一種新型安全緩沖裝置的設計應用

王占武　費琦　高劍成

摘要：文章介紹了一種新型安全緩沖裝置的設計方法，對緩沖元件聚氨酯緩沖器的工作原理、特性以及計算與選取方法進行了論述，并通過具體的數據進行了公式計算與選擇過程的解析；在深入分析現場作業條件后，提出了一種能夠解決聚氨酯緩沖器不適宜高溫條件下工作的設計方案；在保證安全裝置整體結構穩定的前提下，通過運動學與力學分析后，對裝置涉及到的危險部位的焊接強度給予了充分的理論論證與實際

驗證。

關鍵詞：安全緩沖裝置；聚氨酯緩沖器；結構強度；焊接強度；緩沖元件

中圖分類號：TH137 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）34-0009-02

包鋼無縫廠Φ400作業區軋制工藝比較復雜，一根合格的鋼管需要經過原料、加熱、雙面定心、1#次穿孔、2#次穿孔、軋管機、均整機、步進爐加熱、張力減徑機、冷床冷卻、矯直、探傷、切管、冷檢、打壓、包裝等多個工藝過程。其中，鋼管經過均整機軋制后由7#輥道（鋼管輸送輥道）輸送到下一工序，這時輥道如果反轉就會出現鋼管后退過位掉到最后一個輥道下面的情況，對軋制過程造成影響并威脅人員的安全。鑒于此，本文提出設計一套輥道安全緩沖裝置，安裝于輥道最后一個輥子的后面，來解決上述問題。

一般安全緩沖裝置常用的緩沖器類型有4種：橡膠緩沖器、彈簧緩沖器、液壓緩沖器和聚氨酯緩沖器。由于聚氨酯緩沖器與前3種緩沖器相比具有彈性好、吸振容量大、重量輕、撞擊方向尺寸短、易于安裝與更換等優點，因此，本文選用JHQ型聚氨酯緩沖器。

1 安全緩沖裝置聚氨酯緩沖器的選取

1.1 聚氨酯緩沖器的工作原理

聚氨酯緩沖器利用聚氨酯材料特殊的微孔氣泡結構吸能緩沖，在受到沖擊時，相當于一個帶有多氣囊阻尼的彈簧，因而其緩沖容量可隨碰撞速度的提高而加大。

1.2 聚氨酯緩沖器的應用范圍、特點與特性

聚氨酯緩沖器是新型的安全防護裝具，其用途甚廣，目前主要應用于礦車、電梯、鋁電解多功能機組、船泊、汽車等領域的緩沖和減震，具有較高的吸收沖擊功能，良好的抗壓回復性；阻燃、絕緣、耐低溫耐老化、耐油、弱酸、弱堿的腐蝕，安裝維修方便，延長主機使用壽命等特點，是各種存在撞擊、振動機械設備理想的安全防護裝具，是鋼制或橡膠緩沖器的更新換代

產品。

1.3 聚氨酯緩沖器的計算與選型

聚氨酯緩沖器的主要性能參數是緩沖能量、最大緩沖力和緩沖行程，它們是選用和設計緩沖器的主要依據，也是衡量緩沖器的重要指標。一般地，常用聚氨酯緩沖器有配套產品供應，可以按照所需緩沖器的性能參數進行選用。選用的緩沖器應當保證其緩沖容量、緩沖行程和最大緩沖力均大于且最接近以下計算的要求值。若選用的緩沖器過小，則不能保證安全緩沖；過大，則因其剛度過大而降低緩沖效果。

