起重机回转支承高强度螺栓承载能力分析

范开英，沈兰华，姚行杰

（山东丰汇设备技术有限公司，山东 济南 250000)

塔机回转机构主要由回转支承、回转减速机、电机（或马达)和连接螺栓组成[1]，将起重机转动部分（上车)与固定部分（下车)连接成整体。回转机构通过高强度螺栓群传递转动部分的轴向载荷、径向载荷、倾覆力矩载荷和回转力矩载荷，属于一种特殊的弯剪组合法兰连接型式[2]。

回转支承有标准系列，可根据起重机上车载荷参照样本手册进行选型设计，连接螺栓在样本中有推荐。在起重机部分机型设计时标准的回转支承不能同时满足受力和安装尺寸要求，需要对回转支承进行特殊设计。选型样本中也有注明：若螺栓承载能力不够，可重新选择回转支承，或与回转支承公司联系。

回转支承采用高强度螺栓连接，通过结合面摩擦力传递扭矩，因此对螺栓连接要求预紧力。预紧力应能保证回转支承上下两侧的结合面不发生离缝问题，但部分设备因过度增大预紧力或不按规范顺序交错预紧，导致螺栓在安装和使用过程中出现过载现象，导致回转机构螺栓断裂[3]。在螺栓选型设计和使用过程中，预紧力应控制在合理的范围内。

1 回转支承的选型计算

回转支承的计算载荷包括：回转部分自重、起升载荷、起升载荷的偏斜力、回转惯性力和风载荷。回转支承在使用过程中，一般要承受轴向力Fa、径向力Fr以及倾覆力矩M的共同作用，对不同的应用场合，由于主机的工作方式及结构形式不同，上述3 种荷载的作用组合情况将有所变化，有时可能是2 种载荷的共同作用，有时也有可能仅仅是一个载荷的单独作用。在大型塔机设计时，通常选用三排滚柱式回转支承，此型式可承受较大的径向载荷，因此在选型计算主要考虑上部载荷轴力与倾覆力矩。

为便于回转支承型号选择，可将各工况复合载荷换算为当量载荷，按工况系数进行组合计算。

式中′——轴向力当量载荷；

f——工况参数，静容量fs，动容量fr；

ka、kr——载荷换算系数。

以回转支承装置的静容量计算为例，不计风力，考虑125%试验负荷的载荷，此时回转支承径向载荷远小于轴向载荷，起重机为上回转塔机，式（1）可表达为

式中Fai′——静载工况的轴向力当量载荷；

G0——上部自重载荷；

Qi——起升载荷；

Mi′——静载工况的弯矩当量载荷；

Li——起升载荷对应的工作幅度。

动载工况包括最大起重力矩工况和最大幅度工况；非工作工况包括暴风工况和平台摆动特殊载荷。此外在回转支承选型设计时，还应考虑其他危险工况的当量载荷予以校核[4]。

回转支承选型样本曲线图中有2 条曲线，静止承载曲线表示回转支承保持静止状态时所能承受的最大倾覆力矩和上车载荷的曲线关系；回转支承螺栓极限负荷曲线表示螺栓能承受的最大倾覆力矩和上车载荷的曲线关系。判定回转支承螺栓先把回转支承所承受的最大载荷（没有乘静态安全系数fs）作为选择螺栓的载荷，核对载荷是否落在所需等级螺栓极限负荷曲线以下，这是选型设计的主要方法。

2 螺栓工作载荷

回转支承的高强度螺栓在周向是均匀分布的，因径向力相对整体摩擦力较小，可不考虑。回转支承按照特殊法兰考虑，载荷为轴力和倾覆力矩组合。轴力由上部自重载荷和起升载荷产生，按照螺栓群均布考虑，重力载荷为压力，取“-”号

