關于耳板式吊耳設計校核的探討

■萬進 楊剛軍 湖北金石煉化建設有限公司湖北荊門448000

關于耳板式吊耳設計校核的探討

■萬進 楊剛軍 湖北金石煉化建設有限公司湖北荊門448000

通過分析耳板式吊耳的受力情況和設計原理，結合實際情況指出在實際工程應用中的不足和失誤，以求保障設備吊裝過程尤其是大型設備吊裝能順利安全進行。

耳板式吊耳受力分析強度校核

在設備安裝工程的建設過程中，設備吊裝始終處在舉足輕重的位置。設備吊裝過程尤其是大型設備吊裝是否能順利安全進行，直接決定著工程項目的施工周期和項目投資，更關系到工程項目管理的成敗、企業市場開發與經營運行效果和企業的持續發展。

吊耳是設備吊裝過程中最直接的受力部件，常用的形式分為耳板式和管軸式，分別應用在中小型和大中型的設備吊裝工程中，且耳板式較管軸式應用范圍更廣一些，應用時常常是根據相關規范選用。但在實際工作中，對于管軸式吊耳，所有工程技術人員基本上都是嚴格按照規范選用和制造；而對于耳板式吊耳，規范的執行并不是很嚴格，并且由于耳板式吊耳的應用范圍較廣，經常會遇見需要重新設計吊耳但規范上又沒有的情況，許多人員對其在強度上的校核存在著方法上的嚴重錯誤，雖然到目前為止還沒有產生過大的意外，但卻是危及吊裝安全的潛在隱患。本文主要論述耳板式吊耳本體在設計受力方向上的受力分析和設計原理，對吊耳焊縫的強度驗算不再贅述。

1 問題的提出

在實際工作中經常會出現以下情況，給吊裝安全帶來潛在隱患。

（1）有的技術人員對所設計的耳板式吊耳的驗算方法為：將吊耳受力簡單的理解為單純的受拉過程，僅僅校核吊耳危險斷面的拉應力，甚至于根本不考慮耳孔的承壓應力。

（2）耳板式吊耳設計時對耳孔的要求應該是機加工，這就對耳孔的表面加工精度有一定的要求，而實際工作中，施工人員往往從加工成本考慮，經常用火焊切割的方法代替機加工。

（3）吊裝時，所采用吊軸或卸扣軸的直徑小于耳板式吊耳的耳孔直徑往往很多，這會導致耳板的受力更為復雜。

2 理論分析

我們舉例來說明，如圖1所示，假設P=20t，B=210mm，R1=105mm，c=25mm，r=42mm，材料為A3鋼，同時假設銷軸與吊耳孔為間隙配合，根據此條件求解危險截面的應力。

圖1 耳板式吊耳示意圖

2.1 存在問題的計算方式

按照我們部分技術人員通常的驗算方法為：

取動載系數k=1.1（吊立過程取k=1.1，水平吊運過程取k=1.30），對危險截面A—A，則應力為：

因為有σ=69.8MPa＜[σ]=180MPa

故通常我們的技術人員僅根據此就判斷該吊耳可以安全使用，甚至都不考慮耳孔的承壓應力?，F在我們再來對其銷孔的承壓應力進行驗算：

根據計算結果可知：雖然該例中的承壓應力計算為合格，但其值σc卻是大于σ的；而且從σ、σc的計算公式中我們可以看到：假如銷軸的的材料強度足夠大，使其只需較小的r就能承受20t的載荷，我們可以發現此時σ的值會變小，而σc值則會變大，完全有可能超過其承壓許用應力值[σc]，從而導致吊耳材料的失效而發生事故。所以且不說平常我們技術人員驗算耳板強度的方法正確與否，但就其根本不考慮耳孔的承壓強度問題是絕不可行的。

2.2 力學分析

圖2 耳板式吊耳力學分析圖

實際上吊耳板的受力狀態較以上復雜得多，決不是簡單的計算就可以的。如圖2所示，我們仍然假設銷軸與吊耳孔為間隙配合，應該首先根據吊耳板承受的最大拉力P求出危險截面（圖中的水平截面b-b，垂直截面a-a）上的內力，然后引入彈性曲梁公式求出相應的內力，并進行強度校核。