1.3.1 緩沖器碰撞動能E。

綜上所述，現場選擇的聚氨酯緩沖器型號為JHQ-C-18，緩沖容量為15.67kJ，緩沖力為414kN，完全符合要求。

2 安全緩沖裝置的結構設計

1.左支撐組件；2.移動板；3.連接螺栓；4.聚氨酯緩沖器；5.右支撐組件；6.支撐梁

由表1可知，聚氨酯緩沖器不能在高溫情況下使用，為了克服它的這一缺點，緩沖裝置采用了如圖1所示的設計結構。通過采用這種方案就能很好地將緩沖器與高溫鋼管隔離開，進而發揮緩沖器的作用。本裝置的運動過程為：緩沖器反裝在移動板上，鋼管在反轉時，移動板帶動緩沖器一起作用在支撐板上，這樣在增加系統穩定性的同時降低了鋼管緩沖帶給系統的內力。

3 安全緩沖裝置的強度設計

從上面的分析可知在所選擇的方案中鋼管的最終作用力傳導到了后支撐板上，而后支撐板是通過序號5加強板固定在框架梁上的，加強板共4塊。由此可知鋼管的作用力F最終將作用在加強板與框架梁的焊縫上，導致此處成為強度最薄弱的部位。如圖2所示：

此處所示的焊縫共有8條，它們一起承擔作用力F，所以每條焊縫的平均作用力。

為了便于計算將焊縫受力簡化為如圖3模型。

3.1 計算在靜載荷時的最大切應力

焊縫接頭開I形坡口，此時產生最大切應力的危險點在焊縫的最上端，該點同時作用有兩個切應力：一個是由M=FL引起的τm；另一個是由Q=F引起的式中：n為工作條件系數查資料得n=0.8，為焊縫的基本許用應力，對于Q235-A此值為160N/。因此，n=128N/。所以，59.82N/≤128N/，結構穩定。

3.2 計算變載荷時的許用應力

= （8）

式中：為許用系數，查資料計算得=0.75。

因此，==96N/。

所以切應力59.82N/≤==96N/，說明此結構在承受變載荷的作用時也是非常穩定的。

4 設計驗證

聚氨酯緩沖器的價格是同緩沖容量彈簧式緩沖器的一半，重量是同緩沖容量彈簧式緩沖器的1/6。采用本文這種結構設計方案既解決了聚氨酯緩沖器不適用于高溫的情況，又能保證緩沖裝置的結構強度和穩定性要求，有效地延長了緩沖器的使用壽命，不失為一種新型的安全緩沖裝置，具有很大的推廣價值。

參考文獻

[1] 張質文，虞和謙，王金諾，等.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2001.

[2] 張榮俠.橋式起重機緩沖器撞壞原因分析及改進[J].起重運輸機械，2005，（5）.

[3] 張佳亮.聚氨酯緩沖器在鋁電解多功能機組上的應用[J].有色金屬，2011，（4）.

[4] 徐初雄.焊接工藝500問[M].北京：機械工業出版社，2001.

作者簡介：王占武（1983-），男，包鋼集團公司無縫鋼管廠機械助理工程師。

摘要：文章介紹了一種新型安全緩沖裝置的設計方法，對緩沖元件聚氨酯緩沖器的工作原理、特性以及計算與選取方法進行了論述，并通過具體的數據進行了公式計算與選擇過程的解析；在深入分析現場作業條件后，提出了一種能夠解決聚氨酯緩沖器不適宜高溫條件下工作的設計方案；在保證安全裝置整體結構穩定的前提下，通過運動學與力學分析后，對裝置涉及到的危險部位的焊接強度給予了充分的理論論證與實際

驗證。

關鍵詞：安全緩沖裝置；聚氨酯緩沖器；結構強度；焊接強度；緩沖元件

中圖分類號：TH137 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）34-0009-02

包鋼無縫廠Φ400作業區軋制工藝比較復雜，一根合格的鋼管需要經過原料、加熱、雙面定心、1#次穿孔、2#次穿孔、軋管機、均整機、步進爐加熱、張力減徑機、冷床冷卻、矯直、探傷、切管、冷檢、打壓、包裝等多個工藝過程。其中，鋼管經過均整機軋制后由7#輥道（鋼管輸送輥道）輸送到下一工序，這時輥道如果反轉就會出現鋼管后退過位掉到最后一個輥道下面的情況，對軋制過程造成影響并威脅人員的安全。鑒于此，本文提出設計一套輥道安全緩沖裝置，安裝于輥道最后一個輥子的后面，來解決上述問題。

