塔身接頭形式安全性與經(jīng)濟(jì)性探討

吳恩寧，夏 挺，金小鯤，郭 俊

(1.浙江省建設(shè)工程機(jī)械集團(tuán)有限公司,浙江 杭州 310014；2.杭州市建設(shè)工程質(zhì)量安全管理協(xié)會(huì),浙江 杭州 310004；3.杭州市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站,浙江 杭州 310005)

塔式起重機(jī)（以下簡稱塔機(jī)）的塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)接頭，是塔機(jī)上受力最惡劣的部位之一，不光直接承受塔機(jī)上部載荷力矩，還是拉壓力交替出現(xiàn)的交變載荷。一旦接頭發(fā)生破壞，將會(huì)發(fā)生塔機(jī)倒塌的重大事故，因此它的安全性要求是很高的。同時(shí)它也是塔機(jī)中數(shù)量最多的構(gòu)件單元，在塔機(jī)的成本中占有較大的比例。各制造商對其構(gòu)造形式設(shè)計(jì)也比較重視，希望能選擇安全性高，價(jià)格又較低并且裝拆方便的接頭形式。

目前常用的連接形式有以下3 種（圖1）：①圓柱型螺栓連接套，②帶尾椎型螺栓連接套，③鑄鋼板（俗稱魚尾板）銷軸連接。

圖1 常用的連接套形式

1 安全性分析

1.1 圓柱型螺栓連接套

采用圓柱型連接套的塔機(jī)，出現(xiàn)斷裂事故的情況較多（圖2），雖然這與該連接形式在塔機(jī)中占比例最大有一定關(guān)系，但仍然引起了許多人的擔(dān)憂。近幾年甚至有一些制造商提出棄用這種形式，而采用別的形式。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主材斷裂

從國內(nèi)發(fā)生的多起塔身斷裂事故統(tǒng)計(jì)來看，發(fā)生破壞的大多數(shù)連接套形式多存在連接套焊在方鋼管的對角位置，連接套端面與主弦桿端面齊平（同一加工平面，圖3）的現(xiàn)象。發(fā)生斷裂的裂紋通常起始于連接套上端面或尾椎上端面與主弦桿焊縫連接處，如圖4 所示，裂紋從上端面向主弦桿截面方向橫向擴(kuò)展，從多起同類事故裂紋斷面分析來看，都為疲勞裂紋，同時(shí)與塔機(jī)超載有很大關(guān)系。

圖3 連接套端面齊平

圖4 裂紋位置示意

為確定是否采用圓柱型連接套就必然容易發(fā)生疲勞裂紋，本文將用有限元計(jì)算和相關(guān)金屬疲勞理論進(jìn)行分析。

1.1.1 連接套位置的影響

以某100tm 級塔機(jī)為例，當(dāng)連接套的布置由圖5 中的對稱形式改為不對稱形式后應(yīng)力值出現(xiàn)大幅下降，在圖5 中1-2 路徑下方鋼管主材的平均應(yīng)力值相差約51.3%[1]。