2.2.1 內力計算

吊耳板承受的拉力P通過耳孔（銷軸孔）壁以沿弧長分布壓力p的形式傳遞給銷軸，其沿弧長方向按照正旋規律分布，即

如圖2所示：根據耳板的平衡條件可知

根據耳板結構和受力的對稱性，可知耳板上反對稱的內力（即剪力）等于零。若沿銷孔中心線水平截開耳板，則截面上只有軸力Nb及彎矩Mb，如圖3所示。

同時由于根據平衡方程解不出彎矩Mb，所以該求解成為一次超靜定問題，須根據耳板的變形條件求解Mb。為此需列出與水平線成α角的任意截面的彎矩方程：

同樣因為耳板的結構和受力是對稱的，故轉角θα應該等于零，即

將（式-4）代入上式，得

將

（式-6）代入（式-5）可得

同樣由圖3，根據平衡條件∑X=0，得

2.2.2 強度驗算

圖3 截面受力分析圖

根據彈性曲梁公式來求解危險截面的應力，如圖3所示。對應于每個危險截面的座標系原點均在其相應的中性軸上，并且外側方向為y軸正方向。于是有任一截面的應力值為

式中：A為計算截面積，對于矩形面積有A=(R1-r)×c=h×c

K位于計算界面形狀有關的系數，對于矩形面積有

同時引入動載系數k=1.1，即將上述各式中的P值全部以kP(1.1P)代替。

對于b—b截面：

回頭我們再來看前面舉的實例，將P=20t，R1=105mm，c=25mm，r=42mm，R2=73.5mm，h=63mm分別代入上述（式-10）、（式-12）、（式-13）、（式-15）、（式-16），可分別得到

根據以上結果我們畫出耳板危險截面的應力分布圖，如圖4所示。

圖4 應力分布圖

比較兩種方法計算出來的結果，很明顯根據彈性曲梁公式得到的最大應力結果不但遠大于第一種方法得出的結果，甚至有b—b截面內側的應力值為200.8超過180百分之十幾，即b—b截面內側的應力值超過材料的許用應力值，從而完全可能導致耳板材料的強度實效，如將此耳板用于實際的吊裝工程中，則會導致嚴重的安全生產事故，結果將不可想象。

3 分析結論

針對前面所提的問題以及耳板式吊耳的受力分析和實例計算結果的對比，我們可以得出如下應該注意的問題：

（1）耳板式吊耳設計時，必須要對其承壓應力進行校核，同時必須引入動載系數；

（2）耳板式吊耳設計校核時，應對耳板的受力狀態和應力分布要有清晰地認識，采用正確的方法對其強度進行校核；這樣才能有針對性地解決問題。比如上例中，從圖4我們可知，耳板式吊耳的最大應力值出現在與受力方向垂直的危險截面內側，對于該例，我們并不一定非要將整塊吊耳板全部更換，而可以在耳孔兩側貼加強板的方式來解決問題，避免材料的浪費。這種解決方式同時也提醒我們技術人員在實際進行吊耳設計時，盡量考慮選用現有的材料，通過較薄板的合理組合來替代厚板的使用，可以達到節約材料成本的目的；

（3）耳孔的精度問題。我們都知道，材料表面的精度對材料的強度是有很大的影響的。用火焰切割出來的耳孔表面高低不平，使得軸與耳孔的接觸由設計要求的面接觸變為實際上的點接觸，從而改變整個受力形式，使其承壓應力成倍增加，結果可能導致材料的失效。同時由于表面高低不平，更會導致應力的集中，從而使設計本合格的耳板在集中應力的作用下發生失效；

（4）現場使用的吊軸與耳孔不配套，同樣也會導致承壓應力增加和拉應力數值的改變，在上述分析中我們都基于這樣的一個假設：假設銷軸與吊耳孔為間隙配合，也就是吊軸直徑與耳孔直徑幾乎是一樣的，但實際的吊裝過程不可能達到此要求，所以在設計時還必須引入載荷分布系數，一般取1.35，這樣承壓應力和兩個危險截面的應力表述公式分別為：

實際設計校核時只需核算（式-17）、（式-18）、（式-21）即可。

4 結束語

通過對耳板式吊耳的受力和強度校核方法進行材料力學和彈性理學的理論性分析，指出了部分工程技術人員設計吊耳時的不足與失誤，給出了實際工程應用耳板式吊耳的校核方法，為在設計與施工中提供了有益的參考。

1劉鴻文.材料力學.高等教育出版社

2楊長馬癸.金屬結構.機械工業出版社

3吳家龍.彈性力學.高等教育出版社

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1672-9323（2010）03-0062-03

2010-01-12）