一起电动单梁起重机主端梁之间高强度螺栓连接副脱落的案例分析

钟佳奇，周 科，吴建通，辛琪杰

（宁波市特种设备检验研究院，浙江 宁波 315048）

起重机械主要用于各种货物的起重、移动、装卸，是现代化生产中不可或缺的重要设备。起重机械的高强度螺栓主要用来连接起重机械中的重要结构件，如电动单梁起重机中主、端梁之间的连接，门式起重机中支撑腿与横梁间法兰部位的连接，通用桥式起重机中端梁与2根主梁间法兰部位的连接。因此，高强度螺栓的安装、连接是否符合标准要求对确保起重机的安全可靠运行、杜绝安全事故的发生具有相当重要的意义。下面我们对一起电动单梁起重机主端梁之间高强度螺栓连接副脱落的案例进行分析，以达到规范相关行为的警示目的。

1 基本情况

2017年12月，对1台电动单梁起重机进行定期检验，发现该起重机非滑线测主端梁之间高强度螺栓连接中有2个高强度螺栓连接副脱落，设备处于严重事故隐患状态。该起重机为某起重机械有限公司2007年出产的LDA型电动单梁起重机，起升高度8m，额定起重量16t，跨度17.43m，起升速度3/0.3m/min，工作级别A5，大车运行速度20m/min，小车运行速度20m/min。

2 检验中发现的问题

电动单梁起重机的金属机构桥架有主梁、端梁装置组成。主梁有∏形钢板、工字钢和斜腹板构成，其两端有与端梁相连接的挂板。端梁由∏形钢板、下盖板制成，通过挂板与主梁用高强度螺栓进行连接。

现场对电动单梁起重机进行金属结构检查时发现主端梁（非滑线侧）之间的高强度螺栓连接副有明显缺件、损坏等缺陷。正常状态下主端梁之间应该由8个高强度螺栓连接副连接，但现场主端梁之间其中左侧一排第2和第4个高强度螺栓连接副已经不见了，可能是由于螺栓断裂或者松动而导致了脱落。进一步检查，空载运行试验时发现大车两侧起制动不均，非滑线大车制动偏松，大车在起制动过程中有扭晃现象。当起重机突然启动或运行状况改变，连接螺栓受到径向剪切力，高强度螺栓连接副更容易松动甚至直接被剪断，存在主梁直接从端梁处断裂脱落坠落到地面的危险。

3 高强度螺栓连接副脱落原因分析

3.1 高强度螺栓连接的原理

高强度螺栓连接是利用螺栓的预紧力夹紧连接板的板件，依靠连接板板件之间的摩擦力来传递力。螺栓本身不受力，力的大小取决于螺栓的预紧力和连接板之间的摩擦系数。根据不同的受力要求和设计方法，分为高强度螺栓摩擦型连接和高强度螺栓承压型连接。

高强度螺栓摩擦型连接是利用高强度螺栓的拧紧，在板件接触面间产生可能最大的摩擦阻力以承受外剪力而将被连接板件连成整体的连接方式。摩擦型连接中不允许外剪力超过最大摩擦力，被连接板件间不会发生相对滑移变形。高强度螺栓承压型连接是利用螺栓杆身与孔壁承受压力和螺杆本身抗剪切以传递剪力而将被连接板件连成整体的连接方式，其承载能力比摩擦型连接高［1］，但不得用于直接承受动力载荷重复作用且需要进行疲劳计算的板件连接。本文所述电动单梁起重机主、端梁连接属于高强度螺栓摩擦型连接。

3.2 高强度螺栓连接副脱落原因分析

由于起重机检修平台设置在大车滑触线侧，而现场使用单位又没有可靠的安全登高措施，无法进行主端梁（非滑线侧）高强度螺栓连接副的检验。但参照以往起重机检验的经验和现场发现的问题，笔者分析此处主端梁（非滑线侧）高强度螺栓连接副脱落可以归纳为以下2个原因：

（1）外因。起重机在运行过程中会受到载荷变化、冲击、振动、偏斜运行以及温度变化等复杂工况，此时在冲击、变载、振动的共同作用下，高强度螺栓的紧固轴力可能在某一时刻瞬间消失，从而导致高强度螺栓极易出现松动的现象。所检起重机大车两侧起制动不均，滑线侧大车起动打滑，非滑线大车制动偏松，桥架在起制动过程中有扭晃现象，在制动过程中非滑线侧端梁有来回往返摆动现象。这样频繁冲击、振动使主梁和端梁高强度螺栓连接处产生轴向的交变载荷和径向的剪切载荷，从而导致高强度螺栓连接副松动或断裂而脱落。实际使用过程中起重机突然启动或运行状态更改，特别是重载状态下，螺栓会因为受力情况和使用工况的改变产生损坏，一般表现为螺栓头部的剪切断裂或螺栓杆部分的疲劳断裂，往往发生在应力比较集中并且最大之处：螺栓头部、螺纹尾端和螺母支承面附近的螺纹。如果其中1个高强度螺栓连接副松动或断裂，此时易引起主端和端梁的相对滑移，加剧其它剩下的高强度螺栓连接副的松动，存在严重安全隐患。