圖5 兩種布置形式的應(yīng)力路徑位置示意

1.1.2 連接套端面間隙的影響

采用連接套端部比主弦桿端部低的不齊平形式，即有間隙，當(dāng)主弦桿受拉時(shí)，假設(shè)該處焊縫產(chǎn)生最大拉應(yīng)力為σmax；當(dāng)主弦桿受壓時(shí)，假設(shè)焊縫產(chǎn)生最大壓應(yīng)力為σ有，應(yīng)力比r有＝σmin/σmax＝σ有/σmax；反之，采用連接套端部與主弦桿端部齊平形式時(shí)，當(dāng)主弦桿受拉假設(shè)該處焊縫產(chǎn)生最大拉應(yīng)力也為σmax；當(dāng)主弦桿受壓時(shí)，假設(shè)焊縫產(chǎn)生最大壓應(yīng)力為σ無，應(yīng)力比r無＝σmin/σmax＝σ無/σmax。由于σ有＞σ無，則0＞r有＞r無[1]，根據(jù)金屬疲勞理論的“S-N曲線”（圖6），當(dāng)兩者的疲勞應(yīng)力曲線處于圖中r＝0 和r＝-1 曲線之間，在σmax相同情況下，應(yīng)力比r有對應(yīng)的疲勞破壞應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N有大于應(yīng)力比r無對應(yīng)的疲勞破壞應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N無，故連接套布置由圖7 中的端面齊平改為端面不齊平形式后疲勞壽命更長些。通俗說來就是，端面齊平的接頭外形美觀，但交變載荷應(yīng)力幅較大。而端面有間隙的接頭美觀度稍差，但交變載荷應(yīng)力幅較小，所以抗疲勞性更好。

圖6 不同循環(huán)特性時(shí)的S-N曲線

圖7 連接套與主材結(jié)構(gòu)端部示意圖

1.1.3 連接套長度的影響

在其他邊界條件不變情況下將連接套長度由140mm 變?yōu)?80mm 時(shí)進(jìn)行計(jì)算并對主材應(yīng)力做對比，計(jì)算模型選取表1 的模型A 和模型B。主材受拉相對受壓情況下，在連接套與主材的變截面處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，長期發(fā)展下去變截面處先產(chǎn)生疲勞裂紋，本文選取受拉最大的主材進(jìn)行應(yīng)力對比分析。在主材焊縫位置建立路徑1-2（圖5 所示）進(jìn)行應(yīng)力對比。

由圖8 可見，主材在連接套140mm 長度（模型A）和180mm 長度（模型B）的應(yīng)力變化趨勢類似，由表1 數(shù)據(jù)可見模型A 平均應(yīng)力較模型B大，1-2 路徑下主材的平均應(yīng)力值相差30.3%，故適當(dāng)加長連接套長度對降低主材平均應(yīng)力有利。

表1 計(jì)算模型對比表

圖8 不同連接套長度下路徑1-2的等效應(yīng)力

1.1.4 螺栓預(yù)緊力的影響

在其他邊界條件不變情況下對連接套螺栓是否施加預(yù)緊力進(jìn)行計(jì)算并對主材應(yīng)力做對比，其中M30 高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力選取約300kN（參考GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中表27）。計(jì)算模型選取表1 的模型A 和模型C。同理，對主材焊縫位置的路徑1-2（圖5）進(jìn)行應(yīng)力對比。

由圖9 可見，主材在不同預(yù)緊力下的應(yīng)力變化趨勢類似，模型A 較模型C 的應(yīng)力幅大，且由表2 數(shù)據(jù)可見模型A 平均應(yīng)力較模型C 大，1-2路徑下主材的平均應(yīng)力值相差23.3%，故加預(yù)緊力對降低主材平均應(yīng)力非常有利?？山柚簤汉碗妱?dòng)力矩扳手，將標(biāo)準(zhǔn)節(jié)螺栓擰緊至規(guī)定的預(yù)緊力矩不再是困難的事。

圖9 不同預(yù)緊力下路徑A的等效應(yīng)力

表2 不同布置形式下的應(yīng)力值對比

1.2 帶尾椎型螺栓連接套

在其他邊界條件不變情況下，在模型A 的基礎(chǔ)上連接套延長100mm 尾椎進(jìn)行計(jì)算對比，該模型D結(jié)構(gòu)以及焊縫路徑1-2 位置如圖10 所示。同理，對主材焊縫位置的路徑1-2 進(jìn)行應(yīng)力對比。

圖10 帶尾椎型連接套結(jié)構(gòu)

