塔机回转支承高强螺栓强度校核的探讨

李 蕾/LI Lei（山东国弘重工机械有限公司，山东 淄博 256401）

塔机回转支承高强螺栓强度校核的探讨

李 蕾/LI Lei
（山东国弘重工机械有限公司，山东 淄博 256401）

[摘 要]本文推导出计算高强螺栓最大外拉力的公式，结合相关标准，引用高强螺栓许用外拉力作为回转支承高强螺栓外拉力的上限，并以此开发了回转支承螺栓的校核小程序，从而使回转支承高强螺栓的计算更加简单、方便，并用有限元方法验证了此程序和方法的正确性。

[关键词]塔式起重机；回转支承；高强螺栓；结构计算

塔机的回转支承是塔机回转机构的重要部件，承受弯矩、压力和扭矩，其强度校核尤其重要，其选型和校核计算可以根据规范GB/T 13752-1992《塔式起重机设计规范》中的公式来进行。然而，规范中介绍的回转支承高强螺栓的强度校核方法虽然简便易行，但偏于保守，并且没有考虑螺栓杆长度的因素，而实际上螺栓的拉伸段长度影响高强螺栓承受外拉力的能力，而且此影响还比较明显。

1 螺栓最大拉力的公式推导

1.1 在弯矩M作用下产生的最大螺栓拉力

当高强螺栓群受到弯矩M时（作用方向使螺栓受拉，见图1），由于高强度螺栓的外拉力N必须小于预拉力Pg，确保连接件在M作用下，其接触面始终保持紧密贴合。故可按中性轴位于螺柱群重心轴线上来计算，即每个螺栓受到的力N与螺栓到中性轴的距离y成正比

图1　 回转支承高强螺栓的力学模型

代入力矩平衡条件，则

则有

离中性轴最远的螺栓受力最大，其值为

其中，n为螺栓个数。

1.2 在弯矩M和压力FN作用下螺栓的拉力

2 螺栓强度的校核[1]

在受拉连接中,单个摩擦型高强螺栓沿螺杆轴向的许用承载力[Pt]按下式计算，且不宜大于Pg

式中 σsl— 高强螺栓钢材的屈服点，有确切数据按值选取，也可按表1中最低值选取；

At—螺栓的有效面积，在表1中选取；

β— 载荷分配系数，与连接板总厚度L和螺栓（公称）直径d有关，按下式计算：L/d≥3时β=（0.26-0.026L/d）+0.15，L/d＜3时β=（0.17-0.057L/d）+0.33；

n——安全系数。

即外拉力在螺栓连接中不得大于[Pt]。

表1　 结果比较

3 实例计算

3.1 实例描述

以某厂的P7524平头塔机回转支承高强螺栓断裂事件为例，断裂事故发生在新增加的35m臂长的工况，最大幅度起吊8.9t，经过计算，该工况比原设计的弯矩M大很多。

3.2 实例的原始参数

螺栓断裂工况的原始参数：d=24mm；L=35mm；n=60；D=1 810mm；M=3 118 000Nm（最大值），FN=710 000N。

原设计工况的原始参数：d=24mm；L=35mm；n=60；D=1 810mm；M=2 408 000Nm（最大值）；FN=710 000N。

其中，d为螺栓杆直径，L为螺栓拉伸长度，n为螺栓个数，M为回转支承受到的最大力矩，FN为回转支承受到的最大压力。

3.3 本文方法计算的结果

3.3.1 螺栓断裂工况的计算结果

将本文的计算方法写成小程序，结果如图2所示，螺栓最大外拉力为103 010.1N，螺栓许用外拉力为102 986.3N，最大值大于许用值，所以M24-10.9高强螺栓的强度不满足该工况。

3.3.2 原设计最危险工况的计算结果

计算结果如图3所示，螺栓最大外拉力为76 859.12N，螺栓许用外拉力为102 986.3N，最大值小于许用值，所以M24-10.9高强螺栓强度满足该工况。

3.4 有限元方法验证

为了精确计算高强螺栓外拉力，建模时不施加螺栓预紧力。

3.4.1 螺栓断裂工况的计算结果

该工况的螺栓轴向力如图4所示，变形比例放大8 000倍，变形大小也反映了外拉力的大小，Mx处的螺栓受到的拉力最大，为98 778N。

3.4.2 原设计最危险工况的计算结果

该工况的螺栓轴向力如图5所示，变形比例放大8 000倍，Mx处的螺栓受到的拉力最大，为73 524N。

3.5 两种方法的结果比较

由表1可以看出，本文的解析法和有限元方法所得出的结果相差4%左右，验证了本文方法的正确性，也验证了开发的小程序的可靠性。

图2　 软件界面（螺栓断裂工况的计算结果）

图3　 软件界面（原设计最危险工况的计算结果）

图4　 螺栓断裂工况的外拉力云图

图5　 原设计最危险工况的外拉力云图

4 结 论

本文根据工程力学理论，推导了回转支承高强螺栓最大拉力的计算公式，以基于螺栓型号、强度等级、螺栓杆长度的高强螺栓许用外拉力为上限，介绍了一种比较精确的校核回转支承高强螺栓的方法，依据此方法写成计算小程序，做成人机界面，使得计算方便快捷，并运用于一个实际工程算例，然后用有限元方法验证了本文方法和程序的正确可靠。

[参考文献]

[1] GB/T 3811—2008，起重机设计规范[S]．

[2] GB/T 13752—1992，塔式起重机设计规范[S]．

（编辑 贾泽辉）

［中图分类号］TH212；TH213.3

［文献标识码］B

［文章编号］1001-1366（2015）02-0048-03

［收稿日期］2014-12-10

Discussion of intensity check to high strength bolts of tower crane slewing support