一般安全緩沖裝置常用的緩沖器類型有4種：橡膠緩沖器、彈簧緩沖器、液壓緩沖器和聚氨酯緩沖器。由于聚氨酯緩沖器與前3種緩沖器相比具有彈性好、吸振容量大、重量輕、撞擊方向尺寸短、易于安裝與更換等優點，因此，本文選用JHQ型聚氨酯緩沖器。

1 安全緩沖裝置聚氨酯緩沖器的選取

1.1 聚氨酯緩沖器的工作原理

聚氨酯緩沖器利用聚氨酯材料特殊的微孔氣泡結構吸能緩沖，在受到沖擊時，相當于一個帶有多氣囊阻尼的彈簧，因而其緩沖容量可隨碰撞速度的提高而加大。

1.2 聚氨酯緩沖器的應用范圍、特點與特性

聚氨酯緩沖器是新型的安全防護裝具，其用途甚廣，目前主要應用于礦車、電梯、鋁電解多功能機組、船泊、汽車等領域的緩沖和減震，具有較高的吸收沖擊功能，良好的抗壓回復性；阻燃、絕緣、耐低溫耐老化、耐油、弱酸、弱堿的腐蝕，安裝維修方便，延長主機使用壽命等特點，是各種存在撞擊、振動機械設備理想的安全防護裝具，是鋼制或橡膠緩沖器的更新換代

產品。

1.3 聚氨酯緩沖器的計算與選型

聚氨酯緩沖器的主要性能參數是緩沖能量、最大緩沖力和緩沖行程，它們是選用和設計緩沖器的主要依據，也是衡量緩沖器的重要指標。一般地，常用聚氨酯緩沖器有配套產品供應，可以按照所需緩沖器的性能參數進行選用。選用的緩沖器應當保證其緩沖容量、緩沖行程和最大緩沖力均大于且最接近以下計算的要求值。若選用的緩沖器過小，則不能保證安全緩沖；過大，則因其剛度過大而降低緩沖效果。

1.3.1 緩沖器碰撞動能E。

綜上所述，現場選擇的聚氨酯緩沖器型號為JHQ-C-18，緩沖容量為15.67kJ，緩沖力為414kN，完全符合要求。

2 安全緩沖裝置的結構設計

1.左支撐組件；2.移動板；3.連接螺栓；4.聚氨酯緩沖器；5.右支撐組件；6.支撐梁

由表1可知，聚氨酯緩沖器不能在高溫情況下使用，為了克服它的這一缺點，緩沖裝置采用了如圖1所示的設計結構。通過采用這種方案就能很好地將緩沖器與高溫鋼管隔離開，進而發揮緩沖器的作用。本裝置的運動過程為：緩沖器反裝在移動板上，鋼管在反轉時，移動板帶動緩沖器一起作用在支撐板上，這樣在增加系統穩定性的同時降低了鋼管緩沖帶給系統的內力。

3 安全緩沖裝置的強度設計

從上面的分析可知在所選擇的方案中鋼管的最終作用力傳導到了后支撐板上，而后支撐板是通過序號5加強板固定在框架梁上的，加強板共4塊。由此可知鋼管的作用力F最終將作用在加強板與框架梁的焊縫上，導致此處成為強度最薄弱的部位。如圖2所示：

此處所示的焊縫共有8條，它們一起承擔作用力F，所以每條焊縫的平均作用力。

為了便于計算將焊縫受力簡化為如圖3模型。

3.1 計算在靜載荷時的最大切應力

焊縫接頭開I形坡口，此時產生最大切應力的危險點在焊縫的最上端，該點同時作用有兩個切應力：一個是由M=FL引起的τm；另一個是由Q=F引起的式中：n為工作條件系數查資料得n=0.8，為焊縫的基本許用應力，對于Q235-A此值為160N/。因此，n=128N/。所以，59.82N/≤128N/，結構穩定。