由圖11 可見，連接套帶尾椎后主材的應(yīng)力趨勢變平緩，在距離端部140mm 位置處的應(yīng)力遠(yuǎn)小于模型A，故選取模型D 同樣變截面處的240mm位置與模型A 的140mm 位置對比，發(fā)現(xiàn)容易產(chǎn)生裂縫的該處位置模型D 主材的等效應(yīng)力較模型A 小，意味著模型A 容易先疲勞失效，兩者的應(yīng)力數(shù)據(jù)列于表3。

圖11 不同形式下路徑A的等效應(yīng)力

表3 有無尾椎的變截面處應(yīng)力值對比

由表3 數(shù)據(jù)可見模型A平均應(yīng)力較模型C大，平均應(yīng)力值相差5.6%，連接套帶尾椎對降低主材平均應(yīng)力有利。

1.3 魚尾板連接形式

這種接頭出現(xiàn)主弦桿疲勞斷裂的情況較少發(fā)生，但有兩種不安全因素時(shí)有發(fā)生。一種是銷軸孔被拉長，造成塔身晃動(dòng)，軸孔沖擊并且難以修復(fù)；另一種是如果銷軸表面熱處理不好，一段時(shí)間后銷軸將會(huì)與軸孔銹死，很難將銷軸取出，甚至不得不用氣割在高空解體作業(yè)，造成安全隱患。

此外，角鋼組成的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)比方鋼管（圓鋼管）標(biāo)準(zhǔn)節(jié)抗風(fēng)能力要差一些（按GB/T 13752-2017《塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，管形桿的空氣動(dòng)力系數(shù)為1.2，角鋼型材C0＝2）。如同樣的100tm 級塔機(jī)，最高一道附著桿以上的懸臂高度，角鋼型標(biāo)準(zhǔn)節(jié)要比鋼管型少6m，這往往給中小型塔機(jī)使用帶來不便。

2 經(jīng)濟(jì)性分析

1）圓柱型螺栓連接套 這種連接形式的經(jīng)濟(jì)性最好：①連接套材料和加工成本較低，螺栓價(jià)格也較低；②工裝費(fèi)用低，一套單肢加整體拼裝胎具可需數(shù)千元至上萬元（自制）；③工藝簡單，生產(chǎn)率高，只需一套工裝和數(shù)名工人，每班可制作出10 節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)。

2）帶尾椎型連接套 這種連接套價(jià)格較貴，經(jīng)濟(jì)性稍差。

3）魚尾板連接形式 其經(jīng)濟(jì)性較差：①魚尾板價(jià)格較昂貴；②標(biāo)準(zhǔn)件加工設(shè)備費(fèi)用較高，1臺常規(guī)必備的數(shù)控鏜銑機(jī)床就需100 多萬元，還需若干小型工裝和設(shè)備；③生產(chǎn)率較低，1 臺鏜銑設(shè)備每班加工量為6 節(jié)左右。

綜合比較，尾椎形連接套介于圓柱形和魚尾板形之間，這里不做討論。通過另外兩種同噸米級別標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的鋼材、連接套、螺栓組、魚尾板和銷軸的材料價(jià)格比較，連接套形式比魚尾板形式每節(jié)要少1 300 元左右，按100m 高度，大約相差4 萬多元，再考慮制作設(shè)備的投入和生產(chǎn)效率的差別，連接套形式比魚尾板形式的經(jīng)濟(jì)性明顯要好。

3 結(jié)語

綜上，圓柱型連接套和魚尾板兩種形式在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面各有所長，并且有較大的差別。但這并非是不可改變的，如果按照上述分析情況改變一下圓柱型連接套的構(gòu)造設(shè)計(jì)及采用適當(dāng)方法使連接螺栓預(yù)緊力符合要求，這種連接形式完全可以規(guī)避目前存在的早期疲勞破壞風(fēng)險(xiǎn)，或者說至少不會(huì)低于魚尾板形式的安全度。同時(shí)圓柱型連接套具有塔身制作簡單，成本低，裝拆方便，懸臂高度高的優(yōu)勢，仍然可以在量大面廣的中小型塔機(jī)市場中占有重要的位置。