起重机起制动不均，滑线侧大车起动打滑，桥架产生扭晃的原因一般有以下几点：大车轨道上有油污，车轮与轨道之间摩擦系数偏小；大车某一车轮转动不灵，车轮轴承卡紧不灵活；大车两侧制动器制动力矩不一致，停止时1个制动轮先停，另1个制动轮后停；大车两侧2台驱动电机型号参数不配套，导致不同步；大车两侧制动器抱闸有先后，制动环与制动轮间隙相差太大。

（2）内因。高强度螺栓连接副的原因：制造厂家未在装配图纸上采用高强度螺栓连接处标明预紧力要求和必须用力矩扳手或专用扳手拧紧的要求，导致高强度螺栓的连接性能达不到预期效果；连接体表面处理方法及除锈等级不符合要求，连接面未进行喷丸（砂）处理，常有毛刺、灰尘、锈蚀、油迹和油漆，降低了连接表面抗滑移能力；高强度螺栓运输、保管不当，导致螺纹损伤或部分生锈，有的高强度螺栓保管时间超过6个月，未重新进行扭矩系数或紧固轴力试验检验合格后而直接使用，影响连接性能；连接副不全，起重机上常用的大六角头高强度螺栓连接副应由1个螺栓、1个螺母和2个垫圈组成，但有些起重机的高强度螺栓连接处只有1个垫圈，易造成连接体表面挤压损坏［2］；连接副热处理不当，部分螺母、垫圈未进行热处理，容易使螺母丝扣滑脱。

4 处理结果

（1）检查、修理、更换大车车轮和大车电机，去除大车轨道上油污等，消除大车两侧起制动不均，运行过程中桥架扭晃现象。

（2）对主端梁（非滑线侧）之间的所有高强度螺栓连接副进行更换，并在更换前对连接表面进行除锈等处理，使连接表面平整、无毛刺、无油污，符合连接设计要求，加设计要求的预紧力，重新连接主梁和端梁，并责令使用单位对高强度螺栓连接副定期检查。

高强度螺栓连接副安装注意事项：终拧后，高强度螺栓外露丝扣应保证为2～3扣；高强度螺栓连接处摩擦面如采用喷砂（丸）后生赤锈处理方法时，安装前应除去摩擦面上的浮锈；在安装过程中，禁止用高强度螺栓兼做临时螺栓，不许使用螺纹受损及沾有杂质的高强度螺栓连接副；安装高强度螺栓时，严禁敲打螺栓强行穿入，当高强度螺栓与螺栓孔配合尺寸较小时，应该用铰刀对螺栓孔进行修整，修整后螺栓孔的最大直径应小于等于1.2倍的螺栓直径，且修孔数量应小于该节点螺栓数量的1/4，修孔前应拧紧四周螺栓，禁止用气割进行扩孔；不能在雨中进行高强度螺栓的安装，以保证构件的摩擦面不被淋湿；班前必须对大六角头高强度螺栓拧紧所用的扭矩扳手进行校正，保证扭矩相对误差保持在±5%，合格后才允许使用［3］。

5 结束语

GB 6067.1-2010《起重机械安全规程 第一部分：总则》中规定，高强度螺栓连接应按起重机械安装说明书的要求，用扭矩扳手或专用工具拧紧，连接副的施拧顺序和初拧、复拧扭矩应符合设计要求和JGJ 82的规定［4］。高强度螺栓连接副是电动单梁起重机桥架的重要连接装置，但许多起重机安装单位对高强度螺栓的使用却很混乱，有很多不正确的做法，比如利用弹簧垫圈对高强度螺栓进行防松。JG/T 5057.40-1995《建设机械与设备高强度紧固件技术条件》中规定，“当使用8.8级或9.8级螺栓时，一般不允许采用弹簧垫圈防松。使用其他性能等级的螺栓，绝不允许采用弹簧垫圈防松。建议采取下述防松方法：采用双螺母防松，2个螺母应相同”［5］。大六角高强度螺栓连接副由1个螺栓、1个螺母和2个垫圈组成，其中螺栓和螺母每侧各配备1个垫圈，可是许多安装单位在现场施工时却违背原设计，另外新增加了1个弹簧垫圈。因为高强度螺栓本身不传力，而是通过施加在连接间的预紧力和连接件产生的摩擦力来传递外力。而弹簧垫圈的抗挤压强度有限，如果加了弹簧垫圈，当垫圈挤压而不足以抵抗螺栓的紧固力时，将会被压碎，此时弹簧垫圈将起不到防松的效果。在起重机作业过程中，破碎的弹簧垫圈将会由于震动而脱落，使高强度螺栓松动，造成连接失效，导致主梁坠落事故。

检验人员在检验前必须对高强度螺栓连接副连接技术要求有全面认识，才能保证起重机械的安全运行。在定期检验过程中，应检验起重机械的高强度螺栓连接副是否有松动、缺件、损坏等缺陷。仔细检查高强度螺栓头、螺母、垫圈下方是否有锈水流出，并用扭矩扳手检测高强度螺栓是否有足够的紧固力矩。若发现问题，说明螺栓可能存在裂缝［5］，应及时与使用单位沟通，形成使用、施工、检验等多方面联动机制，以减少起重机械中的安全隐患，防止事故发生。