3.2 計算變載荷時的許用應力

= （8）

式中：為許用系數，查資料計算得=0.75。

因此，==96N/。

所以切應力59.82N/≤==96N/，說明此結構在承受變載荷的作用時也是非常穩定的。

4 設計驗證

聚氨酯緩沖器的價格是同緩沖容量彈簧式緩沖器的一半，重量是同緩沖容量彈簧式緩沖器的1/6。采用本文這種結構設計方案既解決了聚氨酯緩沖器不適用于高溫的情況，又能保證緩沖裝置的結構強度和穩定性要求，有效地延長了緩沖器的使用壽命，不失為一種新型的安全緩沖裝置，具有很大的推廣價值。

參考文獻

[1] 張質文，虞和謙，王金諾，等.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2001.

[2] 張榮俠.橋式起重機緩沖器撞壞原因分析及改進[J].起重運輸機械，2005，（5）.

[3] 張佳亮.聚氨酯緩沖器在鋁電解多功能機組上的應用[J].有色金屬，2011，（4）.

[4] 徐初雄.焊接工藝500問[M].北京：機械工業出版社，2001.

作者簡介：王占武（1983-），男，包鋼集團公司無縫鋼管廠機械助理工程師。

摘要：文章介紹了一種新型安全緩沖裝置的設計方法，對緩沖元件聚氨酯緩沖器的工作原理、特性以及計算與選取方法進行了論述，并通過具體的數據進行了公式計算與選擇過程的解析；在深入分析現場作業條件后，提出了一種能夠解決聚氨酯緩沖器不適宜高溫條件下工作的設計方案；在保證安全裝置整體結構穩定的前提下，通過運動學與力學分析后，對裝置涉及到的危險部位的焊接強度給予了充分的理論論證與實際

驗證。

關鍵詞：安全緩沖裝置；聚氨酯緩沖器；結構強度；焊接強度；緩沖元件

中圖分類號：TH137 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）34-0009-02

包鋼無縫廠Φ400作業區軋制工藝比較復雜，一根合格的鋼管需要經過原料、加熱、雙面定心、1#次穿孔、2#次穿孔、軋管機、均整機、步進爐加熱、張力減徑機、冷床冷卻、矯直、探傷、切管、冷檢、打壓、包裝等多個工藝過程。其中，鋼管經過均整機軋制后由7#輥道（鋼管輸送輥道）輸送到下一工序，這時輥道如果反轉就會出現鋼管后退過位掉到最后一個輥道下面的情況，對軋制過程造成影響并威脅人員的安全。鑒于此，本文提出設計一套輥道安全緩沖裝置，安裝于輥道最后一個輥子的后面，來解決上述問題。

一般安全緩沖裝置常用的緩沖器類型有4種：橡膠緩沖器、彈簧緩沖器、液壓緩沖器和聚氨酯緩沖器。由于聚氨酯緩沖器與前3種緩沖器相比具有彈性好、吸振容量大、重量輕、撞擊方向尺寸短、易于安裝與更換等優點，因此，本文選用JHQ型聚氨酯緩沖器。

1 安全緩沖裝置聚氨酯緩沖器的選取

1.1 聚氨酯緩沖器的工作原理

聚氨酯緩沖器利用聚氨酯材料特殊的微孔氣泡結構吸能緩沖，在受到沖擊時，相當于一個帶有多氣囊阻尼的彈簧，因而其緩沖容量可隨碰撞速度的提高而加大。

1.2 聚氨酯緩沖器的應用范圍、特點與特性

聚氨酯緩沖器是新型的安全防護裝具，其用途甚廣，目前主要應用于礦車、電梯、鋁電解多功能機組、船泊、汽車等領域的緩沖和減震，具有較高的吸收沖擊功能，良好的抗壓回復性；阻燃、絕緣、耐低溫耐老化、耐油、弱酸、弱堿的腐蝕，安裝維修方便，延長主機使用壽命等特點，是各種存在撞擊、振動機械設備理想的安全防護裝具，是鋼制或橡膠緩沖器的更新換代

