸連接的原理是通過承壓和剪切來傳遞主弦桿內(nèi)力，力的傳遞路線十分簡單。為了減少軸孔間隙對塔身的影響，配合精度要求較高。為了傳遞主弦桿內(nèi)力，此類結(jié)構(gòu)一般需有額外的魚尾板或榫頭等連接附件。有些連接結(jié)構(gòu)銷軸貫穿母材，進(jìn)而對母材造成了削弱，因此，在母材開孔部位必須補(bǔ)強(qiáng)。與螺栓連接結(jié)構(gòu)比較，銷軸連接結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，工藝要求高，成本相對較高。此外，對銷軸表面處理有較高的要求，否則一旦生銹，再次安裝、拆卸將非常困難。

圖2所示的結(jié)構(gòu)由角鋼、內(nèi)外魚尾板或厚板、銷軸等共同組成，適合于單角鋼結(jié)構(gòu)。由于受角鋼型號限制，單角鋼主弦桿承載能力有限。為了保證兩銷軸承載均勻和安裝方便，魚尾板及孔等尺寸、位置精度要求較高，工藝成本較高。該結(jié)構(gòu)適合于中等以上噸位塔機(jī)，一般在60～300 t·m為宜。

2.3 瓦套連接

瓦套連接其實(shí)也是螺栓連接的一種，但因其連接構(gòu)造特殊，與其他螺栓連接有很大的區(qū)別，所以單獨(dú)列出分類。瓦套連接亦稱之為瓦套法蘭盤連接，也形象地稱為哈夫抱瓦連接，最早見于Linden8000系列平頭塔機(jī)。該系列塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)均采用無縫鋼管焊接而成，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間的連接構(gòu)造頗為獨(dú)特，如圖3所示。該連接每兩節(jié)塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿接頭之間上下相對，相對的主弦桿接頭之間通過法蘭盤式端頭的端面相對接，外圍用2個(gè)半圓、帶有臺階式子口的抱瓦卡固，并用4個(gè)直徑較小的普通螺栓緊固。接頭螺栓采用內(nèi)六方扳手即可安裝，安裝簡單、方便，但抱瓦和接頭體的加工精度要求高。這種塔身接頭連接的特點(diǎn)是：上、下兩端構(gòu)造完全相同，通過法蘭盤端面和抱瓦子口構(gòu)造傳力。據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，采用這種連接構(gòu)造最大可傳遞多達(dá)200 t的軸力，因此，采用該類接頭的塔機(jī)通常為大型或超大型塔機(jī)。

3 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選型注意事項(xiàng)

在結(jié)構(gòu)有限元軟件十分普及的今天，與以往傳統(tǒng)的手算相比，對塔機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行電算分析也并非是困難、復(fù)雜的工作。眾所周知，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，而塔機(jī)塔身接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且活動可拆卸，更是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中的重中之重。塔身整體結(jié)構(gòu)的電算可選擇適合、相對簡單的梁桿單元進(jìn)行有限元簡化計(jì)算，而要進(jìn)一步對接頭進(jìn)行更加詳細(xì)、深入的細(xì)部計(jì)算，需建立較為復(fù)雜的三維實(shí)體單元模型，加之目前在螺栓連接、銷軸連接等方面的理論研究仍存在較大的爭議，完善計(jì)算的方法還在不斷摸索中，進(jìn)而無法驗(yàn)證有限元計(jì)算結(jié)果的正確性。因此，在接頭設(shè)計(jì)中，應(yīng)在不斷總結(jié)以往成熟經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采取手算與電算相結(jié)合的方法進(jìn)行對比分析。

塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿及接頭承受載荷的大小及方向是變化的，產(chǎn)生的應(yīng)力為交變應(yīng)力，直接影響到塔身及整機(jī)的疲勞壽命；在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿與接頭過渡連接處，其截面變化明顯，必然存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，按照相關(guān)規(guī)范要求，對包括接頭在內(nèi)的塔身進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算顯得尤為重要。為了防止結(jié)構(gòu)疲勞破壞，在一些關(guān)鍵部位應(yīng)采取適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施，盡可能地減小甚至消除應(yīng)力集中。

塔機(jī)塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的安裝和拆卸為高空作業(yè)，且較為頻繁。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，安裝和拆卸時(shí)發(fā)生的事故在塔機(jī)事故中占有很大比例，且絕大多發(fā)生在增加或拆卸塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)前后。因此，接頭的設(shè)計(jì)選型應(yīng)在保證受力符合規(guī)范的前提下，把安全放在第一位。在結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)上，應(yīng)注意精打細(xì)算、精益求精，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造力求簡潔，盡可能地減少零部件的數(shù)量和質(zhì)量；在外觀處理上，不應(yīng)強(qiáng)求對稱美觀和工藝方便。

4 結(jié)束語

總之，作為塔機(jī)基礎(chǔ)部件的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，它的施工質(zhì)量將直接影響塔機(jī)的質(zhì)量及安全性。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的連接方式有很多，在對塔機(jī)塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)進(jìn)行連接時(shí)，要根據(jù)塔機(jī)的類型、用途、起重性能、產(chǎn)品定位及遠(yuǎn)景規(guī)劃，綜合考慮連接方式以及結(jié)構(gòu)的選擇，以合理利用其各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。本文就上述問題進(jìn)行了研究和分析，以期為塔式起重機(jī)在今后更好地制造、選擇和使用奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]張朋，王凱暉.塔式起重機(jī)塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)接頭應(yīng)力集中分析[J].建筑機(jī)械，2009（19）.

[2]林華，王圣，趙毅.塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)斜腹桿開裂事故分析[J].建筑安全，2011（10）.

〔編輯：張思楠〕