当量倾覆力矩为单向力矩，以力矩方向为x轴正方向，绘制螺栓法兰平面图，按照弯剪组合法兰计算由倾覆力矩产生的最大螺栓载荷

式中xmax=R——回转支承螺栓节圆半径；

rix——螺栓在x轴上的投影距离。

螺栓群形心与回转支承圆心同心，可按照4个象限画为4份，根据受力对称原则，各象限合力矩相同，设回转支承总螺栓数为n，因此

代入式（4)可得

回转支承高强度螺栓工作拉力发生在力矩反方向上，即远离起重臂头部的螺栓工作拉力越大。由轴压力和倾覆力矩共同作用引起的螺栓理论最大拉力为

3 预紧力影响

回转支承的高强度螺栓同时受拉和受剪，在两种载荷的作用下，承载力应满足

回转支承传递扭矩，螺栓的连接应满足摩擦型连接，回转支承与上车、下车均为单剪连接，每颗螺栓可传递的受剪承载力设计值承载力设计值为

式中μ——回转支承摩擦面抗滑移系数，查表取值0.4；

P——螺栓预拉力。

设回转支承扭矩为Mh，假设所有高强度螺栓均匀承担扭剪摩擦力，则Nv为

由于受倾覆力矩的影响，实际上每颗螺栓受力不完全相同，在分担摩擦扭矩时并不均匀。倾覆力矩引起的单颗高强度螺栓实际拉力的变化值，在与y轴线对称的2 颗螺栓，大小相等，方向相反，合力影响为零。因此整体回转支承法兰的轴向力不变，螺栓群摩擦扭矩合力不变，首次预紧后满足后可不在考虑倾覆力矩的影响。实际回转支承螺栓群的预紧力远大于上车自重载荷，仅预紧力矩就足够满足回转力矩需要，因此在样本选型中一般不考虑回转力矩的因素。

在螺栓杆轴方向受拉的连接中，每个高强度螺栓的受拉承载力设计值为0.8 倍的预紧力

根据GB/T 3811-2008 《起重机设计规范》中公式39 要求，当高强度螺栓夹持连接板总厚度为螺栓公称直径的5 倍时，单个摩擦型高强度螺栓沿螺杆轴向的许用承载能力与按螺栓材料屈服极限的70%强度计算的预拉力结果基本相同，夹持厚度超过5 倍时，仍不宜大于按规范预拉力。

预紧力是安装状态下对会装支承施加的预拉力，由轴压力和前倾力矩共同作用引起的螺栓理论最大拉力为附加力，共同作用后螺栓最大拉力变为

4 承载能力验算示例

以FHTT 系列某塔机为例，回转力矩1200kNm，上车载荷2800kN，前倾力矩11000kNm，共使用72颗10.9级M30 螺栓，由此得

查规范10.9 级M30 螺栓预拉力为353kN，验证承载力为

此时螺栓的应力为693MPa，工作应力比预拉应力0.7σz增长了10%左右，此脉动载荷的波动幅值与预拉力原值相比较小，但预拉力初始值是高强度螺栓处于应力较大的状态。当抗滑移系数或力矩扳手液压档位控制不精确，螺栓预拉力就会出现较大偏差。当未按照维护周期定期检查预紧时，如果发生局部螺栓松动，会立即引起周边相邻螺栓的迅速增加。高强度螺栓的安全使用关键在于预紧工序的质量控制，严格按照操作规程使用力矩扳手进行预紧。

5 结论

以塔机回转支承高强度螺栓法兰为研究对象，以当量载荷为切入点，求解了高强度螺栓的最大工作拉力，分析了预紧力对螺栓受力和回转支承的影响，并通过示例验算承载能力，辨识了高强度螺栓破坏的潜在原因，为回转支承的选型设计和高强度螺栓的使用维护提供了理论依据。

1)回转支承选型时有多种当量载荷组合，最大起重力矩和最大工作幅度静载试验是比较典型的工况，应重点验算；

2)回转支承上离起重臂头部距离最远的高强度螺栓工作拉力最大，也最危险，其值可按式（6）求得；回转支承高强度螺栓按照承载能力式（7）校核，由预紧力产生的摩擦剪力满足常规的回转力矩要求，可以不单独考虑。

3)回转支承正常使用并不会引起高强度螺栓太多的附加应力，为保障螺栓的正常使用，预紧质量是重点控制工序，并按照使用要求做好维护保养。