產品。

1.3 聚氨酯緩沖器的計算與選型

聚氨酯緩沖器的主要性能參數是緩沖能量、最大緩沖力和緩沖行程，它們是選用和設計緩沖器的主要依據，也是衡量緩沖器的重要指標。一般地，常用聚氨酯緩沖器有配套產品供應，可以按照所需緩沖器的性能參數進行選用。選用的緩沖器應當保證其緩沖容量、緩沖行程和最大緩沖力均大于且最接近以下計算的要求值。若選用的緩沖器過小，則不能保證安全緩沖；過大，則因其剛度過大而降低緩沖效果。

1.3.1 緩沖器碰撞動能E。

綜上所述，現場選擇的聚氨酯緩沖器型號為JHQ-C-18，緩沖容量為15.67kJ，緩沖力為414kN，完全符合要求。

2 安全緩沖裝置的結構設計

1.左支撐組件；2.移動板；3.連接螺栓；4.聚氨酯緩沖器；5.右支撐組件；6.支撐梁

由表1可知，聚氨酯緩沖器不能在高溫情況下使用，為了克服它的這一缺點，緩沖裝置采用了如圖1所示的設計結構。通過采用這種方案就能很好地將緩沖器與高溫鋼管隔離開，進而發揮緩沖器的作用。本裝置的運動過程為：緩沖器反裝在移動板上，鋼管在反轉時，移動板帶動緩沖器一起作用在支撐板上，這樣在增加系統穩定性的同時降低了鋼管緩沖帶給系統的內力。

3 安全緩沖裝置的強度設計

從上面的分析可知在所選擇的方案中鋼管的最終作用力傳導到了后支撐板上，而后支撐板是通過序號5加強板固定在框架梁上的，加強板共4塊。由此可知鋼管的作用力F最終將作用在加強板與框架梁的焊縫上，導致此處成為強度最薄弱的部位。如圖2所示：

此處所示的焊縫共有8條，它們一起承擔作用力F，所以每條焊縫的平均作用力。

為了便于計算將焊縫受力簡化為如圖3模型。

3.1 計算在靜載荷時的最大切應力

焊縫接頭開I形坡口，此時產生最大切應力的危險點在焊縫的最上端，該點同時作用有兩個切應力：一個是由M=FL引起的τm；另一個是由Q=F引起的式中：n為工作條件系數查資料得n=0.8，為焊縫的基本許用應力，對于Q235-A此值為160N/。因此，n=128N/。所以，59.82N/≤128N/，結構穩定。

3.2 計算變載荷時的許用應力

= （8）

式中：為許用系數，查資料計算得=0.75。

因此，==96N/。

所以切應力59.82N/≤==96N/，說明此結構在承受變載荷的作用時也是非常穩定的。

4 設計驗證

聚氨酯緩沖器的價格是同緩沖容量彈簧式緩沖器的一半，重量是同緩沖容量彈簧式緩沖器的1/6。采用本文這種結構設計方案既解決了聚氨酯緩沖器不適用于高溫的情況，又能保證緩沖裝置的結構強度和穩定性要求，有效地延長了緩沖器的使用壽命，不失為一種新型的安全緩沖裝置，具有很大的推廣價值。

參考文獻

[1] 張質文，虞和謙，王金諾，等.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2001.

[2] 張榮俠.橋式起重機緩沖器撞壞原因分析及改進[J].起重運輸機械，2005，（5）.

[3] 張佳亮.聚氨酯緩沖器在鋁電解多功能機組上的應用[J].有色金屬，2011，（4）.

[4] 徐初雄.焊接工藝500問[M].北京：機械工業出版社，2001.

作者簡介：王占武（1983-），男，包鋼集團公司無縫鋼管廠機械助理工程師。