塔式起重機高強度螺栓力學特性研究①

王國華 張楠

摘 要：為了分析塔式起重機高強度螺栓的機械特性，采用理論分析和有限元分析對高強度螺栓進行研究，得到了預緊后的螺栓組應力，加載后的螺栓組應力和加載后的螺栓部分應力云圖。分析結果表明：計算的安全系數為，比載荷組合B所需安全系數1.34大，螺栓聯接具有一定的可靠性。

關鍵詞：塔式起重機 高強度螺栓 力學特性 理論分析 有限元分析

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

塔式起重機部件之間主要采用的聯接方式是螺栓聯接和銷軸連接。近年來，起重機大多數的安全事故基本上都是由于塔式起重機部件之間聯接不可靠導致的。塔式起重機中采用高強度螺栓聯接的地方主要有：塔身節之間的聯接，回轉支承由多個高強度螺栓與上下支座相連，其強度是沒有問題的，它主要是通過預緊來控制上支座以上部分的變形與晃動，一旦螺栓聯接失效，必將導致嚴重的事故[1～3]。本文主要對部件與部件之間所采用的高強度聯接螺栓進行力學特性的分析與研究，本文的研究對塔式起重機關鍵聯接件的優化設計具有重要的意義。

1 高強度螺栓力學特性理論分析

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

由圖1（c）可知，外載荷為拉力時，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，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，螺栓所受的拉力和連接套結合面處所受的壓力有：

（1）

（2）

根據靜力平衡條件有：

（3）

圖1（d）可以表示上述計算，縱坐標表示螺栓聯接體系的作用力，橫坐標表示螺栓聯接體系的變形量。AD表示高強度螺栓彈性曲線。BC表示連接套彈性曲線。高強度螺栓在A點處的預緊力等于零；而B點處預拉力F1與連接套預壓力F2相等；由于拉力F 的作用，螺栓被拉伸到達D點，螺栓拉力為；對應的，連接套壓縮量減少了到達E點，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 高強度螺栓力學特性有限元分析

2.1 高強度螺栓有限元單元

在Autodesk Inventor中建立高強度螺栓的幾何模型，并將模型導入ANSYS中，選用實體單元solid45。采用單元prets179模擬螺栓預緊狀態。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，定義網格大小為5 mm，劃分網格后施加適當的力學和位移邊界條件。高強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 高強度螺栓有限元結果分析

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

3 結論

高強度螺栓在塔式起重機聯接中雖是一個不起眼的部件，但是它起著重要的作用，當它發生破壞導致失效時，會導致整個塔式起重機機構無法正常工作。本文對塔式起重機高強度螺栓進行力學特性的分析，同時對預緊力與外載荷下的螺栓組進行應力分析，得出力學拉伸性能是高強度螺栓設計和使用的關鍵。本文的研究對塔式起重機的高強度螺栓日后更為深入的研究提供了理論基礎。

參考文獻

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